Есть ли жизнь за БАКом? Экскурсия по ОИЯИ

Участники Летней школы рассказывают о поездке в Объединенный Институт Ядерных Исследований 14 августа 2016 г., знакомстве с легендарным синхрофазотроном и нуклотроном, а также возможности услышать о новом мегапроекте NICA!

Наверняка большинство из вас слышали про БАК (Большой Адронный Коллайдер), являющийся самым мощным на сегодняшний день ускорителем элементарных частиц. А вот нам с товарищами недавно посчастливилось побывать в самом сердце российской ускорительной цитадели – Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ), находящемся в Дубне. Поэтому сегодня речь пройдет именно про него, а также про увиденные нами воочию легендарный синхрофазотрон и чуть менее известный (но все еще функционирующий) нуклотрон. Ну и, конечно же, пара слов будет сказана о новом большом проекте NICA, который уже реализуется дубненскими физиками.

Начнем, как ни странно, с довольно неприятного факта – попасть в ОИЯИ так просто не получится, ибо все пути на территорию института проходят через охраняемые КПП. Проще всего это сделать в составе организованной группы по предварительной договоренности с администрацией института (подробности – здесь: http://www.jinr.ru/visits/external link, opens in a new tab). Поэтому немудрено, что просто оказавшись в ОИЯИ мы уже чувствовали, что день прожит не зря. Прогуливаясь по территории института, можно обнаружить целых семь лабораторий. Самая большая, с фасадом, выполненным в классическом стиле,– лаборатория физики высоких энергий. Именно туда мы и идём. И именно там стоит знаменитый синхрофазотрон – циклический ускоритель частиц. работавший за счёт конденсаторов по принципу резонанса: частица попадала в ускоряющее электрическое поле всегда в одной и той же фазе. Максимальная энергия, до которой разгоняются частицы в синхрофазотроне – 10 ГэВ (гигаэлектрон-вольт). Подробнее про историю создания дубненского ускорителя можно прочитать, например, на «Элементах»external link, opens in a new tab.

Легендарный синхрофазотрон в ОИЯИ. Взгляд сверху

Заходя в ту часть здания, где стоит эта установка, невольно рот раскрываешь от размеров: это металлическое кольцо радиусом 60 метров, весом 36 тысяч тонн. Размеры вакуумной «трубы», по которой несутся частицы, должны были быть довольно большими (2*0.4 метра), так как пучок разгоняемых частиц был слабо сфокусирован. Соответственно, размеры магнитов для создания сильного магнитного поля в трубе были еще больше (отсюда и гигантский вес установки)! Проработал синхрофазотрон более 45 лет и сделал немало серьезных открытий, однако в 2002 году было принято решение о его полной остановке. Сейчас синхрофазотрон не используется по назначению, а разобрать такую громадину практически невозможно: «Фундамент просел. Разберём – почва не выдержит» – говорят сотрудники ОИЯИ. Поэтому частично разобранный синхрофазотрон, в основном, является лакомой приманкой для экскурсионных групп, которые так и жаждут взглянуть на исполинскую махину. Прямо под синхрофазотроном стоит более современная установка – нуклотрон, построенный в 1992 году. Диаметр трубы, по которой «летит» частица, в нем составляет всего несколько сантиметров(!). Такого уменьшения размеров ускорителя удалось добиться за счет жесткой фокусировки пучка и использовании сверхпроводящих проводов для создания сильного магнитного поля вместо обычной меди.

Сравнение поперечных размеров синхрофазотрона и нуклотрона заставляет радоваться прогрессу технологий

Кстати, есть один момент, объединяющий оба ускорителя – линейный ускоритель LU-20, где пучок ускоряемых частиц (протонов или более тяжелых ионов) начинает свой путь и разгоняется до энергии в 20 МэВ (мегаэлектрон-вольт). Разогнав частицы до такой энергии ученые раньше могли выбрать, в какой ускоритель его направить – в синхрофазотрон или в нуклотрон, используя для этого поворотный магнит. Хотя с момента остановки синхрофазотрона маршрут ускоряемых частиц стал фиксированным, дубненские физики надеются, что продлится это недолго – ведь уже в рамках мегапроекта NICA (подробнее о нем – ниже) планируется существенно модернизировать ускорительный комплекс (в частности, добавить еще один линейный ускоритель), так что у экспериментаторов появится гораздо больше возможностей для манипулирования пучками частиц.

Чем ОИЯИ ещё занимается?

