65 лет назад советский синхрофазотрон превзошёл все ускорители мира

10 апреля 1957 года стало известно, что энергия ускорителя, построенного в подмосковной Дубне под руководством Владимира Векслера, выросла до 8,3 млрд электронвольт (ГэВ). Таким образом, был побит рекорд синхрофазотрона в Беркли: энергия американской установки составляла только 6,3 ГэВ. Существенно повысить эффективность ускорителей позволило открытие Векслера: учёный ещё в годы войны придумал, как обойти так называемый релятивистский барьер, когда с ростом энергии частицы снижается её скорость. Синхрофазотрон Объединённого института ядерных исследований работал до 2002 года, его магнит потом использовали при строительстве коллайдера NICA.

10 апреля 1957 года стало известно, что энергия протонного ускорителя, запущенного в Лаборатории высоких энергий Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), превысила энергию самого мощного на тот момент в мире американского синхрофазотрона и достигла 8,3 млрд электронвольт (ГэВ).

Запуск советского протонного ускорителя состоялся 15 марта, но широкая общественность узнала об этом только после того, как установка побила мировой рекорд. На тот момент в мире действовали три ускорителя: два в США и один в Великобритании. Они существенно уступали новому советскому синхрофазотрону.

«Достигнута самая высокая энергия частиц, которую когда-либо удавалось искусственно создать физикам», — сообщила 11 апреля газета «Правда».

В том же номере была опубликована статья директора лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, члена-корреспондента АН СССР Владимира Векслера. Он рассказал о том, какие сложности пришлось преодолеть учёным для запуска ускорителя, а также о принципах работы революционной установки.

Читатели узнали, что вес кольцевого электромагнита синхрофазотрона составлял 36 тыс. т, а средний диаметр стального кольца достигал почти 60 м. Непрерывная работа 56 мощных насосов позволяла снизить давление в вакуумной камере, внутри которой движутся ускоренные частицы, до миллиардной доли атмосферы.

«Магнитное поле, подвергающее частицы своему непрерывному воздействию, выверено с точностью до десятых долей процента. Ничтожная ошибка, хотя бы малейшее искажение этого поля были бы достаточными, чтобы вывести ускоритель из строя», — говорилось в статье Векслера.

Физик рассказал и о том, как работает ускоритель элементарных частиц.

«В некоторый момент они (частицы) как бы «впрыскиваются» внутрь вакуумной камеры из линейного ускорителя… Магнитное поле, управляющее движением частиц, медленно возрастает во времени. При этом сокращается и период, в течение которого протоны совершают полный оборот внутри вакуумной камеры. В точном соответствии с изменением длительности одного оборота протонов увеличивается и частота электрического поля, ускоряющего частицы. Механизм, благодаря которому осуществляется ускорение частиц, получил название автофазировки», — подытожил Владимир Векслер, не упомянув о том, что именно он открыл и сформулировал этот механизм.

Релятивистский барьер

Напомним, конструкцию, позволившую ускорять частицы в электрическом поле, изобрёл в 1929 году американский учёный Эрнест Лоуренс. Физик предложил пускать частицы по круговому маршруту, чтобы они могли многократно подвергаться воздействию электродов в магнитном поле. Такой ускоритель получил название циклотрона, первая установка такого типа была построена Лоуренсом и его коллегам в 1930—1931 годах. Учёный был удостоен Нобелевской премии по физике.

В СССР не хотели отстать от США в исследованиях микромира. В 1938 году группа советских учёных во главе с академиком Абрамом Иоффе обратились к руководству страны с предложением начать исследования в области строения атомного ядра. На тот момент в СССР был построен только один циклотрон, но он был в неработоспособном состоянии.

Планы учёных получили государственную поддержку, однако физики столкнулись с серьёзным техническим вызовом в своей работе. Оказалось, что энергия частиц в ускорителях, созданных по проекту Лоуренса, не может превысить 20 млн вольт (20 МэВ) для протонов.

