Последние результаты и перспективы физики ускорителей Кооп Иван Александрович, д. ф.-м. н., профессор НГУ. Заведующий Кафедрой физики ускорителей 24 апреля 2002 г.

«Кафедра физики ускорителей» была организована 1989 г. и первым заведующим стал Николай Сергеевич Диканский, сейчас ректор университета. Идея создания кафедры возникла в связи с тем, что круг вопросов, решаемых с помощью методов ускорительной физики чрезвычайно расширился — это фактически стало отдельной специальностью, где нужно дать более фундаментальное образование.

Я сам раньше учился на кафедре физики элементарных частиц (ФЭЧ), вместе с экспериментаторами и теоретиками. Мы проходили общий курс по физике элементарных частиц, и не хватало времени на углубленное изучение вопросов касающихся ускорительной тематики. Общий курс по физике ускорителей читал тогда Скринский Александр Николаевич — сейчас академик и директор Института ядерной физики (ИЯФ), Присутствовал курс радиоэлектроники, где мы изучали счетчики, схемы совпадения и др. Такие явления как неустойчивости, когерентные эффекты при движении частиц в ускорителях оставались «за бортом», поэтому к 90-м годам, когда специальность по ускорительной физике развилась до современного состояния, и когда это стало практически самостоятельной отраслью знания, возникла необходимость организации кафедры физики ускорителей. ИЯФ выступил с инициативой выделения этой специализации. Сейчас читаются полтора десятка спецкурсов по тематике физики ускорителей. Эти курсы читаются в течение 4-х лет. На 3-ем курсе общее введение в теорию ускорителей, на 4-ом делается дипломная работа на степень бакалавра, и читаются спецкурсы по теории электронного охлаждения, коллективным эффектам и др.

Когда выпускник бакалавратуры становится магистрантом, он продолжает изучать новые разделы теории ускорителей. Фактически, выпускник магистратуры становится полноценным специалистом в области ускорителей. Аспирант уже делает работу, которая обычно заканчивается кандидатской диссертацией. Действительно в момент организации кафедры было сознание того, что эта специальность широко востребована во всем мире. И в то же время, ее мало кто может преподавать. Наш университет находится в выгодном положении. У нас есть базовый институт — ИЯФ, который долгое время лидирует в мировой науке в строительстве ускорителей и их применении. Многие прекрасные идеи родились в ИЯФе. Он способен действительно подготовить специалистов в данной области.

Краткий обзор того с чего начиналась ускорительная физика в институте. Академик Г. И. Будкер в конце 50-х предложил идею построить ускоритель на встречных пучках. За эту идею Ландау обозвал его «релятивистским инженером». Это было замечательное прозвище, которое действительно характеризовало эту авантюру. В то время никто серьезно не помышлял о встречных пучках. Эта идея казалось абсолютно невозможной. Когда Курчатов, руководитель Будкера, отдал на рецензию идею встречных пучков нескольким специалистам в области ускорительной техники, все в один голос заявили что это полный абсурд, нереализуемо, никогда не будет работать. И это подвигло Курчатова, т. к. он был человек такого склада, что осознал, что в идее есть рациональное зерно, особенно если кажется безумием и ее нужно осуществить. Фактически в тот момент он дал добро Будкеру на организацию собственного института в Сибири (как раз в момент строительства Сибирского отделения) и это было прекрасное решение направить Будкера с собственной лабораторией в Сибирь и организовать лабораторию встречных пучков.

