Симпозиум

70-летие открытия принципа автофазировки

В конце прошлого года в Лаборатории физики высоких энергий состоялся организованный Объединенным институтом ядерных исследований и Физическим институтом имени П.Н.Лебедева РАН Международный симпозиум, посвященный 70-летию открытия принципа автофазировки В.И.Векслера - Э.М.Макмиллана. Принцип автофазировки, или фазовой устойчивости, позволил расширить границы применимости резонансного метода ускорения заряженных частиц, решив проблему сохранения устойчивости движения ускоряемой частицы при релятивистском увеличении ее массы, привел к созданию новых классов ускорителей, таких как электронные, протонные и ионные синхротроны, резонансные линейные ускорители легких и тяжелых заряженных частиц высоких энергий.

Получение новых знаний о физике микромира, открытие новых частиц, законов их взаимодействий, проверка фундаментальных принципов и симметрий - это результаты работ, подавляющее большинство которых выполнено с использованием пучков ускорителей, работающих на основе принципа Векслера-Макмиллана. На вопросы нашего корреспондента Галины Мялковской отвечает заместитель директора ЛФВЭ ответственный секретарь оргкомитета Александр Дмитриевич КОВАЛЕНКО.

Первый вопрос - как вы оцениваете итоги симпозиума?

Событие стало значительным и запоминающимся. Первый симпозиум проходил 20 лет назад, в 1994 году, и также был организован ОИЯИ и ФИАН. Изначальная идея, заложенная в мотивацию проведения таких научных форумов, состояла именно в том, чтобы с большой, в десятилетия, периодичностью обсудить создание новых крупных научных комплексов, их строительство и достигнутые физические результаты. В частности, за минувшие два десятилетия можно проследить историю создания Большого адронного коллайдера LHC, завершившуюся открытием бозона Хиггса в ЦЕРН, а в масштабах ОИЯИ это начало работы Нуклотрона, его развитие и начало создания комплекса NICA. А вот на следующем форуме, который должен состояться к очередному юбилею открытия, можно уже будет обсуждать итоги достижения полной энергии церновского коллайдера, работу комплекса NICA и реализацию других значимых проектов. Совещание удалось. Несмотря на разного рода трудности, приехали и российские, и зарубежные ученые высокого уровня - директора институтов, ответственные за крупные ускорительные комплексы, известные ученые. Они представили прекрасно подготовленные обзорные и оригинальные доклады, восприняли наше мероприятие с глубоким уважением к академику В.И.Векслеру, первооткрывателю принципа автофазировки.

Какие научные центры были представлены?

ОИЯИ, ФИАН, ИФВЭ (Протвино), ИЯИ (Троицк), ЦЕРН, FNAL, GSI, JPARC, Oxford University, RHIC, BNL и CEBAF. Большинство докладчиков смогли выделить только один-два дня для пребывания в Дубне в силу загруженности в своих лабораториях. Например, профессор Р.Бартоллини из Ускорительного центра Джона Адамса (Оксфорд, Англия), приехал только на один день и, сделав свой доклад о проблемах развития источников синхротронного излучения в первый день работы симпозиума, сразу же вынужден был улетать обратно.

Синхротронное излучение тоже имеет отношения к принципу автофазировки?

Синхротронное излучение, важнейший ныне инструмент исследований в физике твердого тела, технологии материаловедения, наноразмерных структур, получают на электронных синхротронах. Ускорители этого типа - первое "детище" открытия принципа автофазировки. По своей сути принцип автофазировки - это осознание В.И.Векслером того, что метод резонансного ускорения частиц, реализованный в циклотроне Э.Лоуренса, можно использовать и в случае релятивизма. Принцип автофазировки был проверен в ФИАН на впервые созданном электронном синхротроне. Поскольку электрон частица легкая и быстро достигает этого релятивистского порога, то, двигаясь по кольцевой орбите в ускорителе, релятивистский электрон излучает кванты электромагнитного поля. Это излучение имеет специфические характеристики, его можно использовать для изучения структуры вещества.

Вернемся к программе симпозиума, какие еще интересные сообщения прозвучали?

Отмечу доклад из лаборатории Т.Джефферсона (JLab, США), присланный Дж. Краффтом. В период 1994-2014 гг. введен в действие и развит уникальный ускорительный комплекс CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Принцип его работы связан с созданным в свое время В.И.Векслером микротроном, предшественником синхротрона. Дальше на базе модифицированного микротрона сделали так называемый разрезной микротрон, а затем линейный ускоритель - рециркулятор, который генерирует непрерывный пучок релятивистских электронов для решения фундаментальных проблем структуры ядра на пучках электронов и решения прикладных задач по физике лазеров на свободных электронах. Не могу не отметить доклады профессора Л.Эванса - "Долгая дорога к LHC" и доктора В.Шильцева - о новых технологиях, выработанных в ходе совершенствования комплекса Тэватрон в Лаборатории имени Э.Ферми. И еще одной из тем и одним из важных событий, которое можно считать своего рода итогом симпозиума, стало рассмотрение дальней перспективы - предложения о разработке будущего коллайдерного комплекса на энергию протонов 2х50 ТэВ, а также статусе проектов CLIC и ILC, в докладе Д.Шульте (ЦЕРН) и подписание протокола о намерениях по участию ОИЯИ в разработке концептуального проекта FCC (Future Сircular Сollider).

