Синхрофазотортону – 60:  второе рождение ускорителя в проекте NICA


https://www.youtube.com/jinrtv

Легендарному синхрофазотрону исполнилось 60 лет. 11 апреля 1957 началась работа на физический эксперимент базовой установки Объединенного института ядерных исследований. Советский Союз очень гордился синхрофазотроном, который стал одним из символов мощи нашей страны,  ведь именно с него началась эра физики высоких энергий.  Отработав 45 лет, синхрофазотрон  был остановлен в 2002 году, затем частично демонтирован,  осталось лишь ярмо магнита. Но сейчас ускоритель переживает свое второе рождение  — уже в составе коллайдерного комплекса  NICA.  Если запуск синхрофазотрона  был сопоставим с запуском первого космического спутника Земли, то запуск NICA, запланированный на 2020 год, уже сейчас сравнивают…

Владимир Кекелидзе, директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «…с полетом на Марс, который еще предстоит».

Во  второй половине  прошлого века  синхрофазотрон был самым большим и мощным для своего времени ускорителем. Его магнит занесен в книгу рекордов Гиннеса, как самый тяжелый в мире, он весил 36 000 тонн. Огромный научный инструмент: диаметр магнита, в котором ускорялись протоны, составлял 60 м. Синхрофазотрон  позволял ускорять пучки протонов до энергии 10 ГэВ, что было рекордной энергией, достигнутой на ускорителях в то время.

Частицы разгонялись в линейном ускорителе (инжекторе). С помощью электрического разряда из водорода выделяли положительно заряженные ионы, которые затем попадали в кольцо синхрофазотрона, где ускорялись практически до скорости света, нарезая несколько сотен тысяч кругов.  После этого частицу с помощью гигантских магнитов направляли в мишень. В 1970 году в синхрофазотроне были получены первые пучки релятивистских дейтронов, впоследствии ускорялись также ядра различных химических элементов вплоть до серы. Когда в 2020 году запустят NICA, будут ускоряться ионы золота, а внутри синхрофазотрона (ярма магнита)  разместится первый  в цепочке коллайдерного комплекса циклический ускоритель  – бустер.

Владимир Кекелидзе, директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «Любой ускоритель, если он высоких энергий, требует каскада ускорения: от источника частиц, которые ускоряются, потом первый этап линейного ускорения, а потом несколько циклических ускорителей, чтобы достичь  необходимой энергии. И вот бустер — это первый циклический  ускоритель на пути достижения проектных энергий. Бустер — это будет своего рода возрождение синхрофазотрона, в том смысле, что он будет размещен в том же самом ярме магнита, который послужит туннелем для этого нового бустера. Таким образом, будет возрождение синхрофазотрона — он получит вторую жизнь. Синхрофазотрон по трем причинам мы оставили,  точнее — его внешний облик сохранился: ярмо у нас по-прежнему присутствует в нашем главном корпусе, потому что это памятник мировой науки, и мы хотим его сохранить на долгие годы, чтобы помнили, откуда начиналась  физика высоких энергий. Во-вторых, 36 тысяч тонн – это тот якорь, который стабилизирует фундамент нашего главного корпуса, в котором расположен нуклотрон, и будет расположен в будущем бустер. И, наконец — туннель для нового бустера».

Синхрофазотрон был сооружён в Дубне под руководством академика АН СССР  В. И. Векслера. В 1959 году коллектив физиков и инженеров под руководством Векслера получил Ленинскую премию за создание синхрофазотрона.

21 апреля 2017 года состоялось торжественное открытие на территории Лаборатории физики высоких энергий площади имени Владимира Векслера. Участники международного семинара, посвященного 60-летию запуска синхрофазотрона и 110-летию со дня рождения В.И. Векслера, возложили цветы к памятнику выдающемуся ученому.

Владимир Кекелидзе, директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «Мы сегодня отмечаем две замечательные даты – это 110 лет со дня рождения  выдающегося ученого Владимира Иосифовича Векслера – основателя нашей Лаборатории, автора принципа автофазировки. Это принцип, по которому работают все современные ускорители мира, включая Большой адронный коллайдер, и это  60 лет запуска синхрофазотрона, который был запущен под руководством и при самом прямом участии Владимира Векслера.  Он — основатель Лаборатории, отец синхрофазотрона, автор принципа автофазировки».