Встречные пучки — это был флаг нашего института. Сюда в Новосибирск привезли, сделанное еще в Москве, накопительное кольцо. Оно состояло вообще-то из двух пересекающихся магнитных кольца, стоявших вертикально, на энергию 160×160 МэВ. В Москве установку еще не запускали, но в Новосибирске уже в начале 60-тых она начала работать. И когда академик Векслер приезжал сюда в командировку посмотреть, как идут дела, он был поражен что эта фантастическая идея работает. Следующим этапом ускорительной техники в истории встречных пучков было создание комплекса ВЭПП -2 (встречные электрон-позитронные пучки). Рождать антиматерию в заметных количествах было очень сложно. Позитроны рождались в комплексе ВЭПП-2 один на 10 000 электронов падающих на мишень. Идея накапливать позитроны постепенно используя радиационное трение была осуществлена на этой установке. Впрыскивают пучок позитронов на магнитную дорожку, за счет синхротронного излучения все три типа колебаний затухают, пучок сжимается и освобождается место в фазовом пространстве для инжекции новой порции частиц. Таким образом осуществляется многократное накопление позитронов. В результате к 65 году на установке ВЭПП-2 удавалось накопить 10-ки мА позитронов. Это был луч антимира. Многие президенты приезжали в гости, в частности, Де-Голь, Помпеду. Была специальная лесенка, на которую все забрались и смотрели в окошко на свет из антимира. Синхротронное излучение видно в видимом спектре, похоже на луч электросварки, голубоватого цвета. Это были первые важные шаги ИЯФа в области встречных пучков. Когда сталкивают мишень и налетающие частицы, то энергия используется не эффективно, в отличие от эффекта при сталкивании частиц с одинаковой энергией, так что почти вся энергия используется в реакции и появляется возможность легче регистрировать ее продукты. Частицы могут слипнуться в тяжелое образование которое потом распадется на другие частицы, регистрируемые детекторами. Для рождения такой же инвариантной массы в случае покоящейся мишени, зависимость энергии взаимодействия как корень квадратный из энергии. И чтобы, например, родить частицу массой 1 ГэВ нужно ускорять электрон намного больше, чем в случае встречных пучков. Сейчас ускорители с мишенями используются только в низкоэнергетических областях. Коллектив авторов из ИЯФа в конце 60х были удостоены почетной в то время Ленинской премии.

Но фантазии первого директора института устремились дальше. Будкер хотел устроить рождение антимира. Научиться рождать антипротоны и организовать получение, например, антиводорода. Для этого разработали проект ловушек, как замедлить антиводород, как его удерживать. Ну а первое и главное направление — научиться получать антипротоны, и накапливать их. Для чего был предложен метод электронного охлаждения. Фактически — внесение трения в систему (заменяет роль радиационного трения в электрон-позитронном варианте). Так возник проект ВАПП-4. Потом было осознано, что эта программа слишком масштабная для ИЯФа и требует огромных финансов, недоступных в тот момент. И ВАПП-4 превратили в ВЭПП-4. Построили еще две электрон-позитронных установки ВЭПП-3 и ВЭПП-4, которые работают до сих пор. Нужно сказать, что в этой области энергий, в которой они работают, открывается замечательная физика — рождается много новых частиц, хотя на момент создания этих установок казалось, что там нет ничего нового.

На тот момент существовало мнение, что у семейства существует всего лишь 3 кварка. В дальнейшем узнали что их шесть: «u d s c b t» кварки. Нужны установки, чтобы обнаружить Хигс-бозон. В науке много примеров, когда установки не попадали в полезную область, то есть область энергий, где нет принципиально новых эффектов. Скажем установки «Петро» в Германии или «Тристан» в Японии. Впрочем, иногда везет, а иногда нет.

На задачу с электронным охлаждением в институте была организована работа, построены специальные установки, на которых изучались принципы электронного охлаждения. Это был крупный успех. Его сейчас применяют по всему миру. Потом, правда, был придуман альтернативный способ охлаждения — стохастический. Который работал, например, в CERN. Но и электронное охлаждение имеет свои преимущества.

Если проследить дальнейшее развитие ускорителей в ИЯФ, то это выразилось в постройке ВЭПП-2М, который заменил собой ВЭПП-2. Эта установка была задумана как накопитель, но уже оптимизированный для проведения экспериментов по электрон-позитронному взаимодействию в области небольших энергий, но с очень высокой эффективностью столкновения, т. е. сильнее сжали пучки в месте их встречи. Производительность повысилась в 1000 раз по сравнению с ВЭПП-2. Если на 1-ой установке только прикоснулись к физике, скажем, «ро» «омега» и «фи» мезонов, то на ВЭПП-2М уже стали изучать редкие моды распадов этих мезонов. Физика была очень богатой, и ВЭПП-2М работал до 2000 года, но потом его решили остановить и разобрали. Теперь на его месте строят новую установку ВЭПП-2000. «2000» означает, что она была задумана в 2000 году, а другая трактовка — достигаемая суммарная энергия будет 2000 Мэв. Эта конструкция будет работать в очень интересной области физики элементарных частиц, где рождаются многочисленные мезонные резонансы, составленные из легких кварков. Эта область представляет большой интерес для развития квантовой хромодинамики, и ВЭПП-2000 обеспечит дальнейший шаг по сравнению с предыдущими установками.

