К 70-летию запуска первого ускорителя Дубны

В.И.Комаров. "Ядерная физика - интересная наука"

Пионерские исследования короткодействующих протон-ядерных взаимодействий на дубненском синхроциклотроне

(Продолжение. Начало в № 47.)

Изменение должностного статуса Михаила Григорьевича Мещерякова в конце 1955 года сильно сократило возможности исследований его научной группой. Пришлось ограничиться экспериментами упругого протон-протонного рассеяния, и протон-ядерные взаимодействия остались за бортом. Моя дипломная работа была положена в основу статьи, направленной в Nuclear Instruments and Methods. Она оказалась первой методической публикацией ОИЯИ в этом престижном журнале, но и это не позволило мне принять участие в основных измерениях - я был принят сотрудником ЛЯП ОИЯИ в начале 1959 года для "укрепления группы, начавшей актуальный эксперимент по ядерному мю-захвату".

Только через полтора года мне удалось вернуться к Ю.К.Акимову, О.В.Савченко, Л.М.Сороко, благо их группа была уже выведена из сектора М.Г.Мещерякова и приобрела статус самостоятельного сектора. Теперь сектор взялся за исследование только что открытого в США эффекта Abashian - Booth - Crowe (ABC). В протон-дейтронном взаимодействии с образованием гелия-3 двухпионный спектр обнаруживал необыкновенно узкий пик, который казался проявлением еще не открытых тогда пион-пионных резонансов. Нам удалось показать, что этот пик не может быть изовекторным, как ожидали открывшие его физики. Но эта работа не была нами продолжена, потому что Лев Маркович сконцентрировался на разработке поляризованного источника протонов для синхроциклотрона, а Олег Васильевич и я - на разработке быстрых трековых детекторов. Мы полагали, что, создав такие детекторы, сможем решать физические задачи более оперативно и эффективно.

О.В.Савченко, В.П.Джелепов, А.И.Рудерман. 1970-е годы.

Жизнь оказалась сложнее - хотя нам и удалось изобрести и реализовать изотропную газоразрядную трековую камеру, процесс этот потребовал около трех лет труда. Замечательно, что и сам ABC эффект оказался не стремительным: более полувека экспериментальных и теоретических усилий не могли вывести его из статуса научной загадки. Наверное, он оказался наиболее долгоживущей загадкой в области ядерных реакций высоких энергий. Только сейчас стала понятна причина такого долголетия - потребовалось открыть новые дибарионные резонансы, чтобы увидеть происхождение эффекта. И меня не удивило, что я вернулся к этому загадочному эффекту через 57 лет после своей первой публикации о нем, потому что с начала нового века изучал на протонном синхротроне COSY в Германии дибарионные резонансы. При этом неизбежно был затронут ABC эффект, и я не мог в публикации 2018 года не сосредоточиться на объяснении "узости пика".

В октябре 1965 года плавный ход нашей работы неожиданно прервался появлением неотложной задачи: нужно было срочно создать на синхроциклотроне условия для лечения выдающегося советского физика Исаака Яковлевича Померанчука. Когда выяснилось, что в лаборатории к этому наиболее готовы О.В.Савченко и В.И.Комаров, они и взялись за решение этой задачи, отодвинув все другие. Протонный канал в результате интенсивных усилий В.П.Джелепова и руководимой им лаборатории был готов для облучения пациентов через год с небольшим. Но так как физические исследования оставались моим первым приоритетом, я задумался о продолжении интересовавших меня исследований протон-ядерных взаимодействий на малых расстояниях. Возникал вопрос, не дает ли вновь созданный канал новых возможностей в этой области. Ответ возник, когда в беседе по пути к первому корпусу, то есть зданию синхроциклотрона, О.В.Савченко напомнил мне о публикации Д.И.Блохинцева, в которой Дмитрий Иванович обсуждал свою флуктуационную гипотезу. При этом он отнюдь не ограничивал число нуклонов во флуктуации двумя. Он прямо писал, что "вычисления с осколками более тяжелыми, нежели дейтрон, не имеют надежных теоретических оснований. Поэтому было бы очень интересно измерить вероятности передачи большого импульса ядрам более тяжелым, нежели дейтрон. Тогда появилась бы возможность оценить выход этих осколков из сложных ядер".

Так ведь это было прямое предложение экспериментаторам! Единственная попытка подобных измерений была сделана на синхроциклотроне Лексиным и Кумекиным еще в 1957 году. Тогда Михаил Григорьевич поддержал их азартное предложение искать обратное рассеяние протонов 675 МэВ ядрами углерода. К сожалению, рассеяние не наблюдалось. Так что никаких данных о рассеянии быстрых протонов на 180 градусов ядрами тяжелее дейтрона вообще не было. Дмитрий Иванович оценил вероятность рассеяния тритоном на уровне 2-3% по сравнению с рассеянием дейтроном. С тритием как мишенью лучше не иметь дело, но почему не взяться за гелий? Подходя к первому корпусу, мы уже были готовы серьезно обдумать эксперимент. В самом деле, часть аппаратуры, включая мишень, у нас оставалась еще от прежних измерений, а канал определенно подходил для нашей цели. Действительно, поместив мишень на пучке у его выхода из ускорителя, можно было обеспечить высокую светимость измерений, а канал позволял расположить детекторы далеко в защищенном от фона месте и использовать для идентификации редких событий весь арсенал параметров - удельные потери энергии, время пролета, пробеги.