Дубненские физики внесли огромный вклад в физику элементарных частиц и высоких энергий, в понимание кварковой структуры адронов (частиц, вступающих в сильное взаимодействие). Но зачем нужна вся эта наука, если она не может помочь конкретно нам? А вот и может, ведь ОИЯИ исследует частицы не только ради науки, но и для блага общества и других наук (кроме того, там производят жидкий гелий, продажа которого позволила институту выжить в 90-е годы). Вот лишь несколько примеров практических исследований, проводимых в Дубне:

• Тестирование электроники на подверженность различным видам излучений, для того чтобы адаптировать её для работы в космосе.
• Участие в синтезе новых химических элементов: Нихоний, Московий, Теннесин, Оганесон, причем Московий, открытый в декабре 2015 года, распадается с образованием элемента, Дубния, открытого в этой же лаборатории 45 лет назад.
• Эксперименты по лечению рака с помощью пучка протонов (протонная терапия). В отличие от остальных заряженных частиц он не постепенно отдаёт энергию, а, словно меценат перед смертью, отдаёт всю энергию в конце своего движения, поражая точечно раковые клетки. На основе этого исследования разрабатывается медицинский ускорительный комплекс.
• Детектор взрывчатых веществ, работающий по методу меченых нейтронов, который позволяет определять химический состав веществ. Возможно, в будущем это повысит эффективность антитеррористических систем наблюдения в аэропортах, на вокзалах и т.д.

В подвале ОИЯИ под синхрофазотроном проложено кольцо гораздо более компактного нуклотрона – ускорителя тяжелых ионов.

Участники экскурсии рядом с линейным ускорителем LU-20

А что дальше?

Объединенный институт ядерных исследований вступил в 21 век, как крупный многоплановый международный научный центр, в котором на мировом уровне ведутся фундаментальные исследования структуры материи, с разработкой и применением новых технологий. Кроме того, ОИЯИ – участник многих международных коллабораций (в частности – работающих на Большом Адронном Коллайдере) и один из самых известных российских институтов за рубежом. А когда мы после окончания экскурсии подошли к громадному плакату, висящему на одной из стен синхрофазотроа, нас ждала еще одна приятная новость – о новом международном мегапроекте NICA, цель которого – исследовать адронную материю (то есть сильновзаимодействующие частицы) в экстремальном состоянии. Еще более приятно было узнать о том, что работы по созданию нового коллайдера на базе ОИЯИ начались аж в 2013 году (мы уже увидели первые результаты) и должны закончиться к 2020 году. Коллайдер NICA позволит подробнее изучить аспекты возникновения Вселенной и, прежде всего, процесс формирования из глюонов и кварков частиц барионной материи, которая существовала только на ранних этапах эволюции Вселенной, а также взаимодействия высокоэнергетичных пучков самых разных частиц: от протонов и дейтронов – до существенно более тяжелых ионов золота.

В подвале ОИЯИ под синхрофазотроном проложено кольцо гораздо более компактного нуклотрона – ускорителя тяжелых ионов

Впечатления от прогулки по ускорителю:

Федя (10 класс, Москва)

Масштабность. Не могу себе представить, что в 1957 году, синхрофазотрон был пущен в эксплуатацию, а его строить лет 5 минимум. То есть это только 7 лет после Великой Отечественной войны, страна не успела нормально восстановится после войны, а уже построила такое сооружение. Причем для СССР, такая разработка, не направленная конкретно на улучшение военной мощи, достаточно удивительна. Поражают также, размеры, сложность конструкции и эксплуатации. Это особенно видно, когда прикладываешь руку к гаечке, ну как к гаечке, положив руку на гайку, она будет все равно вылезать из-под твоей руки. Если посмотреть на толщину стенок, то можно заметить, что три человека прижавшись к друг другу будут поуже стенки.

Полина (8 класс, Белгород)

Достижения. Это удивительно, что на долю ОИЯИ приходится столько открытий в области ядерной физики. Было интересно узнать, что в объединенном Институте синтезированы элементы Периодической системы химических элементов и повторён синтез трансурановых элементов. Поразили судьбы людей, которые принимали участие в создании и продвижении ОИЯИ. Например, профессор Блохинцев, который стал первым директором Объединенного Института.

Аркадий (10 класс, Северодвинск)

Две вещи. Во-первых, громадное для абсолютно малого. Пускай это звучит по-философски, но меня всегда привлекало взаимодействия чего-то очень большого с чем-то безмерно малым. И тут огромный синхрофазотрон с кучей дополнительных установок ради того, чтобы гонять частички, радиусом в миллиарды раз меньшем метра. Что ещё удивляет, так это сталкивая ионы, протоны, мезоны и другие элементарные частички, выделяется колоссальное количество энергии. Второе, что меня удивило, – перспективы. То, что ОИЯИ заинтересовано в изучении экстремального состояния вещества. Что случается с материалами при изменении естественных условий мы знаем. А вдруг в соответствие с тенденцией микромира быть непохожим (мягко говоря) на мир наш привычный частицы ведут себя как-то очень необычно? Такой славный симбиоз физического с лирическим возможно прочувствовать, только побывав в ОИЯИ.