Ускорители ИЯФ — метод встречных пучков

Квант 1978, №5 с. 8, 9, 11, 12 Тег AVNM

В 1967 г. академик Г. И. Будекру и его ближайшим сотрудником была присуждана Ленинская премия за развитие метода встречных пучков. Этот признанием был подведен итог первому этапу работы, положивших нацало использования в физике высоких энергий этого очень перспективного метода. О приемуществ метода встречных пучков, об истории его создания в Институте ядерной физики Сибирского Отделения АН СССР, основателем и директором которого был выделшийся советский физик и организатор научки академик Г. И. Будекр, рассказывается в этой статье.

О том, зачем нужны ускорители, и об устройстве общих ускорителей «Квант» уже расссказывал (см. № 4 за 1977 г.). Основным способом исследования микромира в настоящее время является стольновение элементарных частиц. Чем глубже мы хотим проникнуть в микромир, тем больше должны быть энергия соударения. В эксперименте элементарная частица стalkивает с другой элементарной частицей. Регистрируется результат стalkовения — скорости отклонившихся или родившихся при соударении частиц, их сорт. Глубина, на котором мы таким образом проникаем в микромир, определяется энергий ускоряемых частиц. Но на пути развития ускоритальной техники возникают две существенные трудности. Первая заключится в том, что для сообщения ускоряемых частицам все больших энергий необходимы ускорители огромных размеров, которые стоит очень дорого. Вторая же трудность носит принципный характер.

Для того чтобы понять, в чем она заключита, обратимся к хорошего знакомому нам процессу соударения шаров.

Рассмотрим «лобовое» соударение двух шаров одинаковых масс. При стalkовении шаров начинают деформироваться, и часть первогоальной кинетической энергии системы переходит в потенциальную энергию деформации шаров. Представим себе, что мы изучаем прочитать наших шаров, нас интересует, при каких условиях они разбиаются. Ясно, что эти условия определяются именно величиной потенциальной энергии деформации шаров. Какую часть состав-

ляет эта энергия от первоначальной кинетической энергии системы?

Рассмотрим сначала случай, когда один из шаров первоначально поконтится. Пусть на покоящей шар налетает шар, кинетическая энергия которого $E = \frac{mv^2}{2}$ . Сразу после столковения шары начинают деформировать. Очевидно, что деформация шаров растет до тех пор, пока относительная скорость шаров не станет равной нулю. В этот момент шары движутся как одно целое (шар с массой $2m$ ) с некоторой скоростью $\vec{u}$ , и энергия деформации шаров максимальная. Из закона сохранения импульса $-m|\vec{v}| = 2m|\vec{u}|$ — следует, что $|\vec{u}| = |\vec{v}|/2$ . Согласно закону сохранения энергии $E = \frac{2mu^2}{2} + E_0$ , где $E_0$ — максимальная энергия деформации шаров. Следовательно,

$E_0 = E - \frac{2m(v/2)^2}{2} = \frac{1}{2} E.$

Таким образом, максимальная энергия деформации шаров в случае, когда один из них первоначально поконтится, равна половине начальной кинетической энергии системы.

Иное дело, когда два шара движутся навстречу друг другу с одинаковыми по абсолотному значению скоростими $|\vec{v}|$ . В этом случае энергия деформации $E'_0$ в процессе сохранения максимальная в тот момент, когда скорости шаров равны нулю. Из закона сохранения энергии следует, что

$E'_0 = E'$

где $E' = 2\frac{mv^2}{2}$ — начальная энергия системы. Итак, при соударении движущихся навстречу друг другу шаров все первоначальная кинетическая энергия системы переходит в энергию деформации.

Рассмотренный нами случай соударения двух шаров, из которых один первоначально поконтится, представляет собой модель ситuation, произходящей в общном ускоритель, — ускоренная частота налетает на ней подвижную мишень. Энергия деформации шаров — это аналог той энергии, которая при соударенииускоренных частцц с atomами мишени определяет проискодящие в atomах процессы, возможноностьрожения новых частцц, их энергии. Именно эта «полезная» энергия и интересует исследователь.

Тепер нам становится ясно та принципиальная трудность, которая возникла перед создателем ускорителя. Когда ускоренная частница стalkивается с atomами неподвижной мишени, часть ее энергии расходуется на сообщение скорости системы «частица+атом» (вернее, «частица+роженные в соударении частцы») как целому. И эта часть энергии «тратиться» без пользователя интересует энергияроженных в процессе соударения частцц, а энергия движения системы как целого — это своего рода «энергетическая издержки» в процессе. В случае, когда скорость частцца мала по сравнению со скоростью света, эти «издержки» составляют половину первоначальной энергииускоренных частцц. В результатеисток же случae доля «полезной» энергии сильно уменьшается с ростом энергии частцц. Так, при энергияхускоренных частцц порядка 10 ГэВ (1 ГэВ=10^9 ЭВ) эта доля меньше процента — порядка 100 МэВ (1 МэВ=10^6 ЭВ). Для того чтобы получить в процессе соударения «полезную» энергию 2 ГэВ, потребовалось быускорять электrons до энергии 4 ТэВ (1 ТэВ=10^12 ЭВ). Ускоритель электронов на такие энергии имел бы длину, сравнимую с окружностью Земли по экватору!

