"Чтобы построить коллайдер, нужны деньги, высокие цели и мозги": Все о коллайдере рассказал физик-специалист по ускорителям Вячеслав Каминский из Академгородка

Новосибирск – столица коллайдеров. Их на планете всего 7, в том числе 5 - электрон-позитронных. 2 из них находятся в Институте ядерной физики СО РАН, а это целых 40%! Вячеслав проводит экскурсии и читает научно-популярные лекции.

% name% title
Вячеслав Каминский в своей лаборатории после получения диплома кандидата физико-математических наук

Чтобы построить коллайдер, нужны деньги, высокие цели и мозги. Новосибирск в лидерах? Физик - специалист по ускорителям из Академгородка Вячеслав Каминский рассказывает, как становятся учеными, как работает наука и люди в ней, и как он сам решает научные задачи на коллайдере.

- Вячеслав, где вы учились, чтобы стать физиком-ядерщиком?
-Я закончил НГТУ, физико-технический факультет. На третьем курсе пришел в Институт ядерной физики, меня прикрепили к научному руководителю, и вместе с ним уже я начал участвовал в научной жизни. Это обычная практика для студентов физического факультета НГУ и физико-технического факультета НГТУ. Мы начинаем погружаться в науку с простых задач, и, по мере возрастания компетенции, задачи усложняются. Чем дальше, тем студенты становятся более самостоятельными.

- Значит, чтобы стать ученым-физиком, не обязательно заканчивать НГУ? Можно получить образование в НГТУ?
- Институт ядерной физики, по большому счету, их уравнивает. "Плюс" технического университета, для меня, в том, что там я прошел много инженерных курсов. Я считаю себя везунчиком, большая часть тех знаний, которые я получил в НГТУ на инженерных курсах, мне пригодились. Это помогло мне, например, проектировать детали, которые потом отдавались в производство. То же самое и с цифровой техникой.
Иногда бывает необходимость спаять какую-нибудь штуковину. Например, для одного эксперимента нам нужен был электронный прибор, и я его спроектировал с нуля.

- Интригует выражение "спаять штуковину" применительно к такой сложной установке, как коллайдер. Расскажите об этом приборе и об этом эксперименте?
- Коллайдер - это огромная «штука», очень сложная, которая состоит из огромного количества частей. Физически это выглядит так: есть установка (несколько комнат и залов) и ряд приборов, одни из них находится внутри коллайдера и являются его неотъемлемой частью. Другие — приобретаются или изготавливаются отдельно от основной установки. Они не остановят работу коллайдера, но какие-то эксперименты провести не получится. Например, мощный инфракрасный лазер, который мы использовали для измерения энергии пучка коллайдера. Мы логику его работы привязываем, конечно, к коллайдеру, но физически его можно отделить, и коллайдер не перестанет от этого работать. Но кое-какие возможности потеряет.

% name% title
Вячеслав Каминский во время экскурсии в полукольце коллайдера ВЭПП-4М

Если вкратце, наша рабочая группа занимается тем, что стреляет лазерами в электронный или в позитронный пучок коллайдера.

Когда лазерное излучение попадает в пучок частиц, то часть его отражается по направлению движения частиц и приобретает в результате огромную энергию: в миллионы раз больше, чем было. Так что, например, видимое излучение превращается в жёсткое гамма-излучение. Это явление называется обратным комптоновским рассеянием (ОКР). А дальше полученное излучение можно использовать для разных научных задач.

Среди прочих экспериментов, у нас есть такой, который называется "Лазерный поляриметр".

Берется зеленый лазер, он импульсный, то есть он не непрерывно светит, а импульсами, и импульсы очень короткие — примерно 10 наносекунд. Лазерный импульс движется, естественно, со скоростью света и длина у него - пара метров. Все это происходит с частотой, пусть 1000 - 4000 импульсов в секунду. Это не очень много. Лазерный луч летит строго навстречу электронному пучку через оптическую систему. Зачем оптическая система? Чтобы собрать лазерный пучок в «кучку», чтобы он был тонкий, мощный, чтобы там была большая плотность энергии. Есть несколько зеркал, в том числе для того, чтобы немного подстроить координату встречи - влево-вправо, вверх-вниз.

