|
![]() Тридцать лет после запуска ускорителя ИФВЭСуббота, 16 Июня 2018 г. 17:42 (ссылка)
У-70: итоги и перспективы В редакцию журнала «Вестник Министерства науки и технологий Российской Федерации» Государственный научный центр Российской Федерации «Институт физики высоких энергий» (г. Протвино Московской области, Минатом России) создан в октябре 1963 г. с целью проведения фундаментальных исследований строения материи и законов микромира в новой области энергий. Время создания Института можно смело отнести к новому этапу развития физики элементарных частиц. На ускорителях протонов с энергиями до 30 млрд. электрон-вольт (ОИЯИ - 10 ГэВ, БНЛ - 30 ГэВ, ЦЕРН - 28 ГэВ) и в экспериментах с космическими лучами уже было открыто более трех десятков элементарных частиц и античастиц. Наряду с электронами, протонами и нейтронами, из которых «строится»,окружающее нас вещество, физики открыли новый класс частиц, названных мезонами, тяжелый аналог электрона - мюон. Был значительно пополнен ряд барионов, к которому относятся протон и нейтрон. На.повестке дня вставал вопрос: элементарны ли элементарные частицы? В 1964 году М.Гелл-Манн и Дж.Цвейг независимо предложили модель составного строения адронов (мезонов и барионов) из фундаментальных частиц, названных кварками. Отличительной особенностью кварков был дробный электрический заряд. Известные в то время адроны строились из трех кварков и антикварков. ![]() 14 октября 1967 года был осуществлен физический запуск У-70, пучок протонов впервые в мире был ускорен до энергии 70 ГэВ. На запуске присутствовали генеральный директор ЦЕРНа проф. Б.Грегори, представители Минсредмаша, НИИ и КБ, участвовавших в создании ускорителя. А почти за год до этого 25 декабря 1966 года был осуществлен физический запуск линейного ускорителя на энергию 100 МэВ - инжектора в кольцевой ускоритель. Ускоритель У-70 оставался крупнейшим в мире в течение следующих пяти лет. В новом научном центре экспериментальная база создавалась одновременно с ускорителем, что уже в 1968 году позволило начать широкую программу физических исследований. В подготовке экспериментов на У-70 принимали участие десятки отечественных научных организаций. Это оказалось также мощным стимулом развития в стране методики физического эксперимента. Для координации программы исследований в ИФВЭ был создан Научно-координационный совет, в состав которого вошли ведущие ученые СССР (специалисты ИФВЭ составляли не более трети его полного состава). В это же время шла работа по развёртыванию международного научно-технического сотрудничества. В 1966 году были заключены Соглашения о трудничестве между ИФВЭ и ОИЯИ, ИФВЭ и КАЭ Франции. В 1967 году - Соглашение между ГКАЭ СССР и ЦЕРН. Эти соглашения имели целью подготовку и проведение исследований на ускорителе У-70. Соглашение с ЦЕРН также предусматривало создание на Западе системы быстрого вывода пучка протонов из У-70 и высокочастотного сепаратора частиц для экспериментов на пузырьковой камере Мирабель, изготовление которой взяла на себя Франция. Таким образом, впервые в стране было развернуто полномасштабное международное научно-техническое сотрудничество, установлены широкие научные связи, охватившие многие институты СССР и сохраняющиеся по настоящее время. Впервые в стране был создан национальный научный центр. Основным вкладом в мировую науку исследований на У-70 является доказательство реальности кварков и связывающих их глюонов, которые простым образом объясняют динамические характеристики сильных взаимодействий. Проделанная подготовительная работа сыграла свою положительную роль. Уже в первых экспериментах на У-70 были получены принципиально новые физические результаты, открыты новые физические явления, изменившие ряд представлений о микромире. Здесь, прежде всего, следует отметить