С ростом энергии частицы падает синхронность (резонанс) между её движением и ускоряющимся полем. В итоге ускорение частиц прекращается. Для электронов этот барьер ещё ниже, поскольку они способны быстрей разгоняться до порогового значения.

Преодолеть это препятствие удалось благодаря открытию Владимира Векслера. В 1944 году советский учёный предложил идею, которая состояла в том, что при резонансном ускорении частоты обращения частиц и ускоряющего поля должны постоянно совпадать — оставаться синхронными. Векслер доказал, что увеличивать скорость движущихся частиц можно путём постепенного наращивания напряжённости магнитного поля.

Как выяснилось, такой процесс ускорения не только позволяет многократно повысить энергию частиц, но и обладает устойчивостью к небольшим сбоям — незначительная рассинхронизация устраняется автоматически. Поэтому открытый Векслером принцип получил название «автофазировки».

Через год независимо от Векслера аналогичное открытие сделал американский физик Эдвин Макмиллан, однако он признал первенство советского коллеги. Оба учёных впоследствии не раз номинировались на Нобелевскую премию. Получил её Макмиллан, но за работу, не связанную с автофазировкой.

«Важный этап развития»

2 мая 1949 года Совет министров СССР выпустил постановление о создании синхрофазотрона на энергию 7—10 ГэВ, Владимир Векслер был назначен научно-техническим руководителем проекта.

Прежде чем приступить к возведению большого ускорителя, физики в отдельном здании на территории Физического института имени П.Н. Лебедева РА СССР (ФИАН) построили модель синхрофазотрона. Для запуска установки пришлось решить целый ряд непредвиденных технических задач, пуск состоялся в 1953 году.

Большой ускоритель ОИЯИ был построен к концу 1956 года, в декабре начались работы по его комплексному запуску.

15 марта 1957 года запуск мегаустановки состоялся. Однако обнародована информация об этом была лишь после того, как энергия советского синхрофазотрона превысила показатель самого мощного на тот момент ускорителя частиц, который действовал в американском Беркли.

Проектной энергии в 10 ГэВ протоны в синхрофазотроне достигли 16 апреля. А в эксплуатацию установка была сдана ещё через несколько месяцев.

На протяжении трёх лет дубнинский синхрофазотрон удерживал мировое лидерство по энергии ускоренных частиц.

В 1970 году на синхрофазотроне были получены первые пучки релятивистских дейтронов энергии 10 ГэВ, впоследствии также ускорялись ядра различных химических элементов. За годы работы на ускорителе были открыты некоторые новые элементарные частицы — например, в 1960 году научный мир узнал о существовании анти-сигма-минус-гиперона.

Работа синхрофазотрона была остановлена в 2002 году. Однако атомные исследования в Дубне продолжаются: в 2022 году планируется ввод в эксплуатацию коллайдера NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Строительство ускорителя было начато в 2013 году на базе Объединённого института ядерных исследований.

Коллайдер относится к проектам класса «мегасайенс» и позволит физикам воссоздать в лабораторной среде процессы и условия, возникавшие на заре существования нашей Вселенной, чтобы пролить свет на её историю. Данные планируется получить путём столкновения тяжёлых ионов. Сборка установки стартовала в декабре 2021 года, когда в туннеле ускорителя был установлен первый сверхпроводящий магнит.

Как рассказал в беседе с RT помощник директора ОИЯИ, доктор наук, член-корреспондент РАН Григорий Ширков, элементы легендарного советского синхрофазотрона нашли новую жизнь в коллайдере NICA.

Мало того, сам коллайдер NICA создан в туннеле, который остался внутри ускорителя 1957 года после того, как из него убрали катушки.

«Так что научная традиция продолжается. В своё время пуск синхрофазотрона стал очень важным событием для всего мира. Ускоритель проработал много лет, и на нём было получено много уникальных научных данных, он был очень важным этапом развития ускорительной техники», — подытожил учёный.