Задача - сделать так, чтобы лазерный импульс оказался в том же месте, где находится электронный пучок, в то же время.

Пучок электронов тоньше человеческого волоса в поперечном сечении - 100 мкм. Лазерный пучок - 500 мкм. А расстояние от лазера до того места, где лазерный луч должен встретиться с пучком электронов - где-то 50 метров. Задача получается сложная, как у снайпера. Но её необходимо выполнить, чтобы получить рассеянные назад комптоновские фотоны и измерить их координату. После ещё кое-каких не менее сложных действий это всё позволяет точно измерить энергию пучка коллайдера. Предельная точность – лучше, чем одна тысячная доля процента, но она совершенно необходима, чтобы измерения параметров получаемых на коллайдере частиц тоже были точными.

Я работаю в группе с этим экспериментом пятый год. Почему так долго? Возникают препятствия, в основном, технические проблемы.

Мы начинали с одного достаточно мощного лазера, который, тем не менее, к конечной цели нас привести не смог. С его помощью мы проверили свою гипотезу и убедились, что надо продолжать.
Максимально подходящий для этих целей лазер, который нам на тот момент предложил производитель, мог дать нужный результат только при определенных условиях – нужно было сформировать очень длинный сигнал запуска.
Импульс лазерного излучения включается электрическим импульсом длительностью 215 микросекунд (микросекунда – это 10 в минус шестой степени секунд). Момент окончания импульса должен быть фиксированным с точностью лучше 5 наносекунд (наносекунда – это уже 10 в минус девятой степени секунд). Пять порядков! Это как построить 15-этажный дом с точностью один миллиметр.

Прибор, который мог бы сформировать такой импульс, очень нетривиальный. В нашем распоряжении такого прибора не было. Решено было спроектировать его самим на отдельных микросхемах.

Цифровая техника мне знакома, мы это проходили в НГТУ. Примерно месяц ушел на то, чтобы создать прототип этого прибора. Плюс проводил тестирование. Нужную плату мне сделали в Институте ядерной физики. Прибор заработал - задачу мы решили.

- Вы, Вячеслав, универсал – и над научными задачами работаете, и коллайдер починить можете?
- Чинить сложные приборы самостоятельно – это, можно сказать, наша национальная черта. Порой, возникает такая необходимость. Этот прибор нужен был мне для решения научной задачи, поэтому я его спроектировал.
Надо сказать, что ИЯФ - это целое государство, где все друг другу помогают. Например, я нахожусь в ускорительной лаборатории, там обычно не нужны отдельные дискретные микросхемы цифровой логики. Я примерно знаю, что мне нужно - иду в соседнюю лабораторию, спрашиваю деталь. Мне дают либо ее, либо скажут: "Зачем тебе это, есть решение гораздо лучше" и, исходя из моей задачи, предложат что-то более эффективное. Или дадут ценный совет.

- Коллайдеров, в мире всего семь и два из них - в Новосибирске, в Институте ядерной физики. Почему нельзя в каждой стране построить по коллайдеру?
- Тут две основных причины, и они идут бок о бок. Во-первых, не каждая страна может себе позволить - это очень дорого, а во-вторых, нужна научная школа.
К тому же, строить коллайдер в каждой стране нет необходимости, ведь результаты исследований находятся в открытом доступе и любой физик-теоретик, из любой точки мира может воспользоваться этой информацией, если, конечно, она не является секретной. Либо влиться в какой-нибудь коллектив почти любого коллайдера и обрабатывать результаты у себя на родине. Наука в большой степени интернациональна.

- Вы говорите о важности научной школы. Как ее сохранить в России?

- Само наличие учёных с конкретной специальностью в стране – это следствие развития науки в этой стране. И только когда будет какое-то критическое количество учёных достаточного качества, и эти высококвалифицированные кадры воспроизводятся на протяжении поколений – только тогда можно сказать, что есть научная школа. И только тогда в благоприятных экономических, социальных, политических и прочих условиях учёные могут сделать коллайдер или ещё какую-нибудь сложную научную установку (современный телескоп или исследовательский ядерный реактор, например).
С другой стороны, национальные научные школы наиболее успешно развиваются только со своими научными установками.