А если вместе неподвижной мишени использовать встречный пучокускоренных частцц? Модель процессов, произходящих в такой ускоритель, является рассмотренной нами случай соударения двух шаров, движущихся навстречу друг другу. И тогда «полезную» энергию в 2 ГэВ, почти недоступимо для общного электронногоускорителя, можно получить при соударении частццвстречных пучков,ускоренных до энергии 1 ГэВ на частццу.

На рисунке 1 приведен график, который позволяет найти оценить

Чтобы за часы вращения по круговой орбите пучок не был рассеян частицами газа в накопительном коллеще, необходимы высокий вакуум — не больше 10^7 частиц газа в 1 см³. Необходимо, чтобы впуск каждой новой порции частиц не «портил» уже накопленный пучок. Необходимо установить («подавить») неустойчивости пучка — при отклонении части от направления движения пучка возникают силы, выбрасывающие частицы на стенки коллеца. Эти и многие другие проблемы требуют сложнейших конструкторов и инженерных разработок.

В 1958 году по предложению И. В. Курчатова лаборатория новых методов ускорения переезжает в Сибирь. Здесь под Новосибирском нацелось стропельство Академгородка Сибирского отделения АН СССР. Лаборатория превращается в Институт ядерной физики (ИЯФ) СО АН СССР. Директором института стал Г. И. Будкер.

Институт возникал со скоростью взрыва. Директор его молод, большим сотрудником — учершине студенты и аспиранты. Будкер предлагает предложено направленный ритм работ, и коллектив принята этот ритм. «Средний уровень в науке неустойчив. Если мы не подем вперед на пределе возможностей — мы отстанем и скатимся на уровень низкий, — говорил Будкер. — Если мы не сделаем все, чтобы быть первыми, мы станем плоским институтом». Поставленная перед институтом задача была необходима трудна. Начинается стропельство ускорителя и накопительных колес первого установки на встречных электронных пучках — ВЭП-1. Элементы нового ускорителя должны работать в режимах значительно более сложных, чем элементы обчирного ускорителя. Каждый узел — новая проблема. Известны многое открытия Г. И. Будкера в физике, но когда говорят о «методе Будкера» — это о работе института. Метод Будкера — это понск новых, более совершенных решений поставленных задач. И понск людей, способных находить такие решения. «Каждай талантливый человек должен работать творческими и самостояльно», — утверждал директор и доверял своим ученикам все более сложные участки работы. Многие элементы установки ВЭП-1 были по существу открытия в техническую ускорителю на встречных пучках.

В 1963 году в накопителье ВЭП-1 столкнулись пучки электронов. Есть e⁻ e⁻-столкновения на встречных пучках! Кроме подтверждения возможности реализации ускорителя на встречных пучках, эксперимент на ВЭП-1 дал новую физическую информацию — была доказана выполнисть закона Кулона на расстояниях порядка 10⁻¹⁴ см. (Напомним, что «классический» радиус электрона 2,7·10⁻¹³ см.)

Параллельно с экспериментами на ВЭП-1 была смонтирован установка для осуществления столкновения пучков электронов и позитронов ВЭПП-2. В 1965 году на этой установке впервые в мире был осуществлен эксперимент по столкновению электронного и позитронного пучков.

Первые же опыты со встречными пучками приесли интереснейшие результаты, для в руки физикам-теоретикам огромный фактический материал. Но главную заслугу этих экспериментов Г. И. Будкер видел в том,

Академик Г. И. Будker беседует с учащимся физиком-математической школьей-интерната при Новосибирском государственном университете.

что «в результате этих исследований рассеяна атмосфера скрыто, а еще чаще открыто недоверия и скппизма к методу встречных лучков, применение которого открывает новую область энергии в физике элементарных частиц… Сегодня физикам, как теоретикам, так и экспериментаторам, надо готовиться к освободию этой новой области».

За прошедшие с тех пор 10 лет метод встречных лучков получил всемирное признание. В разных странах построено около 10 и строятся новые накопительные колыца. Растут энергии и токи в лучках. Эксперименты на встречных лучках приводят к потоку новых открытий в области физики высоких энергий, физики элементарных частиц.

История создания и развития этого метода у нас в стране неразрывно связана с Институтом ядерной физики СО АН СССР, с именем его первого директора академика Г. И. Будкера. Институт и сам поход наускоритель, построенный по методу Будкера. ИЯФ — это тоже своего рода эксперимент. Сейчас этот эксперимент продолжают ученики Будкера. Вперед — труднейшие проблемы, новые понки, новые результаты. Работа продолжается.