Обсуждения касались только ускорительных технологий или физических задач тоже?

Рассматривались не только прогресс в развитии ускорителей, их состояние и перспективы, но также и то, ради чего они строятся, - физические задачи, результаты. Наиболее ярким мировым достижением является, безусловно, создание комплекса LHC в ЦЕРН и экспериментальное подтверждение существования Хиггс-бозона. Во вступительном докладе академик В.Матвеев отметил это. Предсказание существования таких частиц и вообще квантовая хромодинамика - это динамика цветовых зарядов, а понятие цвета было введено в работах Н.Н.Боголюбова с коллегами. Ряд докладов были посвящены результатам исследований на пучках, в частности в Брукхейвене (Р.Ледницки), ЦЕРН (И.Савин, О.Далькаров). Достаточно полно была представлена деятельность ОИЯИ - доклады И.Савина, В.Никитина, В.Глаголева, В.Кекелидзе, Г.Трубникова, А.Бутенко были связаны с результатами, полученными на синхрофазотроне и Нуклотроне. О ходе работ и особенностях проекта FAIR в Дармштадте (Германия), выполняемого с активным участием ОИЯИ, были представлены два содержательных доклада (К.Омет). Об успешном продолжении работы и развитии комплексов У-70 (Протвино, Россия) и ММФ (ИЯИ, Троицк, Россия) рассказали С.Иванов и Л.Кравчук. Как преодолевает проблемы восстановления после землетрясения ускорительный комплекс J-PARC (Токай, Япония) и каковы дальнейшие перспективы развития этого комплекса, обсуждалось в докладе Н.Сако. О научной программе Физического института имени П.Н.Лебедева было рассказано в докладе Н.Полухиной.

Если оглянуться назад, как вы оцениваете теперь уже исторические решения по созданию установок в ЛВЭ?

Можно вспомнить далекие 70-е годы, когда в Дубне была дискуссия о перспективах. На той развилке усилиями академика А.М.Балдина был выбран возможный для ОИЯИ конкурентоспособный путь - развитие и использование оригинальных сверхпроводящих ускорительных технологий и получение пучков тяжелых и поляризованных ядер в "умеренно релятивистском" диапазоне энергий. Эта область остается и сегодня недостаточно изученной, и это есть ниша для обширной программы, выполняемой на комплексе Нуклотрон/NICA. Отмечу также, что на этой базе предусмотрена программа создания условий для прикладных и инновационных технологических исследований в рамках развития международной инфраструктуры мегапроектов.

То есть принцип автофазировки подтвердил свое право на существование...

Принцип автофазировки работает, можно строить ускорители на сколь угодно большие энергии. Масштаб 100 ТэВ - это уже не фантастика, но, как прозвучало в заключительном докладе "От Синхрофазотрона к Пэватрону" (А.Коваленко), можно думать и о 1000 ТэВ. Кстати, иногда приходится слышать, что Векслер открыл принцип автофазировки, но надо было доказать математически его устойчивость. Доказывать устойчивость принципа устойчивости не надо, проверить - это другой вопрос. Люди, которые с Векслером были хорошо знакомы, в частности Б.М.Болотовский, поделившийся своими воспоминаниями, говорили, что Владимир Иосифович долго сомневался, его пугала простота понятой им логической закономерности - автофазировки. Но все-таки эта публикация появилась в "Докладах Академии наук", и вовремя, а вот публикация о работающей модели - первом в мире электронном синхротроне, запущенном в 1947 году в ФИАН, - вовремя свет не увидела, что и лишило автора Нобелевской премии.

Как смотрит научное сообщество на то, что принцип был открыт чуть позже еще одним физиком, Э.Макмилланом?

В сборнике трудов предыдущего симпозиума есть доклад Э.Лофгрина, помощника директора лаборатории в Беркли (США), очевидца событий. Во-первых, Беркли - это лаборатория Э.Лоуренса, который изобрел и построил первый циклотрон. Там работала очень сильная команда, и родоначальник циклотрона был директором, а Э.Макмиллан - одним из ведущих физиков. Кроме того, Лоуренс и Макмиллан также близко общались семьями, поскольку были женаты на сестрах. В той же лаборатории работал и Луис Альварец, который позже предложил резонансный линейный ускоритель (известный как ускоритель Альвареца). То есть была очень сильная профессиональная команда, думаю, даже посильнее, чем в ФИАН, где собрали молодежь (хотя впоследствии - академиков) для решения проблемы разработки циклотрона на более высокую энергию, а Векслер был старший. Именно его мысль "сработала" - как это сделать, как преодолеть релятивистский барьер. Поэтому я склонен верить, что результаты Макмиллана были получены независимо (однако, примерно годом позже). В.И.Векслер и Э.Макмиллан были удостоены за открытие автофазировки престижной Международной премии "Атом для мира". По поводу признания надо сказать, что В.И.Векслер - единственный российский ученый, чьим именем названа улица в ЦЕРН, рядом с улицей А.Эйнштейна, в районе протонного синхротрона.