Еще примерно 15 лет назад при жизни Будкера возникла идея встречных линейных электрон — позитронных пучков, обсуждался вариант, как преодолеть кризис и барьеры, которые ставит синхротронное излучение. Циклические ускорители на электронах и позитронах не могут ускорять дешевым образом частицы выше 100 Гэв. Вот в CERN построен LEP с периметром 27 км. Он находится в туннеле под горой. В этом громадном ускорителе удавалось ускорять электроны и позитроны до максимальной энергии в 115 Гэв. При этом ВЧ система ускорителя потребляла от электростанции около 400 МВт мощности. Громадная электростанция работала на нужды физики высоких энергий. В дальнейшем следовать по пути увеличения периметра уже нельзя. Что досадно, для того чтобы создать Хигс-бозон может быт не хватало всего нескольких Гэв. Использовались самые новые достижения современной техники: сверхпроводящие резонаторы, которых стояли целые километры, и каждый из них потреблял несколько мегаватт от генераторов. Это чудо техники было пределом для циклических ускорителей. Уже много лет идея линейных ускорителей приходила в голову многим ученым.

Основа в эффективном ускорении — очень высокий темп ускорения. Скажем, к примеру, около 100 МэВ/м или выше. Тогда при длине ускорителя 10 км можно получить примерно 500 ГэВ, а в сумме 1 ТэВ. Обсуждаются проекты на 200×200, 500×500. В ИЯФ возник проект ВЛЭПП, была организована специальная лаборатория, которая долго развивала этот проект и добилась больших успехов: был получен темп ускорения около 100 МэВ/м. Но довести эту технологию до промышленного воплощения не удалось, потому что наступила перестройка, и возникли проблемы с финансированием. Проект был остановлен, хотя в этой области мировое ускорительное сообщество сейчас продвигается, обсуждается реализация встречных линейных электрон-позитронных коллайдеров. ИЯФ также участвует в этих проектах. Наиболее, пожалуй, многообещающим является проект «Тесла» в Гамбурге. Эта установка будет длиной 30 км, будут использоваться сверхпроводящие резонаторы с темпом ускорения примерно 35 Мэв/м. Сверхпроводящий резонатор имеет большое преимущество в том, что может практически непрерывно ускорять, он работает с хорошим коэффициентом скважности, близким к 1. ИЯФ же разрабатывал импульсный линейный ускоритель, где пучки повторялись с большой частотой, но все-таки с большими пустыми промежутками.

Отмечу, что в проекте ВЛЭПП также рассматривались «гамма-гамма» пучки. Электроны и позитроны, освещаемые лазером, увеличивали энергию рассеянных фотонов при комптоновском рассеянии. Получаются «гамма-гамма» встречные пучки с энергией близкой к энергии первоначальных частиц. Сфера ускоряемых частиц велика: «гамма-гамма», электрон-позитрон, обсуждаются «мюон плюс — минус» и многие другие. В своей системе отсчета мюоны живут порядка 1 мкс, и если их быстро ускорять то время жизни увеличивается в «гамма-фактор» раз. При факторе 105 это уже 0,1 с, что уже неплохо. Их можно быстро ускорить в линейном ускорителе, захватить в кольцо и заставить сделать много оборотов и провзаимодействовать, прежде чем они распадутся. Мюоны интересны тем, что они представляют собой другой тип лептонов. Электрон-позитронные и «мюон плюс-минус» пучки дополняют друг друга. В CERN были реализованы протон-антипротон встречные пучки. Существуют проекты электрон-ядерного столкновения. Сталкивали с покоящимся ядром, теперь же хотят накапливать стабильные (живущие доли секунды) ядра на магнитной дорожке. Интерес представляет форма ядра. Причем, для охлаждения ядер используют электронное охлаждение. Давно используют взаимодействие фотонов, протонов с ядрами. Список можно продолжать.

Отдельной вехой в истории комплекса ВЭПП-2М было изучение поляризации. Впервые обнаружили явление самополяризации пучков в магнитном поле, предсказанное еще в 60-ых годах теоретиком Соколовым. Оно изучалось, и сейчас используется для прецизионной калибровки энергии. Стало возможным калибровать энергетическую шкалу ускорителя с точностью 10-5, что позволяет проводить чрезвычайно прецизионный эксперимент по измерению всех процессов, скажем, рождения новых частиц. Также эксперименты по наблюдению и измерению аномального магнитного момента электрона или мюона. ИЯФ участвует совместно с Брукхейвенской лабораторией в экспериментах по уточнению аномального магнитного момента мюона. Представляет интерес измерение электрического дипольного момента. Задумывались установки, на которых можно заметить его проявление у элементарных частиц и ядер.

