Коллектив и его дело

Сверхнизкие температуры в физике спина

Из истории одного сектора

Предметом поляризационных исследований является изучение зависимости взаимодействий от спинов участвующих частиц. Спин был введен в науку почти 100 лет назад для описания атомных спектров, но его природа до сих пор остается неразгаданной тайной.

Появление поляризационных экспериментальных данных стимулировало теоретическое осмысление спиновых эффектов и послужило "испытательным полигоном" для теоретических моделей. В этом смысле характерны высказывания известных теоретиков, например, англичанина Эллиота Лидера: "Спин в экспериментах убил больше теорий, чем любой другой физический параметр", или американца Джеймса Бьеркена: "Поляризационные данные часто были кладбищем модных теорий. Если бы теоретики были в силах, в целях самозащиты им стоило бы вообще запретить такие измерения". Наглядной иллюстрацией этих "теоретических" положений может служить пример работы одного из подразделений Лаборатории ядерных проблем.

ОТСЧЕТ ИСТОРИИ СЕКТОРА низких температур Лаборатории ядерных проблем лучше всего начать с появления в ОИЯИ первой поляризованной мишени динамического типа, которая создавалась силами специалистов лабораторий ядерных проблем и нейтронной физики. В мишенях такого типа процесс динамической поляризации ядер идет непрерывно. Это необходимо для поддержания достигнутого уровня, так как процессы релаксации поляризации при температурах около 1К протекают довольно интенсивно и провести физические измерения без постоянной накачки (поддержания) поляризации не представляется возможным.

Эта работа была одной из первых, впрочем, как и многое другое. Таким образом, уже тогда пришлось преодолеть криогенные и вакуумные проблемы, найти соответствующие источники СВЧ, создать аппаратуру измерения ядерной поляризации мишени, то есть все необходимое для появления установок подобного типа. Соответствующая публикация 1966 года открывает бурное развитие криогенной техники в ОИЯИ, которое стало ответом на запрос быстро развивавшейся в то время спиновой физики. (V.L.Luschikov, B.S.Neganov, L.B.Parfenov, Yu.V.Taran, Sov.Phys.JETP, 22 (1966) 285).

Первую поляризованную мишень такого типа создали в 1962 году французские специалисты во главе с Анатолем Абрагамом, человеком сложной судьбы, выходцем из семьи прибалтийских евреев, который по чистой случайности (на мой взгляд) так и не стал нобелевским лауреатом. Совершенно бесспорны его научные достижения: теория ядерного магнитного резонанса, теория поляризации и релаксации поляризации ядра и т.д. В начале 70-х он посетил ОИЯИ, видимо, хотел осмотреть действующую на синхроциклотроне ЛЯП динамическую поляризованную мишень. В экспериментальном зале ускорителя один из соавторов нашей мишени стал рассказывать ему об установке. Через некоторое время А.Абрагам на прекрасном русском языке спросил, на каком языке ему дают пояснения. И действительно, без практики большинство наших сотрудников плохо владели языками - но работали хорошо и успешно! Позднее один из соавторов - В.И.Лущиков, был приглашен именно в лабораторию Анатоля Абрагама для годичной стажировки.

Примерно в 1964 году в группе Б.С.Неганова появились два студента МГУ Николай Борисов и Марсель Либург. Им была предоставлена возможность попробовать реализовать новый метод получения сверхнизких температур, идея которого была опубликована в 1962 году (London, Clarke and Mendoza, Phys.Rev. 128, 1962).

1966 год - М.Ю.Либург, Б.С.Неганов, Н.С.Борисов около первой установки для получения сверхнизких температур

Эту публикацию очень вовремя привез чехословацкий физик С.Сафрата, длительное время работавший в журнале Cryogenics и имевший доступ к такого рода информации. Примерно в одно время были реализованы еще две попытки применить указанный метод в разных местах. Как показали результаты, самой успешной оказалась группа Бориса Неганова. (B.S.Neganov, N.S.Borisov, M.Yu.Liburg, JETP 50, (1966) 1445.) Уже в первых опытах были зафиксированы рекордные 50 mK!!!

Еще раз повезло соавторам в том, что международная конференция LT (Low Temperatures) под председательством П.Л.Капицы, который не нуждается в представлении, состоялась в 1966 году в Москве и у Б.С.Неганова была прекрасная возможность доложить полученные результаты о новом методе получения сверхнизких температур в квалифицированной международной аудитории. Как гласит легенда, после доклада, вызвавшего самую настоящую научную сенсацию, Петр Леонидович сказал, что Ученый совет Института физпроблем почтет за честь принять к защите докторскую диссертацию Б.С.Неганова.

Работы по совершенствованию этого метода продолжались еще некоторое время, и в 1968 году в ЛЯП была зафиксирована минимальная для того времени температура, полученная этим методом - 5,5 mK. Этот результат вошел во все мировые физические справочники. Далее сверхнизкие температуры в ЛЯП уже неразрывно будут связаны с такой областью экспериментальной физики, как исследования поляризационных явлений.

В 1973 году дирекцией ЛЯП было принято решение о создании поляризованной мишени нового типа. Предполагалось создать мишень "замороженного" типа, в которой в полной мере используется эффект охлаждения рабочего вещества до сверхнизких температур порядка 20-50 mK. О такой принципиальной возможности ранее уже высказывался Б.С.Неганов.

Таким образом, осталось только приспособить достижения в получении сверхнизких температур к созданию экспериментальной аппаратуры - поляризованных мишеней "замороженного" типа, полностью использующих принципиально новые возможности. С этого времени разработки в области сверхнизких температур переходят непосредственно в область создания экспериментальных физических установок. Резкое увеличение времени релаксации достигнутой ядерной поляризации мишени делают сверхнизкие температуры незаменимым инструментом в поляризационных исследованиях.