открытие масштабной инвариантности взаимодействия адронов при высоких энергиях, ставшее экспериментальным доказательством их составного строения. К такому же выводу пришли физики из Стэнфордского центра линейных ускорителей (СЛАК, США), анализируя данные эксперимента по рассеянию электронов на протонах. Эти два результата дополнили друг друга и вместе подтвердили идеи о сложном строении элементарных частиц. В то же время один из первых экспериментов на У-70 по поиску кварков с дробным зарядом показал, что эти фундаментальные кирпичики материи не существуют в свободном состоянии. Во многих последующих экспериментах, как на более мощных ускорителях, так и в космических лучах, вплоть до настоящего времени свободные кварки не найдены. Сейчас это явление (confinement) имеет теоретическое объяснение, связанное с природой сил, действующих между кварками. Крайне неожиданными были результаты экспериментов на У-70 по измерению полных сечений взаимодействия адронов. До энергий У-70 полные сечения монотонно убывали с ростом энергии. Теория предсказывала их дальнейшее падение. Однако при энергиях У-70 было обнаружено их выполаживание и последующий рост. Это открытие, получившее название «Серпуховской эффект», привело пересмотру теоретически моделей асимптотического взаимодействия адронов. Рост полных сечений в дальнейшем был подтверждён в измерениях на ускорителях ЦЕРНа (ISR, SPS) и ФНАЛ (США). ![]() Совместное исследование упругого рассеяния под малыми углами и полных сечений позволяет определить основную характеристику взаимодействий - амплитуду рассеяния. Эксперименты по упругому рассеянию протонов на протонах были начаты сразу же после запуска ускорителя. Физики ОИЯИ разработали уникальную сверхзвуковую струйную мишень. Сверхзвуковая струя водорода пересекала пучок протонов, циркулирующих в вакуумной камере ускорителя. Продукты столкновения регистрировались системой детекторов. Такая постановка опыта позволила измерить дифференциальные сечения упругого рр-рассеяния в интервале квадрата переданного 4-импульса 0,0007 < - t< 0,12 ГэВ/с2, охватывающего область как чисто ядерного рассеяния, так и кулон-ядерной интерференции. Анализ данных эксперимента привел к открытию роста радиуса взаимодействия протонов с увеличением энергии их столкновения. Методика струйных мишеней, впервые разработанная физиками ОИЯИ, оказалась такой эффективной и привлекательной, что позволила ученым ОИЯИ принять лидирующее участие в самых первых экспериментах на ускорителе ФНАЛ (США), введенном в 1972 году. Значительную роль в исследованиях на У-70 сыграла методика пузырьковых камер. Здесь уже упоминалось о камере Мирабель, изготовленной физиками Франции. В пучках сепарированных частиц У-70 на камере было получено около 3 млн. стереофотографий. Это позволило провести изучение кварковой структуры адронов и придти к важному выводу о том, что в процессах мягких соударений проявляется та же кварковая структура адронов, что и глубоконеупругом рассеянии. В этих же экспериментах была впервые изучена структура К-мезонов. На ускорителе У-70 впервые в России была развернута широкая программа исследований в пучках нейтрино высоких энергий. Нейтринные пучки на ускорителе У-70 до сих пор являются уникальными по параметрам и единственными в России. Нейтрино относится к классу лептонов и, благодаря отсутствию электрического заряда, обладает удивительной проникающей способностью. Это накладывает особые требования к постановке экспериментов с нейтрино: максимально высокая интенсивность пучка и возможно большая масса мишени. Оптимальная конфигурация нейтринного канала, уникальные фокусирующие параболические линзы, разработанные в ИФВЭ, позволили достичь рекордных интенсивностей нейтринных пучков на У-70. Серия нейтринных экспериментов на искровом спектрометре