Есть ли жизнь за БАКом? Экскурсия по ОИЯИ

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.

Лаборатория физики высоких энергий ОИЯИ.

Лаборатория физики высоких энергий ОИЯИ. Источник: http://www.jinr.ru/

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/). 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".

Легендарный синхрофазотрон в ОИЯИ. Взгляд сверху.

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 в ОИЯИ заставляет радоваться прогрессу технологий.

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.

Наша группа рядом с линейным ускорителем LU-20 в ОИЯИ.

Наша группа рядом с линейным ускорителем LU-20.

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 нуклотрона - ускорителя тяжелых ионов.

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

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.

Схема ускорительного комплекса NICA в ОИЯИ. Источник: http://nica.jinr.ru/complex.php

Схема ускорительного комплекса NICA. Источник: http://nica.jinr.ru/complex.php

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.

Больше красивых фотографий ускорителя можно найти в ЖЖ: http://sergeydolya.livejournal.com/198989.html

Интересные материалы об ускорителях элементарных частиц, их истории и принципах работы, а также коллайдере NICA.

Федор Шаулин, Полина Куравина и Аркадий Трофимов специально для MakeItQuantum

Комментарии: