К 85-летию Московской области

Рассказ об истории научных центров по ядерной физике и физике высоких энергий 

 Введение. Зачем государству фундаментальная физика? 

Среди наук, так или иначе изучающих окружающий нас мир во всем его многообразии, особо стоит фундаментальная естественная наука, занятая исследованием строения материи. Или, говоря другими словами, исследованием фундаментальных (основополагающих) сил, существующих в природе, сложный результат взаимодействия которых и являет нам картину всего сущего в микро- и макро- Космосе. 

Сегодня известно, что атом любого химического элемента состоит из  ядра и окружающего его «облака» электронов. Размеры ядра на 4-5 порядков меньше размеров атома. Оно несет практически всю массу атома и определяет его химические свойства. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет атомный номер химического элемента Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Протоны и нейтроны обобщенно называются нуклонами. Развитие ФВЭ привело к выводу о составном строении нуклонов из так называемых «кварков», причем сами кварки в чистом виде до сих пор экспериментально не найдены, но изощренная современная исследовательская методика позволяет описать их свойства как бы «заочно». В природе существуют, по крайней мере, три группы фундаментальных частиц: шесть кварков и соответствующих им антикварков, шесть лептонов (в частности, это электрон, мюон и соответствующие им нейтрино) и антилептонов, а также калибровочные бозоны (гамма-квант, глюоны, W- и Z-бозоны), являющиеся переносчиками взаимодействий. Теоретически было предсказано существование и два десятилетия вёлся поиск особой группы частиц - Хиггсовских бозонов, ответственных за возникновение массы частиц.  Они обнаружены лишь в 2013 году на самом мощном в  мире ускорителе со встречными протонными пучками (коллайдере) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве.

Эта несколько упрощенная картина представлений об устройстве микромира, с одной стороны, весьма гармонична, с другой, полна внутренних загадок, над разгадкой которых и работают ученые многих стран в тех немногочисленных научных центрах, которые располагают надлежащим оборудованием для исследований в области ФВЭ. Важнейшим, наиболее внушительным по размерам и дорогостоящим научным прибором в этой отрасли науки является ускоритель заряженных частиц. Лишь несколько научных центров в мире располагают современной ускорительной базой для проведения соответствующих исследований, и Московская область в этом ряду - на видном месте. 

Как всё начиналось. Физики выбирают Подмосковье. 

Начало отечественной ФВЭ можно отнести к 30-м годам, когда  в СССР были созданы первые научные специализированные центры соответствующего профиля - Радиевый институт в Ленинграде и Физический институт Академии наук (ФИАН) в Москве. Они активно и целенаправленно продолжили исследования по фундаментальной физике, ведущиеся в ряде университетов и институтов, включая Харьков, Свердловск и некоторые другие города. В конце 30-х годов  начал работать первый отечественный ускоритель - циклотрон Радиевого института в Ленинграде, созданный при участии И.В.Курчатова, который уже в 1944 году руководил постройкой и запуском циклотрона в Институте атомной энергии (ИАЭ), названной впоследствии его именем. 

Сразу после войны, в 1946 году, ФИАН построил Памирскую станцию для изучения космических лучей в условиях высокогорья, что позволило проводить полномасштабные исследования частиц, прилетающих из космоса, их состава и взаимодействия с веществом. Надо сказать, что среди космических частиц обнаруживаются и частицы весьма высоких энергий, в том числе таких, каковых невозможно достичь на современных ускорителях в земных условиях. Это уже была действительно ФВЭ, но … об интенсивности, тем более о пучках таких частиц говорить не приходится. Тем не менее  научный интерес был колоссальный.   Вскоре была организована  специальная стратосферная станция в подмосковном поселке (ныне городе) Долгопрудном для развития работ по космическим лучам методом радиозондов, запускаемых на большие высоты с помощью аэростатов (на снимке). Были  развернуты стратосферные исследования космических лучей и в некоторых других высокогорных лабораториях. Это позволило С.Н.Вернову, в частности, открыть широтный эффект космических лучей в стратосфере и выяснить механизм рождения вторичных компонент (Государственная премия 1949 года). В последующие годы на этой станции проводились исследования модуляционных эффектов в космических лучах (Ленинская премия 1976 г., Г.А.Базилевская, А.Н.Чарахчьян, Ю.И.Стожков). Так что можно сказать, что начало подмосковной ФВЭ (конкретно - физике космических лучей) было положено в Долгопрудном. Именно здесь вскоре был организован и «физтех» - Московский физико-технический институт, подлинная кузница молодых научных кадров высокой квалификации для исследовательских организаций страны (и не только). 