— В чем разница между физиками ФЭЧ и ускорительщиками?

— Ускорительщики не занимаются, скажем проектированием магнита. Присутствует конечно техническая часть, как, например, проекты самих ускорителей. Ведь он состоит из «железячек», но кроме них существует масса интересных вопросов. Прежде всего, нужно накапливать частицы, а это не просто, так как с ними постоянно что-то происходит. Частицы на магнитной дорожке представляют собой высокодобротный осциллятор. Требуется около 10⁵ оборотов для затухания электрон-позитронных колебаний в присутствие радиационного трения. Интенсивный пучок сильно «чувствует» неидеальности. Удержать его без потерь и в пригодном для эксперимента состоянии сложная задача. Главным содержанием физики ускорителей являются процессы происходящие с пучком на магнитной дорожке: нелинейные колебания, электронное охлаждение, радиационное трение и мн. др. Кроме того происходят явления самополяризации, спинового резонанса. Был разработан способ переворачивания спина на 180 градусов.

— Ускорительщики дарят машину тем кто снимает «сливки», то есть имеет самые лучшие результаты? Больше занимаются техникой?

— Физики экспериментаторы (ФЭЧ) тоже много заняты «железками», делают камеры, счетчики. И для них существует много кропотливой работы.

— Но им-то светит какое-либо открытие?!

— Да, но оно вдали, сначала ускорительщики должны создать установку, обладающую нужными характеристиками.

— То есть они в стороне?

— Нет, конечно. Нужен «симбиоз». Нельзя так строго делить на ускорительщиков и экспериментаторов. Приходиться решать задачи и создавать проекты вместе. Поэтому ряд публикаций содержит авторов с физики ускорителей и ФЭЧ. Во-первых, нужно понять, что и как изучать, а потом уже проектировать установку. Здесь присутствует взаимообогащение. Ускорительщикам приходиться много полезного для экспериментаторов и иногда пользоваться их методами, приглашать их к участию. Например, при изучении поляризации детектировали частицы, воспользовавшись их счетчиками и аппаратурой.

— Физика ускорителей это «ветвь» ФЭЧ?

— Общее «дерево» называют физикой высоких энергий. И это одни из его «ветвей».

— Есть мнение, что физика ускорителей это больше железо, а ФЭЧ — это успех. Пример, в Стэнфорде, когда мне довелось там быть, я спрашивал студентов о направлении, которое они выберут. Они отвечали, что их интересует направление, где есть возможность получить Нобелевскую премию.

— Согласен, подход правильный.

— Так напрашивается вывод, в ФЭЧ имеется возможность получить премию, а в физике ускорителей?

— Известно, что лауреатом Нобелевской премии стал Вандермеер — ускорительщик. За организацию встречных протон-антипротонных пучков два человека получили Нобелевскую премию: Карл Рубен — директор CERN (ФЭЧ) и Симон Вандермеер за стохастическое охлаждение, которое привело к возможности накопления антипротонов в больших количествах, а их столкновения — к ярким событиям в физике высоких энергий. Были открыты новые семейства частиц.

— Капица получил Нобелевскую премию, за прибор, с помощью которого дальше лавиной начались новые исследования в квантовой электронике и химии. Он сделал прибор, то есть то самое «железо», но обладающее уникальными свойствами. Где же все-таки грань между ФЭЧ и физикой ускорителей.

— Она всегда размыта. Я знаю много примеров, когда ускорительщик, к примеру, переходил плавно в экспериментаторы и наоборот. Человек по «зову души», или чаще, по случайному стечению обстоятельств попадал куда-то не туда и жизненный путь выводил его в совсем другую сторону. Например, Гурам Яковлевич Казирашвили участвовал в работе на ВЭПП-2М, которая бывает довольно рутинной и тяжелой. Когда нужно гонять электроны и позитроны чуть ли не год, и такая работа начинает надоедать и не нравиться. И он нашел свое интересное дело в стороне, стал использовать комптоновское рассеяние фотонов на релятивистских частицах, дающее фотоны очень высокой энергии, причем «меченные», известной энергии. Зная траекторию фотона можно узнать его энергию, так как есть корреляция между координатой фотона и его энергией. Пучок таких фотонов полезен в исследовании ядер. Установка была создана под руководством Гурама Яковлевича, но, к сожалению, он безвременно ушел из жизни. Эта установка работает на ВЭПП-4 и генерирует комптоновские фотоны с высокой энергией, порядка 100 МэВ. Таким образом инициатива принадлежит укорительщику и стала новым инструментом в ядерной физике.