ИФВЭ-ИТЭФ, тяжеложидкостной пузырьковой камере СКАТ, Нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ и Комплексе меченых нейтрино подтвердила кварковую структуру элементарных частиц независимо от адронных экспериментов. В этих же экспериментах были измерены основные характеристики нейтринных взаимодействий в области энергий, мало доступных на других ускорителях, которые дополнили мировые данные по физике нейтрино. Развитие программы физических исследований на У-70 стимулировало развитие методики эксперимента, самого ускорителя, системы каналов частиц. Проектная интенсивность пучка ускоренных протонов- 1*1012 была достигнута уже в 1968 году, а к 1976 году она была увеличена в 5 раз, главным образом благодаря усилиям физиков-ускорительщиков ИФВЭ, осуществивших модернизацию ряда систем ускорителя. Важнейшим достижением ускорительной физики последних десятилетий является открытый и впервые реализованный в ИФВЭ принцип фокусировки пучка высокочастотным электромагнитным полем (ВЧК-фокусировка), используемый в настоящее время в десятках лабораторий мира. На этом принципе в ИФВЭ разработан и изготовлен линейный ускоритель протонов на энергию 30 МэВ - УРАЛ-30. Низкая энергия инжекции и высокий аксептанс захвата частиц в режим ускорения позволили в качестве источника протонов применить ионную пушку с напряжением 150 кВ. Ток пучка протонов УРАЛ-30 достигает 100 мА. Полная длина ускорителя 25 метров, диаметр вакуумного танка - около полуметра. В 1985 году была введена новая система инжекции, заменившая линейный ускоритель И-100. Новая система инжекции состоит из линейного ускорителя УРАЛ-30 и быстроциклирующего протонного синхротрона на энергию 1,5 ГэВ (бустер). Интенсивность пучка протонов была увеличена в 17 раз по сравнению с проектной и достигла величины 1,7*1013 частиц в цикл. В настоящее время ведется реконструкция У-70, задачей которой является доведение интенсивности протонного пучка до 5*1013 частиц в цикл. Широкая программа исследований на У-70 потребовала создание развитой системы каналов частиц, в том числе ряда уникальных пучков частиц. Так в ИФВЭ были впервые созданы пучки электронов с энергиями, превышающими энергии действовавших ускорителей электронов. Были также созданы пучки «меченых» фотонов, т.е. фотонов с известной энергией. Созданная методика нашла затем широкое применение на ускорителях ФНАЛ и ЦЕРН. Развитием методики мечения стало создание в ИФВЭ пучка меченых нейтрино, который до сих пор является единственным в мире. Здесь же следует отметить приоритетные работы ИФВЭ по использованию изогнутых монокристаллов для вывода протонов из ускорителя и для дробления пучка, получившие развитие в последние годы. Они основаны на эффекте каналирования — прохождения пучка частиц между плоскостями кристаллической решетки. Достаточно короткий (5 мм) изогнутый монокристалл становится неким эквивалентом отклоняющего магнита с полем в десятки Тесла. Цикл работ «Создание новых методов управления пучками частиц высоких энергий на ускорителях с помощью изогнутых кристаллов и их реализация» удостоен Государственной премии Российской федерации 1996 года в области науки и техники. Лауреаты: Бирюков В.М., Котов В.И., Чесноков Ю.А. (ИФВЭ), Таратин A.M., Цыганов Э.Н. (ОИЯИ), Самсонов В.М., Смирнов А.И. [посмертно](ПИЯ.Ф), Бавижев М.Д. (КЧТИ). Эти работы продолжаются. В 1997 и 1998 г.