Выход отечественной ФВЭ на передовые позиции в мировой науке был обеспечен благодаря начавшемуся на рубеже 40-50 годов широкомасштабному применению ускорителей заряженных частиц, предоставивших в распоряжение исследователей богатые возможности по постановке и проведению экспериментов с частицами высоких энергий. Открытие в 1944 году В.И.Векслером в ФИАНе принципа автофазировки - основного принципа всех существующих и проектируемых ускорителей в мире - позволило во много раз повысить энергию частиц и разработать новые типы ускорителей. Под руководством В.И.Векслера уже в первые послевоенные годы были сооружены первые советские электронные синхротроны на 30 и 250 МэВ, а затем по инициативе В.И.Векслера и С.И.Вавилова начались работы по проектированию и созданию ускорителей протонов. Большинство отечественных ускорительных проектов «привязывалось» к таким городам Подмосковья, как (в хронологическом порядке) Дубна, Троицк и Протвино. Ускорительная физика развивалась также в таких городах, как Новосибирск, Томск, Гатчина, Харьков, Киев, Ереван, но Московская область оказалась самой «насыщенной» в части ФВЭ. 

Дубна 

Именно в Дубне (тогда рабочем поселке на берегу Волги на севере Московской области) был создан первый в стране специализированный ускорительный научный центр. Здесь по решению Правительства, инициированному И.В.Курчатовым, под эгидой Минсредмаша (ныне - Минатом России) был создан филиал ИАЭ, в котором 14 декабря 1949 года был введен в действие самый крупный в то время в мире ускоритель частиц - синхроциклотрон на энергию протонов 480 - 680 МэВ. Это была первая крупная победа отечественных ускорительщиков, давшая положительный импульс всем дальнейшим успехам вплоть до начала 90-х годов. 

Практически одновременно была начата работа по созданию наиболее известного дубненского ускорителя - протонного синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ. Его физическое обоснование и технический проект были выпущены в 1951 г., и вскоре в Дубне началась самая большая в то время научная стройка страны. Подоспели и организационные преобразования - в марте 1956 полномочные представители 11 стран социалистического содружества подписали Соглашение об учреждении в Дубне Объединенного института ядерных исследований. В настоящее время институтом руководит академик В.А.Матвеев.

В свое распоряжение ученые содружества получили практически всю экспериментальную базу Дубненского центра, в том числе и введенный в строй в 1957 году синхрофазотрон, крупнейший в мире ускоритель на то время по энергии ускоряемых протонов. Разработка ускорителя на энергию 10 ГэВ потребовала решения сложных и очень трудных для того времени физических и технических задач. Вес кольцевого электромагнита ускорителя составлял 36 тысяч тонн, длина орбиты ускоряемых частиц  - около 200 метров. За создание и сооружение этого ускорителя была присуждена Ленинская премия группе научных работников и инженеров: В.И.Векслеру, Л.П.Зиновьеву, Д.В.Ефремову, Е.Г.Комару, Н.А.Моносзону, А.М.Столову, А.Л.Минцу, Ф.А.Водопьянову, С.М.Рубчинскому, А.А.Коломенскому, В.А.Петухову и М.С.Рабиновичу. Именно с вводом в строй этого ускорителя и началась в нашей стране экспериментальная ФВЭ, принесшая целый ряд крупных научных результатов. 

Наиболее известным научным результатом, полученным с использованием пучков синхрофазотрона, стало обнаружение в марте 1960 года случая рождения и распада новой античастицы - «анти-сигма-минус-гиперона», зарегистрированное в Госреестре (В.И.Векслер, М.И.Соловьев, Н.М.Вирьясов, Е.Н.Кладницкая, А.А.Кузнецов, А.В.Никитин). Широкий фронт проводимых исследований и высокий профессионализм дубненских ученых за более чем 40-летнюю историю принес в копилку знаний о Природе еще три десятка открытий. В частности, можно отметить, что за обнаружение и исследование в 1960-62 гг. явления бета-распада пиона, играющего фундаментальную роль в физике слабых взаимодействий, Золотая медаль и премия им. И.В.Курчатова были присвоены выдающемуся физику-экспериментатору Ю.Д.Прокошкину, а работа «Метод ренормализации групп в теории поля» физиков-теоретиков Н.Н.Боголюбова, Д.В.Ширкова (ОИЯИ) и А.А.Логунова (ИФВЭ) удостоена Государственной премии по науке и технике за 1984 г. 

