К 70-летию первого ускорителя Дубны

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

Пионерские исследования короткодействующих протон-ядерных взаимодействий на дубненском синхроциклотроне

(Окончание. Начало в №№ 47, 48.)

Исследуя трех- и четырехнуклонные кластеры, мы затрагивали заодно и динуклонные: сравнили энергетические зависимости сечений упругого протон-дейтронного рассеяния и квазиупругого выбивания дейтронов, нашли проявление рождения пионов на динуклонных кластерах в спектрах трития и гелия-3. И в ходе этих исследований заметили, что прямого свидетельства тесных двухпротонных корреляций во всех известных нам экспериментах не существует. Если такие корреляции, тем не менее, существуют, то почему до сих пор, в отличие от выбивания дейтронов, не наблюдалось выбивание протонных пар? В том ли только причина, что нейтрон-протонная пара имеет связанное состояние, а протонная пара его не имеет? Но если протонные кластеры в ядрах существуют, они могут быть выбиты и в виде несвязанной протонной пары. Надо лишь для надежности регистрировать как выбитую вперед пару, так и рассеянный назад протон.

Проект эксперимента "Квазиупругое выбивание нуклонных пар протонами высокой энергии из легких ядер" был предложен в 1972 году. Надо сказать, что рассмотрение научных проектов тогда еще не было отягощено множеством процедур, бумаг и подписей. Эксперимент, не требовавший значительных материальных затрат, рассматривался по существу только директором лаборатории и его заместителем по научной части. Нужно отдать должное Венедикту Петровичу, он внимательно рассмотрел предложение эксперимента, очень далекого от области его научных интересов, и одобрил его. Лев Иосифович Лапидус, сосредоточенный тогда на проблемах взаимодействия элементарных частиц, тем не менее, увидел в предлагаемом эксперименте существенную научную новизну и тоже поддержал его.

Подготовка к сеансу для поиска выбивания протонных пар.

Я, по неопытности, полагал, что для выполнения работы будет вполне достаточно финансирования по статье "основная деятельность", и решительно начал подготовку эксперимента. Его центральной частью стала система трех телескопов сцинтилляционных и черенковских счетчиков для выделения и регистрации протонов. Быструю электронику в стандарте КАМАК обеспечивал Валентин Григорьевич Зинов, который очень требовательно относился к пользователям: он четко различал тех, кто складировал его блоки в сейфе, от тех, кто оперативно включал блоки в дело с использованием их достоинств. Кроме того, в лаборатории усилиями С.В.Медведя уже был создан комплекс амплитудных анализаторов, связанных в линию с импортной СDC ЭВМ. Недостающей частью оборудования в виде блоков питания, ФЭУ и т.п. нас дружески снабдили более обеспеченные коллеги. Все это сделало наш проект осуществимым даже при отсутствии финансирования по статье "капитальное строительство".

Несмотря на то, что у меня не было самостоятельного сектора, собрать дружную и энергичную группу молодых сотрудников удалось. Определенно решающую роль в этом сыграло участие немецких физиков из Россендорфа (ГДР). Хейнц Мюллер, Томас Штиллер, Зигфрид Тэш, Дитер Нетцбанд активно включились в работу на самой ранней стадии, потому что их привлекла сама интригующая задача поиска выбивания дипротонных кластеров. С другой стороны, импонировало и то, что создаваемая установка позволяла работать на современном тогда уровне экспериментальной техники. Надо отдать должное упорству и выносливости сотрудников группы: мы проводили один за другим сеансы на ускорителе, требовавшие длительной непрерывной работы, работали практически бессонно, с рекордом до трех суток, хотя и понимали, что подобные "рекорды" вряд ли идут на пользу здоровью. А получали в результате большие массивы событий случайного совпадения сигналов. Эффект истинных трехчастичных совпадений тонул в море случайных. И снижать счет случайных совпадений снижением интенсивности пучка было неэффективно, так как истинные совпадения оказались очень редкими.

Стало ясно, что корректное определение фона тройных случайных совпадений требует специального метода. Метод был разработан, и тогда, в конце концов, мы смогли достоверно регистрировать истинные тройные совпадения. Вся эта техника была потом описана нами в "Ньюклеар Инструментс энд Методс" после окончания измерений дифференциальных сечений испускания трех протонов. Наша победная статья "Квазисвободное выбивание протонных пар в реакции С(p,3p) при энергии 640 МэВ" была опубликована в 1979 году в "Джоурнал оф Физикс", а также в изданиях ОИЯИ и Центрального института ядерных исследований в Россендорфе. Описание обнаружения протонных кластеров сопровождалось серией статей о корреляциях в протонных парах и о спектрах одиночных протонов, испускаемых назад. Обрисовывалась определенная картина взаимодействия налетающих протонов с внутриядерной протонной парой. Специфика этой картины состояла в том, что в ней не требовалось никакого тесно скоррелированного флуктона. Вместо него было достаточно принять, что почти обычная протонная пара воспринимает значительное возбуждение и продольный импульс, а распадаясь затем, испускает как протон назад, так и протон вперед. Аналогично можно было рассматривать поведение и других малонуклонных кластеров.