г. в эксперименте на У-70 по многооборотному выводу протонов с помощью монокристалла получены результаты, казавшиеся фантастическими несколько лет назад. Достигнута эффективность вывода до 40%, за цикл ускорителя в канал выведено 6*1011протонов, что на 5 порядков выше ранее полученных результатов. Эти результаты вызвали огромный и практический интерес у специалистов ЦЕРН, ФНАЛ и БНЛ. Они также весьма перспективны для медицинских ускорителей на энергии МэВного диапазона. Актуальность исследований на У-70 сохранилась и с вводом ускорителей на более высокие энергии в США (400 ГэВ, 1972 г. и Тэватрона 800-1000 ГэВ, 1983 г., ФНАЛ) и в Европе (SPS-400 ГэВ., 1976 г., ЦЕРН, Швейцария), а также протон-антипротонных коллайдеров на базе SPS и Тэватрона, Энергии У-70 оказались очень удачными для исследовний спектроскопии мезонов, поиска редких распадов каонов, поляризационных и нейтринных экспериментов, поиска осцилляций нейтрино. Эта программа начала активно развиваться с начала восьмидесятых годов и принесла новые физические результаты мирового уровня. Здесь можно выделить открытие h(2030)- и г(2510)-мезонов со спинами 4 и 6 соответственно (ИФВЭ-ЦЕРН), радиально возбужденных состояний я-мезона: π'(1300) и π"(1770) (ОИЯИ-ЦЕРН), кандидата в глюбол G(1560) - частицы, составленной из глюонов, а не из кварков, т.е. принципиально нового вида материи (ИФВЭ-ЦЕРН-Япония),гибридного состояния π(1800), построенного из кварков и глюонов (ИФВЭ). В экспериментах по рассеянию пионов на поляризованных протонах (ИФВЭ-ОИЯИ-ТГУ) впервые при энергиях У-70 была обнаружена значительная асимметрия образования легких мезонов, что говорит о важной роли спиновых сил при высоких энергиях. Эти результаты стимулировали активные поляризационные эксперименты во многих лабораториях мира. Поиск и исследование редких распадов мезонов и, в первую очередь каонов, уже на протяжении десятков лет привлекают пристальное внимание физиков, так как они могут дать знания о природе нарушения СР-инвариантности, являющегося одним из наиболее загадочных явлений в физике слабых взаимодействий элементарных частиц, а также дают уникальную возможность проверки предсказаний многих теоретических моделей. В первых экспериментах по исследованию распадов π и К-мезонов (ИЯИ РАН, ОИЯИ) уже получен ряд результатов (форм-факторы я-мезона), с лучшими в мире точностями коэффициенты матрицы распада К -- π±π°π°. В мировые базы данных по физике, частиц включено более 30 результатов (новые частицы, редкие распады), полученных на ускорителе У-70. Для экспериментов на ускорителе У-70 в ИФВЭ разработан целый ряд методик, получивших мировое признание и широкое использование на других ускорителях. Отмечу лишь три из них. Прежде всего это дифференциальные черенковские счетчики с рекордным, во время их создания, разрешением по скорости частиц на уровне 10-6. В ИФВЭ разработана методика регистрации гамма-квантов годоскопическими спектрометрами на основе черенковских счетчиков полного поглощения из свинцового стекла (спектрометры типа ГАМС).При поперечных размерах счетчика в несколько сантиметров (от 4 см до 10 см) точность измерения координаты гамма-кванта составляет лишь сотни микрон, точность измерения энергии несколько процентов. Эта методика активно используется в экспериментах как на У-70, так и в ЦЕРН, ВНЛ, ФНАЛ. Развитие этой методики в ИФВЭ основано на использовании в качестве счетчиков радиационно стойких тяжелых кристаллов из вольфрамата свинца (PW0 кристаллы). Большое развитие получила в ИФВЭ методика спектрометров на основе жидкого аргона. В состав Комплекса меченых нейтрино входит крупнейший в мире спектрометр ВАРС с массой жидкого аргона 400 тонн. Такая масса детектора эффективна для нейтринных экспериментов. Более того, этот детектор в настоящее время (в перерывах между сеансами на ускорителе) используется в экспериментах по изучению космических мюонов и широких атмосферных ливней. Подводя итоги выполненных к настоящему времени исследований на У-70, можно отметить следующее. За время работы на У-70 проведено более 180 экспериментов. Из них в 170 экспериментах приняли участие группы ученых из научных организаций России, в 50 экспериментах - ученые ОИЯ.