Так мы и сделали. Несколько суток измерений показали, что протоны рассеиваются назад ядрами гелия-4, выбивая их вперед, хотя сечение такого рассеяния оказалось в тысячу раз меньше чем на дейтронах. Нам приходилось использовать газовую мишень с гелием, наполнявшим при давлении 3,4 атм. трубу метровой длины. При малой вероятности рассеяния мы получали очень низкий счет эффекта и заметный фон от стенок трубы. Измеренное нами сечение рассеяния на гелии-3 было лишь в сто раз меньше чем на дейтронах, но и тогда измерения были трудными, и мы не раз обсуждали, как усовершенствовать мишень. Однажды, стоя у доски, я набрасывал мелом эскиз возможного улучшения мишени. И вдруг остановился: "Олег! И что же мы с этой газовой мишенью так мучаемся? Ведь у нас есть твердая мишень, полная кластеров гелия. Углеродная". - Полуминутное молчание. - "Браво! Заказываем время!" Получив время на ускорителе, мы пришли в восторг, когда уже на первом сеансе увидели бодрый счет аппаратуры, выделяющей ядра гелия-4, выбиваемые из углеродной мишени с энергией 470 МэВ.

О.В.Савченко знакомит польских специалистов с оборудованием для медико-биологических исследований
и лечения онкологических больных. 1970-е годы.

Так впервые наблюдалось квазиупругое выбивание из ядер гелиевых кластеров с передачей им импульса около 700 МэВ/с. Радиус области взаимодействия оказывается при этом меньше примерно размера одного нуклона (!). Далее мы измерили импульсные спектры выбиваемых ядер гелия-4, гелия-3 и трития. Все спектры обнаруживали пики, кинематически соответствующие рассеянию протонов назад на трех- или четырехнуклонном ядре. Что же касается такого обратного рассеяния на легчайших ядрах, то после наблюдения рассеяния гелием на очереди оказалось следующее по сложности ядро - литий-6. Было понятно, что сечение должно быть значительно меньшим, и надо приложить все усилия для идентификации столь редкого процесса. Для надежности наблюдения мы поставили на пучке регистрируемых ядер даже свою трековую изотропную разрядную камеру. Увы, нам удалось установить только верхнюю границу сечения на уровне десятитысячной микробарна на стерадиан. Неудивительно, что Лексин не смог увидеть обратного рассеяния протонов на углероде.

Д.И.Блохинцев, узнав о наших результатах, пригласил Савченко и меня в свой коттедж на чашку чая. Беседа была непринужденной и интересной. Нам был приятен искренний интерес Дмитрия Ивановича к обсуждаемой проблеме, несмотря на его загруженность научными делами и обязанностями.

В экспериментах по выбиванию кластеров к нам присоединились выросший у нас из слесаря высокого разряда в опытного инженера Григорий Егорович Косарев, три молодых сотрудника из сектора медицинского пучка О.В.Савченко, А.Г.Молоканов, Е.С.Кузьмин, Г.П.Решетников, и энергичный молодой физик из Россендорфа (ГДР) Зигфрид Тэш. Наши результаты получили неплохую известность, и меня коллеги уже в шутку называли "открывателем кластеров". Приходилось напоминать, что нуклонные кластеры в ядрах как таковые были открыты много раньше, и нам удалось показать только, что они способны воспринимать такие же "зубодробительные" импульсы, как и свободные ядра гелия. Ситуация вполне аналогичная с выбиванием дейтронных кластеров и рассеянием на дейтронах. Однако выбивание трех- и четырехнуклонных кластеров имело по сравнению с выбиванием динуклонных кластеров другую научную судьбу. Выбивание дейтронов есть результат взаимодействия с парой нуклонов, так что очевидна тесная связь процесса с парными корреляциями в ядрах. Такие корреляции являются предметом бесчисленных теоретических и экспериментальных исследований. Бесчисленных потому, что сам феномен таких корреляций и взаимодействия с ними очень сложен и до сих пор остается предметом интенсивных исследований. Неудивительно, что менее вероятные трех- и четырехнуклонные корреляции на малых расстояниях, заведомо более сложные для интерпретации, до сих пор остаются за пределами внимания исследовательского сообщества. Таким образом, обнаружив в ядерном веществе способность воспринимать громадные импульсы кластерами более тяжелыми, чем дейтрон, мы обеспечили увлекательной работой только будущие генерации исследователей.

О том, что еще удалось узнать на синхроциклотроне о передаче высоких импульсов парным корреляциям нуклонов в 70-х годах прошлого века, я расскажу в заключительной части публикации.

(Окончание следует.)