Охладить летящую частицу

Объявлены лауреаты научных премий за 2016 год, учреждённых Американским физическим обществом. Да-да, именно за 2016-й — эти заокеанские физики немножко живут в будущем. Премию Роберта Вильсона за выдающиеся достижения в физике ускорителей заряженных частиц получит новосибирский учёный, заведующий лабораторией Института ядерной физики СО РАН Василий Пархомчук. Формулировка такая: «за решающий вклад в экспериментальное и теоретическое развитие метода электронного охлаждения и за достижение целевых параметров работы электронных охладителей для ускорителей в научных лабораториях по всему миру». Разработанные Пархомчуком технологии применяются как для изучения физики частиц (например, на Большом адронном коллайдере), так и в медицине (для лечения рака) и прочих прикладных областях.

Идея охлаждать пучки протонов впервые пришла в голову — ещё в 1960-е годы — академику Гершу Будкеру, создателю Института ядерной физики в Новосибирске. Чем ниже температура пучка, тем выше его плотность, а значит, больше количество столкновений частиц в ускорительном кольце. Суть метода состояла в том, чтобы запускать на участок охлаждения совместно с протонным пучком электронный, который движется почти с той же скоростью, но намного холоднее и будет забирать тепло у протонов.

В ходе экспериментов, которые начал Будкер, а продолжил Василий Пархомчук с коллегами, пучок протонов с температурой в несколько миллионов градусов удалось охладить почти до абсолютного нуля (–272 ^оС).

[Кот Шрёдингера] Василий Васильевич, а сможете объяснить непосвященным, как можно за секунды охладить что-то в миллион раз?

[Василий Пархомчук] Понимаете, частицы очень маленькие, а расстояния между ними относительно их самих большие, поэтому разность температур может быть огромной. Например, температура катода, из которого вылетают электроны, +1 000 ºС. И эту температуру имеют частицы, которые очень быстро крутятся по кольцу диаметром в одну сотую миллиметра. Но это их внутренняя температура, а если смотреть снаружи на быстро крутящееся кольцо электронов, видно, что это крошечное зёрнышко движется вперёд очень медленно и, соответственно, имеет низкую температуру.

[КШ] Всё-таки сложно представить, как один и тот же объект одновременно имеет температуру +1 000 и –272 ºС.

[ВП] Вспоминается шутка Льва Ландау: «Только идиоты рассматривают женщину в электронный микроскоп». Температура объекта — это скорость его движения. Если он движется медленно, он холодный, и нам абсолютно неважно, что там у него внутри. Для нас, сидящих, допустим, на пучке протонов, он практически недвижим. Летящие среди этих сонных электронов протоны остывают с плюс миллиона градусов до –272.

В природе таких разностей температур сколько угодно. Взять ту же ледяную комету — её лёд намного ниже нуля по Цельсию, но она летит с такой скоростью, что, если её остановить и вся тепловая энергия выделится, произойдёт страшный взрыв. Или, допустим, космонавты в корабле летят с огромной скоростью, но температура их тела всё те же 36,6 ºС .

[КШ] За сорок лет вы сделали семь разных установок электронного охлаждения. Не боитесь превратиться в производство?

[ВП] Ключевое слово «разных», это не серийное производство. Мне кажется, что разделение на чистую науку и прикладные задачи придумали те, кто не сделал в своей жизни ничего полезного. Эксперимент создаёт условия для открытий. Наша первая установка охлаждала протонный пучок и больше ничего не умела. Для Китая сделали систему охлаждения тяжёлых элементов вплоть до урана. Сейчас они охлаждают углерод для лечения онкологии. Для Большого адронного коллайдера — многозарядный свинец.

Сейчас в Дубне строят большой коллайдер «Ника», где будут сталкивать ионы золота. Мы сделали охладитель для их бустера — промежуточного ускорителя. Интересно, что в Европе для этих целей используют свинец, а в США золото. Видимо, это заложено в характере. Россия пошла по американскому пути. Но лично мне самыми интересными кажутся сейчас ускорительные кольца не со встречной инжекцией — где частицы не сталкиваются, а догоняют друг друга.

[КШ] И что с ними происходит, когда догоняют?

[ВП] Их ядра сливаются, образуя сверхтяжёлые холодные частицы — изотопы. Точнее, сначала они получаются очень горячими, потому что мы пропускаем их через фольгу, чтобы ободрать электроны. На орбитах у золота около 90 электронов, и с ними атомы сливать неудобно — каша получается. А так они все на фольге остаются.

Интересно заставить эти получившиеся изотопы жить дольше, чем доли секунды. Это большая и почти неизведанная область науки. Стабильных изотопов, живущих несколько дней, очень мало. Немногим больше тех, что существуют секунды и минуты, а ещё неизученных около десяти тысяч. Зачем, казалось бы, тратить ресурсы на то, чтобы посмотреть какие-то изотопы? Но изотопы кислорода, углерода, фтора, живущие всего 20 минут, стали основой передового метода диагностики ПЭТ — позитронно-эмиссионной томографии.

Мы обсуждали это недавно с академиком Юрием Оганесяном (соавтор открытий тяжёлых элементов таблицы Менделеева — прим. «КШ») из ОИЯИ в Дубне. Может быть, получится договориться, чтобы нам позволили проводить такие эксперименты на «Нике». А может, придётся строить для этого отдельный небольшой ускоритель. Это будут решать в декабре на большом годичном собрании РАН.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №12 (14) за декабрь 2015 г.