В 1944 году Векслер сформулировал главный закон ускорительной техники, закон, обеспечивающий стабильность частицы в резонансном циклическом ускорителе в продольном направлении, так называемый принцип автофазировки. Метод, который он предложил,  используется во всех релятивистских ускорителях мира.  В 1945 году этот принцип независимо открыл Эдвин Макмиллан. Началась эра ускорительной физики в полном объеме, поскольку по этому принципу могли работать и синхротроны (Большой адронный коллайдер — типичный синхротрон), фазотроны и синхрофазонтроны — кольцевые ускорители разнообразных заряженных частиц.

До этого в циклотронах с ростом энергии, когда скорость стремится к скорости света, нельзя было получить энергии больше 30 МэВ. Гордиев узел разрубил Векслер.  За порогом 30 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Было  доказано, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение.

Владимир Никитин, главный научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «Первые  ускорители были созданы в конце 20-х годов прошлого века, просто  в электрическом поле ускорялись частицы.  Но энергии, которых удавалось достигнуть на ускорителях, где частицы движутся в процессе ускорения  по циклической орбите (по спиральной),   больше 30 МэВ  —  не получалось. Потому что релятивистская  механика, в отличие от классической механики, говорит, что у частицы, движущейся с большой скоростью, как бы увеличивается масса. Точнее сказать,  импульс определяется —  масса, умноженная на скорость, но теперь еще добавляется фактор, который растет с ростом энергии. И этот фактор нарушает принцип резонанса в процессе ускорения.

Например, вы бежите по стадиону, тренер говорит: прибавь. На следующем круге простит еще увеличить скорость, затем еще. А вы не можете, потому что ваша масса возросла, и сил у вас не хватает прибавить. Вот так же ведет себя частица.  Векслер понял, как преодолеть отставание частицы от задач тренера, то есть конструктора ускорителя. Идея его состояла в том, что тренер не должен ставить перед спортсменом максимальную задачу. Он говорит: вы не очень спешите, чуть сбавьте, экономьте силы. И ускорить частицы надо не на максимально возможной скорости, а чуть-чуть пониже, тогда  частица, которая отстает,  имеет еще запас силы догнать ту частицу, которая равновесная. А та, которая опережает, тут тренер может сказать: куда вы спешите, держитесь группы.  Таким образом, Векслер угадал этот принцип стабильности – фазовой стабильности. То есть бегуны  бегут по стадиону, не очень спешат, но зато бегут долго и постепенно наращивают свою скорость. (Циклические ускорители – там бегут спортсмены-частицы по орбите, их держит магнитное поле, а подталкивает их электрическое поле). Мы пришли к широкому использованию этих принципов, плюс еще открытие релятивистской механики, которая с одной стороны поставила пределы, а с другой стороны открыла широкие горизонты для понимания глубин микромира».

Глубины микромира скоро будут изучать с помощью  коллайдера NICA. Там будет происходить столкновение тяжелых ионов в той области энергии, в которой достигается максимальная плотность ядерной материи, которая существует только в нейтронных звездах и в лабораториях еще не достигалась. «Мы будем пионерами в этом исследовании. Здесь нас ожидает много сюрпризов, а теоретики предсказывают ряд интересных открытий», — говорят  ученые.
Владимир Кекелидзе, директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «У нас есть замечательный проект – проект NICA, который позволяет с оптимизмом всему коллективу смотреть в будущее в надежде, что нас ждут не менее яркие открытия и не менее замечательные физические научные исследования».

За годы, прошедшие с момента запуска синхрофазотрона, коллектив Лаборатории прошел славный путь, полный открытий и значимых научных достижений. Сегодня в Лаборатории ведутся успешные исследования на передовых научных направлениях. Коллектив Лаборатории уверенно смотрит в будущее.

Научно-информационный отдел ОИЯИ, 2017

Редактор портала: Инна ОРЛОВА
Видеограф: Евгений ГОРЯЧКИН

http://www.jinr.ru

http://www1.jinr.ru/News/Jinrnews_rus.html