И и более 60 экспериментов, проведено совместно с группами ученых из Западной Европы, США и Японии. ИФВЭ и ускоритель У-70 с экспериментальной базой является национальным центром в области физики высоких энергий. На ускорителе ИФВЭ сделан ряд фундаментальных открытий, получивших широкую мировую известность. В том числе в Государственном реестре Российской Федерации зарегистрировано 8 открытий: - Экспериментальное установление неизвестного ранее явления образования антигелия-3 - антиядра с числом антипротонов больше единицы, обусловленного сильным взаимодействием между антинуклонами (за №104 с приоритетом от 28 января 1970 г.); - Закономерность в энергетической зависимости полных сечений (Серпуховский эффект)(за №137 с приоритетом от 24 мая 1971 г.); - Закономерность масштабной инвариантности сечений образования адронов (за № 228 с приоритетом от 5 марта 1969 г.) - Закономерность изменения радиуса сильного взаимодействия протонов при высоких энергиях (за №244 с приоритетом от 22 июля 1969г.); - Явление потенциального рассеяния протонов высоких энергий (за №246 с приоритетом от 10 июля 1963 г.); - Явление образования элементарной частицы h-мезона (за №275 с приоритетом от 13 июня 1975 г.); - Явление фокусировки пучка заряженных частиц в однородном вдоль оси пучка переменном электрическом поле (за №350 с приоритетом от 25 марта 1969 г.); - Явление изменения знака поляризации протонов при их упругом рассеянии на протонах при высоких энергиях (за №387 с приоритетом от 9 июля 1975 г.). 11 циклов работ сотрудников. Института удостоены высших государственных премий. Ленинские премии в области науки и техники: 1970 г.«Разработка и ввод в действие протонного синхротрона ИФВЭ на энергию 70 ГэВ». Лауреаты: А.А.Логунов (ИФВЭ), Р.М.Суляев (ИФВЭ),В.В.Владимирский (ИТЭФ), Д.Г.Кошкарев (ИТЭФ), А.А.Кузьмин (МРТИ), И.Ф.Малышев (НИИЭФА). . 1986 г.«Новый метод изучения множественного рождения частиц в сильных взаимодействиях (инклюзивные процессы) и открытие масштабной инвариантности в этих процессах - теоретические и экспериментальные исследования». Лауреаты: С.П.Денисов (ИФВЭ), М.А.Мествиришвили (МГУ), Нгуен Ван Хьеу (Вьетнам), Ю.Д.Прокошкин (ИФВЭ). 1988 г. «Разработка и создание линейного ускорителя ионов нового типа с фокусировкой пучка квадрупольным высокочастотным полем». Лауреаты: И.М.Капчинский (ИТЭФ), В.А. Тепляков (ИФВЭ). (Цикл этих работ также удостоен премии Американской ускорительной школы.) Государственные премии в области науки и техники: 1970 г. «Проектирование и создание инженерного комплекса Серпуховского протонного синхротрона ИФВЭ, включающего электромагниты, вакуумную систему, системы радиоэлектроники и специальные инженерные сооружения». Лауреаты: Ю.М.Адо (ИФВЭ), Э.А.Мяэ (ИФВЭ), С.Ф.Мальцев (УС-620), К.Н.Мещеряков (18ГУ), И.А.Мозалевский (НИИЭФА), С.Д.Николаев (монтажный трест), А.В.Попкович (НИИЭФА), А.С.Темкин (ВНИИМР), В.А.Титов (НИИЭФА), В.А.Уваров (РТИ), Ф.З.Ширяев (ГСПИ). 1970 г. «Разработка, сооружение и ввод в действие линейного ускорителя протонов на энергию 100 МэВ— инжектора Серпуховского протонного синхротрона». Лауреаты: С.А.Ильевский, В.Г.Тишин (ИФВЭ), М.И.Басалаев, В.Г.Кульман, И.Х.Невяжедский, Б.П.Мурин, б.и.Поляков (МРТИ), И.М.Капчинский, Н.В.Лазарев, В.К.Плотников (ИТЭФ), Ю.П.Бахрушин, А.И.Солнышков (НИИЭ-ФА). 1973 г. «Фоторождение пи-мезонов на нуклонах». Лауреаты: А.А.Логунов, Л.Д.Соловьев (ИФВЭ), М.И.Адамович, А.С.Белоусов, Б.Б.Говорков, А.И.Лебедев, Е.И.Тамм, С.П.Харламов (ФИАН), А.М.Балдин (ОИЯИ), А.Н.Тавхелидзе (ИЯИ). 1984 г.«Метод ренормализационной группы в теории поля». Лауреаты: Н.Н.Боголюбов (ОИЯИ), А.А.Логунов (ИФВЭ), Д.В.Ширков (ОИЯИ). 1984 г.«Разработка и создание протонно-лучевых стендов СТОПРОБ, ПРОЛОГ, ПОЛОГ и ПРОБОТ для облучения опухолей и их использование в медицине». Лауреаты: Агальцов А.В. (ИФВЭ) и др. 1996 г.