Проекты ХХI века

ILC: история, развитие, планы

Буквально через несколько недель должно быть принято решение об окончательном месте строительства Международного линейного коллайдера ILC в Японии. Затихшее на время обсуждение было возобновлено в связи с результатами по поиску бозона Хиггса, полученными на LHC. Для дальнейшего изучения "частицы Бога" (если это она) и планируется создание новой установки. Из пяти стран-претендентов в лидерах Япония, правительство которой согласилось на 50-процентное софинансирование проекта. Цена вопроса порядка 7 миллиардов коллайдерных юнитов - такая валютная единица (курс доллара на 1 января 2012 года) применялась при расчетах. О десятилетней истории развития проекта, участии ОИЯИ, конструкции, технических особенностях и параметрах ILC, а также еще об одном проекте - CLIC рассказал на общелабораторном семинаре в ЛФВЭ главный инженер ОИЯИ член-корреспондент РАН Г.Д.ШИРКОВ.

В 2001 году, когда началось строительство LHC, предлагалось создать электронно-позитронный линейный коллайдер, на котором можно детально исследовать открытые частицы, изучать их свойства, измерять характеристики. Такая методика не нова в физической науке. Нобелевскую премию, например, получили ученые за W- и Z-бозоны, которые были открыты на протон-антипронном коллайдере SPS, а затем исследованы на электрон-позитронных встречных пучках.

Идея строить такие коллайдеры возникла еще в 60-70-е годы прошлого века в крупных научных центрах: ЦЕРН, SLAC, DESY, KEK, ИЯФ имени Будкера, ХФТИ. К началу нашего века наметились три проекта - NLC в SLAC, США, JLC в KEK, Япония, и TESLA в DESY, Германия. Ставки делались на TESLA, все ждали решения германского правительства, чтобы начать работы. Однако в Германии решили поддержать ускоритель тяжелых ионов FAIR и европейский лазер на свободных электронах XFEL, проект TESLA был отложен на неопределенный срок.

Одновременно в азиатских странах был опубликован проект Global Ginear Collider (GLC) на основе теплых магнитов. В 2005 году Международным комитетом по ускорителям будущего ICFA было принято решение объединить усилия для строительства единого Международного линейного коллайдера ILC, сформирована группа экспертов Global Design Effort, которую возглавил профессор Барри Бариш (Колтех, США). Этой группе предстояло создать подробную концепцию ускорителя частиц, обоснованную калькуляцию и план выполнения работ, продумать аналитические и управленческие решения. Пять исследовательских центров представили заявки и до сих пор официально рассматриваются как возможные кандидаты на размещение ILC в своих странах: ЦЕРН, DESY, FNAL, KEK и ОИЯИ.

"Могу рассказать, как появился этот проект в ОИЯИ, все происходило на моих глазах, - сказал Г.Д.Ширков. - Когда стало ясно, что TESLA не будет строиться в Германии, руководители DESY обратились к нам (тогда А.Н.Сисакян только возглавил Институт и как раз занимался поисками серьезного, флагманского проекта для ОИЯИ). Они стали уговаривать нас строить ILC в районе Дубны. После долгих переговоров, и, прямо скажем, сомнений, такое предложение было принято. С тех пор мы начали активно участвовать в этих работах. Через какое-то время возникла идея коллайдера NICA, и ее сочли более реальной для воплощения, а главное - это проект ближайших нескольких лет и поэтому NICA стал главным проектом ОИЯИ. А работы по ILC продолжились в качестве перспективных, для будущих исследований".

Так выглядит испытательный стенд в 118-м корпусе на площадке ЛЯП.

Комитет под названием Global Design Efforts (GDE) начал разработку технического проекта (Technical Design Report, TDR) ILC. Сейчас проект практически готов, и GDE функционирует последние месяцы. В него входят несколько сотрудников ОИЯИ, которые наравне с другими принимали участие в подготовке документации. TDR будет представлен 12 июня в КЕК, ЦЕРН и Фермилаб, где одновременно пройдут презентации проекта и торжественные мероприятия, завершающие деятельность GDE (Г.Д.Ширков является членом GDE и членом оргкомитета по проведению ILC Event 12 июня - Прим. ред.).

Принцип действия ILC основан на двух встречных ускорительных структурах - для электронов и для позитронов. Сначала хотели делать две точки встречи пучков и, соответственно, два стационарных детектора для независимой проверки результатов. Но потом решили, что точка встречи будет одна, а детекторы поместят на подвижную платформу, их можно будет перемещать, чтобы использовать по очереди.

Стоимость проекта составляет 7 млрд коллайдерных юнитов, 75 процентов стоимости приходится на сам линейный ускоритель и создание инфраструктуры коллайдера.

Итак, были пять основных кандидатов. О DESY и планах по созданию TESLA было сказано ранее. ЦЕРН полностью ориентирован на LHC и свой проект линейного коллайдера CLIC. Фермилаб практически вышел из игры и правительством США переориентирован на другие проекты в физике высоких энергий. Предложение от Дубны продолжает существовать, и мы ведем необходимые разработки, но на этом этапе ОИЯИ отдает приоритет ускорительному комплексу NICA.

Основной претендент на создание ILC - Япония. Они предлагают два места, которые считаются сейсмически неопасными, в монолитных горных участках. Первый на границе префектур Фукуока и Сага, второй вариант - недалеко от города Китаками, префектура Иватэ. Идея создания ILC приобрела в Японии национальное значение, создано несколько комитетов, в том числе правительственный, несколько лет всерьез обсуждаются все возможности. И самое главное, что правительство Японии готово взять на себя 50 процентов затрат на строительство. Азиатские страны сейчас консолидируют усилия, чтобы начать строить как можно раньше. Китай, например, выразил готовность обеспечить до 10 процентов стоимости. Очень большую заинтересованность проявляют Южная Корея, Индия.

В апреле-мае эксперты выберут одно из двух мест в Японии. В начале следующего года будет сделано официальное заявление о размещении, начнется формирование международных структур и через год-два могут начаться полномасштабные подготовительные работы по этому международному проекту в Японии.

"Что касается Дубны, - продолжает Г.Д.Ширков, - у нас очень хорошие условия: малонаселенная равнинная территория без серьезных промышленных объектов на стабильной тектонической платформе. Рядом проходят линии электропередач 500 кВ от Конаковской ГРЭС. И самое главное - ОИЯИ и наш опыт организации международных проектов. Наше предложение было одобрено, мы прошли все этапы, начиная от ПКК, Ученого совета и КПП. Нас поддерживали губернатор Московской области Б.Громов и президент РАН Ю.Осипов. В июне 2008 года была проведена конференция, на вертолете руководители международного ускорительного сообщества совершали облет территории. Параллельно шли серьезные геофизические исследования. Был спроектирован кампус - лабораторные корпуса, жилые кварталы, транспорт. На тот период мы были лидерами среди кандидатов.

Начав работать над ILC, мы решили, что надо совместить эту деятельность с научными исследованиями ОИЯИ. Объединив опыт работы ЛЯП и ЛФВЭ, смогли обозначить основные направления: фотоинжектор и лазерные системы для него, воспроизводство сверхпроводящего ниобиевого резонатора, лазерная метрология. Сейчас запущен инжектор и первая секция, получена энергия 20 МэВ с током 6 мА. У нас есть ондулятор на постоянных магнитах, надеемся получить от него излучение и тем самым запустить лазер на свободных электронах в инфракрасной области спектра. Эти работы в разгаре, в ближайшие год-два хотим получить энергию до 200 МэВ. Для Японии с помощью наших коллег из Нижнего Новгорода был изготовлен лазер для фотоинжектора испытательного стенда ILC в KEK. Этот лазер позволяет формировать световой сгусток строго заданной формы, необходимый для электронного пучка с нужными для ILC параметрами.

Лазер, который был сделан для испытательного стенда ILC в КЕК, Япония, в сотрудничестве с коллегами из Нижнего Новгорода - ИПФ РАН.

Такой же лазер был сделан для нас, он сейчас находится в 216-м корпусе. Его стоимость порядка полумиллиона долларов. Хочу отметить, бюджету Института это не стоило ничего, мы нашли возможность на него заработать. Лазер был изготовлен в Нижнем Новгороде в прошлом году, перевезен сюда, сейчас идет сборка и запуск.

Один из резонаторов для ускорения электронов и позитронов в линейном коллайдере (для сравнения размещен на фирменной подарочной тарелке ОИЯИ).

Один из резонаторов для ILC был передан нам для испытаний из Фермилаба. Сейчас организована коллаборация с участием белорусских институтов и предприятий, которые будут заниматься воспроизводством таких резонаторов в странах-участницах.

Еще одно направление, совместно с нашими коллегами из Сарова и Киева, - сварка взрывом, когда стальные фланцы со сверхпроводящими ниобиевыми трубками соединяются взрывом. Первые экземпляры прошли проверку в Фермилабе при вакуумной, криогенной и высокочастотной нагрузке. Сварные швы показали себя очень надежными, и когда начнутся реальные работы по японскому проекту, эта технология поможет сократить расходы (речь идет о сотнях миллионов долларов) на сверхпроводящие системы для криогенного модуля. Еще одна интересная работа (начиналась в ЦЕРН на установке ATLAS, новое явление обнаружила группа профессора Ю.Будагова) связана с поведением лазерного пучка, который помещается в специальную трубу. Оказалось, что на базе в несколько сот метров расходимость пучка можно снизить до 10 микрон, это позволяет делать очень точные приборы для юстировки, сравнительно небольшой стоимости".

Еще один проект, созданный по инициативе ЦЕРН, о котором подробно рассказал на семинаре Григорий Дмитриевич, - Compact Linear Collider (CLIC). Этот коллайдер будет основан на ускорительных структурах с более высоким темпом ускорения частиц и поэтому должен иметь меньшую длину, либо большую энергию в тех же размерах. ОИЯИ участвовал в его разработке с самого начала, на ЛИУ-3000 проверялись стойкость и выносливость ускорительных структур. Сейчас создается пакет документов и техническое обоснование. Эта работа завершится через три года, затем будет принято решение о месте строительства.

Поскольку оба коллайдера строятся для схожих физических задач, смогут использовать одинаковую детекторную базу, было решено объединить эти два проекта и вести совместные работы по обоим направлениям, что значительно сократит конечную стоимость установок и позволит эффективнее использовать труд специалистов. В прошлом году начал создаваться комитет, который объединяет директорат и три независимых подкомитета - по ILC, CLIC и, общий, по детекторам. От каждого региона в него приглашены по пять руководителей крупнейших научных центров. Уже известно, что в европейский сегмент комитета вошли директор ЦЕРН Р.Хойер, директор по физике высоких энергий DESY Й.Мних, и директор ОИЯИ академик В.А.Матвеев. Участие В.А.Матвеева в таком важном и представительном комитете, который ближайшие годы будет определять всю научную стратегию и тактику в области ускорителей высоких энергий будущего, безусловно, является отражением международного авторитета нашего Института, но также и результатом многолетних разработок и исследований ОИЯИ в области линейных ускорителей нового поколения.

Галина МЯЛКОВСКАЯ