Надо отметить, что в ряду крупнейших ускорителей мира дубненский синхрофазотрон был последним ускорителем со слабой фокусировкой частиц. Принцип жесткой фокусировки был впервые применен в России при создании в московском Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) протонного синхротрона на энергию 7 ГэВ, а затем и протонного синхротрона на 70 ГэВ в Протвино. Опыт дубненских ускорительщиков активно использовался при сооружении и эксплуатации этого самого мощного российского ускорителя, многие из них не только лично передавали опыт, но и осели на новом месте. Многие ученые ряда лабораторий ОИЯИ постоянно участвовали и участвуют в осуществлении экспериментов на протвинском ускорителе, хотя правильным будет сказать, что они во всё большей степени ориентируются на более современные западные ускорители-коллайдеры  в США, Германии и особенно в ЦЕРНе. 

Но это не значит, что дубненские установки остались «без работы». В 70-80-х годах был выполнен большой объем работы по модернизации систем синхрофазотрона как ускорителя релятивистских и поляризованных ядер, в результате чего появилась возможность получать пучки ядер с энергиями до 0.5 ГэВ на нуклон. Следующим этапом стало создание циклотронного комплекса (У-400 + У-400М) - базовой установки ляборатории ядерных реакций ОИЯИ на основе 4-метровых циклотронов. Комплекс предназначен для получения пучков тяжелых ионов высоких энергий (до урана включительно) с энергиями до 100 Мэв на нуклон. Область исследований - от синтеза сверхтяжелых элементов до некоторых прикладных вопросов (медицина, физика мембран и т.д.). Циклы работ по трансурановым элементам были удостоены Ленинской и Государственных премий за 1967 и 1975 гг. (Г.Н.Флеров, В.А.Друин, И.Звара, Ю.Ц.Оганесян, Ю.В.Лобанов, А.С.Пасюк, В.М.Плотко, В.З.Белов и ряд других ученых). 

Параллельно активно велись (в основном сотрудниками Лаборатории высоких энергий под руководством академика А.М.Балдина) работы по проекту «Нуклотрон», реализованные уже в середине 90-х годов. «Нуклотрон» - первый в стране сверхпроводящий ускоритель ядер на высокие энергии (на снимке). 

Результаты, полученные уже в первые годы работы Нуклотрона, показали перспективность криомагнитных систем этого типа для современных экономичных сверхпроводящих ускорителей высоких энергий.  С 2008 года в команду Нуклотрона влились свежие силы, активно включившиеся в деятельность ускорительного отделения ЛФВЭ под руководством Г.В.Трубникова. Работы лаборатории по созданию новой технологии сверхпроводящих магнитов и нового поколения ускорителей тяжелых ионов всегда поддерживались и стимулировались директорами лаборатории А.И.Малаховым (1997-2007) и далее - В.Д.Кекелидзе, полученные результаты отмечены Государственной премией Российской Федерации (1992), Премией правительства РФ (2010), многими дипломами и премиями Ученого совета и дирекции ОИЯИ.

Ученые ОИЯИ ориентируются также на некоторые другие свои базовые установки, такие, как, например, ядерные импульсные реакторы на быстрых нейтронах ИБР-1 и ИБР-2, в создании которых заметную роль сыграл академик И.М.Франк. Сейчас ИБР-2 - уникальный источник нейтронов с рекордным потоком до 10 ¹⁶ нейтронов на кв.сантиметр в импульсе. На этой установке в последние годы реализуется до полутора сотен заявок в год от многих стран на проведение экспериментов в нейтронной зоне. 

Из последних достижений ученых ОИЯИ наибольший  общественный резонанс получили результаты исследований в области сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева.  Дело в том, что все последние синтезированные на ускорителях элементы вслед за 105-м (кстати сказать, названным в честь города физиков «дубнием») имели сверхкороткий период жизни, исчисляемый тысячными и миллионными долями секунды, и многие ученые предсказывали невозможность синтеза сверхтяжелых элементов ввиду микроскопически малого срока жизни. В то же время существовала точка зрения, что невдалеке и «остров стабильности». И вот уже в 2012 году официальное международное признание получило открытие 114 и 116 элементов, названных  в честь двух выдающихся научных лабораторий мира – им. Флерова в Дубне (флеровий) и национальной лаборатории США в Ливерморе (ливерморий). 

Таким образом, Дубну вполне можно именовать «родиной отечественных ускорителей». 

*   *   *

Опубликовано: газета "Наше Протвино" - 18 сентября 2014 г.