Если быть высокопарным, то ускорительщики, в каком-то смысле, дарят возможность для других, но мне кажется что это не совсем точно. Все занимаются, прежде всего, своим интересным делом и являются иногда ведомыми, а иногда ведущими. Все начинается с идей. Кто-то указал, как решить проблему и начинает придумывать прибор. Например, история с линейными коллайдерами. Они еще не построены. Есть много способов реализации этой идеи. Большие научные центры в Японии, Германии, Швейцарии, США, Новосибирске предлагают разные пути. Каждая лаборатория предлагает свою установку. Видно, что нет заведомо правильного пути и приходиться тратить годы усилий и идти в каком-то направлении, может иногда неправильном. Это открывается потом, где могут встретиться непредвиденные и непреодолимые препятствия.

Но возникает идея, и под эту идею организуется лаборатория или целый институт или даже научный центр. Крупные идеи привлекают огромные финансы.

К примеру, когда выдвигался проект SSC (протон-антипротонный коллайдер) на 2×20 Гэв, сначала оценивался в 5 млрд $. Потом правительство США решило что это слишком дорого, и проект закрыли. Я думаю, они бы смогли реализовать проект, но не удалось. Тот же LHC в Швейцарии.

Такие громадные проекты возможно создать только на базе согласия ученых, правительств разных стран. Сейчас под идею линейных ускорителей формируют команды. В России это немного по другому — более мелкий масштаб, хотя проект в Протвино — проект ЛНК — был громадных масштабов.

Всегда есть идея, есть и команда. Будкер любил менять организационную часть, если дело долго не продвигалось. Нет прогресса, меняет команду.

— Подходит ли такое определение ускорительщика, как человека обладающего искусством создавать пучки с заданными свойствами?

— Не нужно думать, что студенты сразу создадут пучки с заданными свойствами.

— Сегодня молодежь хочет выиграть и в ближайшее время иметь успех. Почему интересно идти на кафедру физики ускорителей?

— Прикладные исследования в институте занимают определенную долю усилий, но не определяющую. Есть международные и внутренние работы по фундаментальным исследованиям. Прикладные занимают около 20%. Они существенны и приносят институту значительные деньги, т. к. институт получает слабое финансирование от государства. Примерно 70% денег зарабатывается, как прикладными, так и фундаментальными работами.

— Если студенты пойдут на кафедру, они обеспечат себе жизнь, будут пользоваться спросом? Как насчет рынка труда?

— Рынок труда ускорительщиков гигантский. Это самая востребованная специальность в физике высоких энергий.

— Наравне с ФЭЧ?

— ФЭЧ, скажем, востребована тоже, но ускорительщики по востребованности, я думаю, перевешивают.

— Я убежден в этом! Потому что те, кто получают знание в области ФЭЧ имеют спрос в области фундаментальной науки, а в области физики ускорителей смотрится и то и другое.

— Нет, я бы расставил акценты по иному. Физика ускорителей мало, где преподается. Мало центров способных подготовить специалистов.

— А МИФИ?

— На чем будет МИФИ преподавать? У них нет базы.

— Дубна?

— Дубна это ядерный институт и там маломасштабные установки.

— Кто в мире способен конкурировать с кафедрой?

— Наши специалисты вне конкуренции.

— А в Стэнфорде?

— Увлечение Computer Science охватило все университеты и страдает даже ФЭЧ, а физика ускорителей тем более, являясь более технической специальностью. Мало идет студентов.

— В этом смысле это выигрышное направление?

— В частности, микросхемы и чипы формируются с помощью ускорителей. Наша промышленность сегодня зависит от того, насколько будут хороши ускорители. К примеру, в мире ежегодно выбрасывается на рынок 580 ускорителей. Если знать и уметь делать, то быть ускорительщиком очень выгодно.