Совместно с Хайнцем Мюллером я предложил соответствующую простую модель, описание которой мы опубликовали в "Письмах в ЖЭТФ" в том же 1979 году. В нашей модели инклюзивные спектры протонов, испускаемых в заднюю полусферу, описывались как результат возбуждения и распада набора малонуклонных кластеров в ядрах. Модель, точно учитывающая всю кинематику процессов, реализовывалась в виде программного блока и при некотором развитии продемонстрировала способность описания всех доступных нам данных о кумулятивных протонных спектрах. Особенное впечатление производило то, что энергии инициирующих протонов в описываемых данных находились в широчайшем интервале от энергии нашего синхроциклотрона до 400 ГэВ при том, что никакой специальной подгонки при разных энергиях не делалось. Оказывалось, что кумулятивные спектры протонов слабо зависят от параметров возбуждающих частиц, но прямо отражают определенные свойства, присущие самой ядерной материи. В первую очередь, такими свойствами являются собственные спектры возбуждения малонуклонных кластеров.

В нашей модели, получившей название "модели возбужденных кластеров", о таких спектрах были сделаны простейшие, физически естественные предположения. Распад возбужденных кластеров тоже рассматривался простейшим, статистическим способом. Нужно напомнить, что описываемое время характеризовалось интенсивным развитием физики кумулятивных процессов, инициированным результатами коллективов под руководством А.М.Балдина в ОИЯИ и Г.А.Лексина в ИТЭФ. Наша модель оказалась в сильной конкуренции с подходами, развиваемыми в этих школах. Она по существу противоречила концепции флуктонов и переносила центр внимания с высокоимпульсных компонент основного состояния ядерного вещества на способность этого вещества к локальному возбуждению энергичным адроном.

Надо ли говорить о том, что мы получали в свой адрес больше критики, чем триумфальных литавров. Критиковали, в частности, за отсутствие фактов, прямо подтверждающих наличие у малонуклонных систем собственного спектра возбуждений. Это не помешало нам опубликовать серию статей в ведущих международных журналах, поскольку модель, использующая минимальный объем предположений, проявляла способность описывать широкий круг экспериментальных данных. Последняя из этих статей, опубликованная в 2005 году в "Джоурнал оф Физикс", успешно воспроизводила одновременно большой объем данных о рождении пионов, каонов и антипротонов в протон-, дейтрон- и альфа-ядерных взаимодействиях. Цель публикации состояла при этом в обосновании эксперимента на ускорителе COSY (Юлих, ФРГ) для поиска глубоко-подпорогового рождения антипротонов. К сожалению, у наших западных коллег не хватило научного азарта и смелости взяться за такой амбициозный, но трудный эксперимент.

Опыт, полученный нами в пионерских работах на синхроциклотроне, лег в основу наших научных предложений при создании магнитного спектрометра ANKE для синхротрона COSY. Усилия нашей международной коллаборации на этом спектрометре и коллаборации WASA-at-COSY не пропали для обсуждаемой проблемы втуне - были открыты новые дибарионные резонансы, которые, по-видимому, и определяют спектр возбуждения внутриядерных кластеров. Однако, это уже наука сегодняшнего дня.

Возвращаясь в 70-80-е годы, надо сказать, что успех наших экспериментов и развитой на их результатах феноменологической модели не был развит в Лаборатории ядерных проблем. Безусловно, для такого развития надо было создать установку с магнитным полем и трековыми детекторами большого аксептанса. Усилия для обоснования такой установки были предприняты, но утонули в море проектов, проводимых лабораторией на синхрофазотроне, а затем и серпуховском синхротроне. В целом же исследование короткодействующих протон-ядерных взаимодействий в ОИЯИ всегда оставалось важным направлением. В частности, на современном этапе на Нуклотроне ОИЯИ подготавливается изучение прямого выбивания протонами протонных пар. Так или иначе, реакция А(p, 3p) будет жить!

Завтра в Лаборатории ядерных проблем будет отмечаться 70-летие пуска первого ускорителя Дубны - протонного синхроциклотрона. Эпопея сооружения этой установки яркой страницей вписана в историю советской физики, нашего Института и нашего города.

Из воспоминаний Михаила Григорьевича Мещерякова - научного руководителя проектирования и создания циклотрона и директора Института ядерных проблем АН СССР, организованного на базе этого ускорителя:

Комплексный пуск синхрофазотрона был осуществлен ночью 13 декабря 1949 года. Сначала на нем ускорялись дейтроны и альфа-частицы до энергии 280 и 560 МэВ соответственно, а вскоре и протоны - до энергии 480 МэВ. Позже энергия протонов была увеличена до рекордной тогда энергии - 680 МэВ.

Пуск в конце 1949 года на берегу верхней Волги первого крупного советского ускорителя явился отсчетной точкой развития в нашей стране физики высоких энергий. В течение тридцати лет этот ускоритель непрерывно использовался большим числом физиков, радиохимиков, биологов. На нем был получен ряд выдающихся научных результатов, нашедших широкое признание, вошедших в монографии.

Венедикт Петрович Джелепов был одним из первых физиков, получивших вскоре после войны новое назначение в филиал Курчатовского института, который создавали на севере Московской области:

...В начале 1949 года строители передали нам лабораторный корпус, научные сотрудники уже могли разместиться в нем со своей аппаратурой. Начал регулярно работать лабораторный научный семинар, которым руководил М.Г.Мещеряков. В энергетическом корпусе к середине года заканчивался монтаж оборудования.

В 56-м году, когда был создан Объединенный институт ядерных исследований и я был избран директором Лаборатории ядерных проблем, уже был построен красивый город, а наш ускоритель более шести лет выдавал научную продукцию. И сколько лет вспоминалось, как начинали строить на болоте, в глухом лесу, за колючей проволокой, как много критических, почти трагических моментов пришлось тогда пережить...

Из книги "Первый ускоритель Дубны". Дубна, 1999.

Поздравляем коллектив Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова - преемников славных традиций первопроходцев и основателей со знаменательным юбилеем!