В 1975 году первая (как потом выяснилось и первая в мире) поляризованная замороженная мишень начала использоваться в эксперименте для исследований поляризационных эффектов при рр-взаимодействиях в диапазоне 500-630 Мэв на синхроциклотроне ЛЯП.

ЭТО БЫЛО ПЕРВЫМ использованием нового метода получения сверхнизких температур в экспериментальной физике. Далее (1977 г.) в СНТ ЛЯП была создана также установка с использованием сверхнизких температур для изучения короткоживущих изотопов при определяющем участии В.Н.Павлова, с помощью которой была реализована обширная программа исследований радиохимического отдела ЛЯП. Удивительно, но достаточно быстро, в 1978 году, была создана и вторая поляризованная мишень "замороженного" типа, предназначенная специально для исследований в ИФВЭ (Протвино).

В те годы в нашем научно-экспериментальном отделе физики адронов (НЭОФА) одновременно проводилось сразу несколько крупных экспериментов (ПРОЗА, ГИПЕРОН, РИСК). И обычно сотрудники проводили 2-3 месяца в году, участвуя в экспериментальных программах на ускорителе У-70 в Протвино. К этому времени пучковая физическая программа с использованием первой поляризованной "замороженной" мишени была завершена, и установка была перебазирована в здание сектора. Вскоре последовало предложение от физиков ЛИЯФ (В.Г.Вовченко) и начальника нашего отдела Ю.М.Казаринова о проведении поляризационной исследовательской программы в ЛИЯФ, для чего и потребовалось перемещение поляризованной мишени в Гатчину. Такая процедура - кардинальное перемещение столь деликатной экспериментальной установки, как поляризованная мишень, - впервые осуществлялось в нашей практике, и принятые меры предосторожности были экстраординарные!

Все это себя оправдало, и уже через 2-3 месяца работы на ускорителе ЛИЯФ были начаты. Ну а если к этому добавить, что с середины августа 1978 года, как уже указывалось, были начаты и работы с новой поляризованной мишенью в ИФВЭ, можно представить, сколь напряженным был в то время график работы сотрудников сектора. Коллектив постоянно был занят в проведении сеансов на обеих поляризованных мишенях в Протвино и Гатчине. Со временем в ЛИЯФ была сформирована собственная группа поляризованных мишеней, и наше участие в этих работах практически прекратилось. В ИФВЭ наше участие продолжается вплоть до настоящего времени. Более того, эти продолжительные работы в настоящее время вылились в обновленный проект SPASCHARM, в русской транскрипции СПиновые АСимметрии в образовании ЧАРМония. Проект нацелен на исследование спиновой структуры нуклона и спиновой зависимости сильного взаимодействия антивещества и вещества при энергиях до 50 ГэВ. Предполагается создание поляризованных протонного и антипротонного пучков, что позволит на установке SPASCHARM решать масштабные научные проблемы, связанные со спином. Кроме поляризованных пучков для реализации проекта планируется создать и новый криостат для поляризованной мишени.

В СВОЕ ВРЕМЯ международное сотрудничество началось для коллектива СНТ с предложения чехословацких физиков и физиков сектора Ю.М.Казаринова о создании "замороженной" поляризованной мишени специально для экспериментов при низких энергиях порядка 15 МэВ. Именно такова была энергия поляризованного нейтронного пучка ускорителя Ван де Граафа Карлова университета в Праге. На тот момент мы и не предполагали, как много проблем последует за нашим решением! Имея реальный опыт создания экспериментальных действующих установок в Гатчине и Протвино, трудно было ожидать столь серьезных проблем при реализации наших планов в Праге. В первую очередь, по ряду обстоятельств, мы вынуждены были везти в Прагу не совсем готовую установку, и в результате часть работ пришлось заканчивать на новом месте уже совсем в других условиях и с другими возможностями. Все эти причины серьезно затруднили нашу работу, и в итоге поляризованная мишень на ускорителе Карлова университета была запущена только в 1994 году.

Обсуждение плана совместных работ на ускорителе VdG Карлова университета (Прага, 1994 г.).
Слева направо: И.Вильгельм - ректор Карлова университета, Ю.А.Усов - сотрудник ЛЯП,
В.П.Джелепов - почетный директор ЛЯП, Н.А.Русакович - директор ЛЯП,
Р.Мах - полномочный представитель Чехии в ОИЯИ, М.Фингер - начальник отдела ЛЯП

Все трудности здесь нет смысла перечислять, но мы застали в Праге даже коренное изменение политического строя (1989 г.) и соответствующее изменение отношения к нам - представителям СССР, которые вдруг оказались виновны во всем! Но с ближайшими коллегами у нас сохранились прекрасные отношения и по сей день, что, в конечном счете позволило нам общими силами создать прецедент - единственный пучковый эксперимент в стране-участнице ОИЯИ. Как это ни парадоксально - сотрудники ОИЯИ участвуют в ускорительных экспериментах где угодно в мире, но не в странах-участницах. На самом деле такие "прецеденты" служат одному из главных пунктов Устава ОИЯИ - развитие соответствующих областей физики в странах-участницах! Для продолжения принятой экспериментальной поляризационной программы в настоящее время в Праге на ускорителе VdG идут работы по повышению поляризации пучка нейтронов (предложение сотрудника СНТ Ю.А.Плиса.) и уже есть предварительные обнадеживающие результаты.

Продолжение следует.

Юрий УСОВ, начальник сектора низких температур ЛЯП