Какие работы на симпозиуме были представлены ФИАН?

Для ФИАН ускорители никогда не были главными. Основная тематика института на протяжении многих лет - оптика, оптические явления, излучение. Это единственная российская научная организация, на счету которой 9 Нобелевских премий, но получены они не за ускорители. Были в ФИАН построены первые машины для проверки принципа. Но в глобальном плане ФИАН ускорителями не занимался, ускорители интенсивно развивались в ИТЭФ, ИФВЭ, Новосибирске. Если говорить об ускорителях высоких энергий, то была идея создания, например, кибернетического ускорителя, выдвинутая группой из Радиотехнического института, о создании протонного синхротрона на 1000 ГэВ с очень маленьким сечением вакуумной камеры и с очень развитым управлением систем коррекции орбиты пучка, чтобы можно было минимизировать объем магнитного поля и, соответственно, мощность питания. Предстояло сделать большое кольцо, чтобы получить высокую энергию пучка. Этот проект опережал зарубежные разработки, но не был поддержан на правительственном уровне. Последний проект, который так и не состоялся, - это УНК в Протвино, хотя тоннель вырыли. И с конца 60-х годов в деле строительства ускорителей Россия начинает отставать от европейских и американских центров.

У них тоже есть неосуществленные проекты?

Да, и оставленные на какое-то время, и неосуществленные. Тот же Брукхейвенский проект - изначально он планировался как протон-протонный коллайдер "Изабелла", и под него построили тоннель. Потом проект прикрыли, потому что строился Тэватрон в Фермилабе, а две протонные машины примерно на одну и ту же энергию иметь нецелесообразно. Спустя некоторое время, во многом в связи с теми работами, которые были сделаны на синхрофазотроне по ненуклонным степеням свободы в ядрах, там модифицировали проект и построили ускоритель/коллайдер для соударения ядер золота и поляризованных протонов. После этого проект утвердили, и получился коллайдер RHIC (релятивистский коллайдер тяжелых ионов). Второй пример - сверхпроводящий суперколлайдер SSC в Далласе, на 2х20 ТэВ. Тоже в свое время собрали ученых со всего мира, заключили контракты. А в 1993-1994 годах проект закрыли. Тоннель, правда, копать еще не начали. После закрытия SSC началась деятельность по VLHC (Very Large Hadron Collider), проекту коллайдера на встречных протонных пучках на энергию 2 х 100 ТэВ, которая также в конце 90-х годов была прекращена. На том этапе и мы вовлеклись в эту деятельность, потому что Нуклотрон в 1993 году был запущен, у нас появился энтузиазм в связи с созданной и проверенной в ЛВЭ технологией экономичных магнитов. В 1995 году мы с А.М.Балдиным приняли участие в заседании Американского физического общества, где рассматривались вопросы разработки VLHC, и представили там наше видение 100-тэвного Нуклотрона. Есть несколько опубликованных работ по этой части; и все это продолжалось по крайней мере до 2001 года. Для американских коллег деятельность в этом направлении завершилась написанием многотомного технического отчета, но в связи с финансовыми трудностями дальше дело не пошло.

Вы сказали, что можно построить ускоритель на любую энергию, это действительно так?

Абстрагируясь от конкретных условий - да, на разумную по земным масштабам, конечно. Но есть определенные категории ограничений. Физические - до какого предела по энергии частиц можно дойти и что можно считать пределом. Гносеологические - что вы хотите узнать, на какие вопросы хотите ответить, используя пучок частиц. Экономико-социальные - сколько вы можете собрать денег и готово ли общество потратить такие деньги. И, наконец, географические и технологические - то есть где и как можно это построить. Так вот, с точки зрения физических ограничений есть один эффект - если частица движется по кругу, она излучает энергию, причем мощность этого излучения зависит от квадрата магнитного поля в поворотных магнитах и энергии частиц. При энергии 2х50 ТэВ, на который рассчитан коллайдер FCC, синхротронное излучение протона будет весьма заметным при заданном периметре кольца, но построить такой ускоритель еще возможно. Если говорить о следующем за FCC масштабе энергий, то синхротронное излучение может ограничить технические возможности использования высоких магнитных полей, придется строить кольцо большего диаметра. На вопрос, зачем сталкивать частицы гораздо больших чем в LНС энергий, ответ тоже есть - существуют теоретические модели, предсказывающие эффекты проявления гравитационного взаимодействия частиц. Нужно ли это обществу? Оно должно само решить - либо строить танки и друг в друга стрелять, либо что-то совместно изучать. Должно прийти осознание этого выбора. Сейчас, когда стали обсуждать FCC, первая центральная проблема - экономичность, как сделать ускоритель с максимальным коэффициентом полезного действия. И эти трудности будут преодолены, потому что пути решения найдутся. Видно, что люди увлеченно занимаются новыми ускорителями и видят в этом полезное занятие, по крайней мере, уже нарисовали кольцо будущего коллайдера, которое проходит под Женевским озером. Так что задел работ для представления на следующем симпозиуме этой серии уже просматривается.