«Создание новых методов управления пучками частиц высоких энергий на ускорителях с помощью изогнутых кристаллов и их реализация». Лауреаты: Бирюков В.М., Котов В.И., Чесноков Ю.А. (ИФВЭ), Таратин A.M., Цыганов Э.Н. (ОИЯИ), Самсонов В.М., Смирнов А.И. [посмертно] (ПИЯФ), Бавижев М.Д. (КЧТИ). Премии Совета Министров СССР: 1984 г.«Создание универсального измерительно—вычислительного комплекса и внедрение результатов его разработки в народное хозяйство». Лауреаты: А.Ф.Дунайцев, С.В.Клименко, В.Д.Лонгинов, Е.А.Алеев, А.А.Боровиков, В.Д.Жильченков, А.А.Иванов, Е.В.Крютченко, Ю.Я.Куркин, О.И.Михайлов, С.Г.Никитин, Б.А.Уточкин, П.В.Шляпников, В.А.Ярба (ИФВЭ), А.А.Васильев (18ГУ), А.И.Вагин, Л.Л.Лихтенбаум (МРТИ), Ю.С. Скворцов, К.Ю.Варуск (ЛОМО), П.Ф.Ермолов (НИИЯФ МГУ), В.А.Богаченко («ПЛАТАН»,Фрязино), Ю.В.Найдин (ЭНИМС, Москва), В.В.Цыганенко (ПО» Кинескоп», Львов), А.Ф.Денисов, А.П.Черный (ВНИИРИП, Вильнюс). 1988 г. «Разработка и внедрение в практику семейства унифицированных операционных систем для вычислительных комплексов общего назначения». Лауреаты: Л.А.Егошин (ИФВЭ) и др. Многие результаты исследований, выполненных в Институте, нашли широкое применение в других отраслях науки, техники и промышленности России, в том числе прикладное. Но это предмет отдельной статьи. Перспективы развития исследований в области физики высоких энергий в России во многом связаны с ведущимися в ИФВЭ работами по реконструкции ускорителя У-70. Они направлены на достижение интенсивности 5* 1013 протонов в цикл, увеличение эффективности работы комплекса на физический эксперимент, а также подготовку существующего ускорительного комплекса к инжекции в сооружаемый ускоритель У-600 в тоннеле УНК. ![]() Ряд новых приоритетных направлений исследований (поиск редких распадов К-мезонов, меченые нейтрино, поляризация) непосредственно требуют увеличения интенсивности ускорителя. В ИФВЭ ведутся работы с целью создания интенсивного пучка К-мезонов с помощью сверхпроводящего высокочастотного сепаратора, сделанного в ЦЕРНе. Это позволит получить пучок 7 ГэВ К-мезонов с интенсивностью 5*106 частиц за цикл. Создание такого пучка открывает широкие возможности исследований по физике К-мезонов. Здесь уже упоминалось о Комплексе меченых нейтрино (КМН). Наряду с уникальной нейтринной физикой на КМН принята программа исследований редких распадов К-мезонов. В такой постановке эксперимента открывается возможность одновременного измерения распадов как положительных, так и отрицательных каонов, что принципиально важно для решения проблемы СР-нарушения. Российско-американский поляризационный эксперимент (РАМПЭКС) нацелен на изучение односпиновых явлений в инклюзивном рождении заряженных и нейтральных адронов при рассеянии пионов и протонов на поляризованных протонах и предполагает проведение комплекса экспериментальных исследований в новом направлении. Будет продолжена актуальная программа исследований в области спектроскопии мезонов и барионов, включая поиск и изучение экзотических состояний, глюболов. Безусловно, этим не ограничивается перспективная программа исследований на У-70. Она открыта для новых предложений экспериментов, отвечающих современным тенденциям развития физики высоких энергий. Развитие исследований на крупнейшем в России ускорителе протонов гарантирует получение новых фундаментальных знаний о природе микромира, сохранение уникального научного потенциала и мирового уровня научного авторитета России в мире. Подписано: Академик А.А. Логунов, директор ГНЦ ИФВЭ Опубликовано: газета "Ускоритель" - 18 июня 1998 г. /фото из архива ИФВЭ добавлены публикатором, производившим литературную обработку текста/
|
|
LiveInternet.Ru |
Ссылки: на главную|почта|знакомства|одноклассники|фото|открытки|тесты|чат О проекте: помощь|контакты|разместить рекламу|версия для pda |