В Новосибирске коллайдер появился в благоприятное время. Благодаря этому у нас появилась очень сильная школа физиков-специалистов по ускорителям и детекторам. И она будет продолжать развиваться, если будут приходить молодые ученые.

В ИЯФ СО РАН всегда работал, как минимум, один коллайдер, и поэтому Институт пережил все испытания, выпавшие на долю советской и российской науки и до сих пор является мощнейшим мировым центром ускорительной (и не только) науки.
Наш директор, Павел Владимирович Логачев в одном интервью сравнивал фундаментальную науку с ребёнком. Развивать фундаментальную науку, как и растить детей – очень затратное, дорогое занятие. Но совершенно необходимое – без детей у человечества в далёкой перспективе нет будущего. Так и без фундаментальной науки у государства в далёкой перспективе нет будущего, поскольку «прогресс человечества» в наше время обеспечивается во многом наукой.

Читайте в ближайшее время интервью с Вячеславом Каминским о физике в повседневной жизни, а также о том, какие популярные произведения искажают законы физики, а какие дают достоверное представление о мире.

Справка:

  • Ускоритель заряженных частиц - сложный прибор, который позволяет исследовать самые маленькие объекты - элементарные частицы.
    Это нужно, чтобы узнать, из чего состоит и как работает наша материя на самых маленьких расстояниях и применить эти знания для понимания происходящих в природе процессов и, возможно, применения этих знаний в науке, в производстве, в быту.
  • Коллайдер – это специальный ускоритель заряженных частиц, который реализует метод встречных пучков. Физики придают элементарным частицам (например, электронам и позитронам) необходимую для эксперимента кинетическую энергию. Пучки частиц движутся навстречу друг другу, сталкиваются между собой, происходят реакции, продукты которых фиксируют детекторы. Физики эти данные расшифровывают, исследуют закономерности, и в дальнейшем это используется для того, чтобы лучше понять, как живут (и умирают) элементарные частицы.
  • Коллайдер - сложная установка, которая состоит из нескольких систем:

а) Магнитная система заставляет частицы двигаться по заданной траектории.
б) Ускоряющая система нужна для придания частицам энергии, необходимой для проведения эксперимента.
в) Автоматизированная система управления, которая с помощью сложной электроники, в том числе, компьютеров, контролирует процесс.
г) Вакуумная система – для того, чтобы частицы не теряли энергию на молекулах воздуха.
Есть и другие системы, обеспечивающие процесс, в том числе система охлаждения, система безопасности, система диагностики и т.д.
В мире семь коллайдеров. Один, ионный, - в США, еще один — протон-протонный, Большой адронный коллайдер, находится на территории двух государств – Швейцарии и Франции.

Остальные коллайдеры - электрон-позитронные. Такие установки есть в Китае, Японии, Италии. В России их два и оба в ИЯФ им. Будкера СО РАН - коллайдеры ВЭПП 2000 и ВЭПП 4М. Большой адронный коллайдер имеет форму кольца диаметром 8,5 км, то есть, 27 км в периметре. Новосибирский ВЭПП-4М имеет форму ипподрома (или беговой дорожки стадиона) с периметром 366 м, то есть, его можно обойти пешком чуть больше, чем за 5 минут.

% name% title
В зале коллайдера ВЭПП-2000
Мнение читателей
6
2
0
0
Выделите орфографическую ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Спасибо за ваш голос
Моё мнение Комментарий Поделиться

От редакции

Хотели бы увидеть коллайдер своими глазами?

Аноним, 21 сентября 2020 14:33
НВР:
Нет и строят колайдер пускай не под Бердском, а у Москвы.
Наталья, 21 сентября 2020 15:15
Конечно, по Вашему хотению под Бердском могут строить только помойку от строящегося коллайдера и А.городка.НВР, коллайдер можно осмотреть в ИЯФе в дни открытых дверей,их ИЯФ проводит несколько раз в год.
баба дуся, 21 сентября 2020 16:23
Не нужон их колайдер со своей радиацией.
2209, 22 сентября 2020 06:38
Дуся,откель там радиация-то.От помойки ее больше,будут свозить туда не пойми что,то что на другие помойки Новосибирска не принимают и годами эти отходы где-то отлеживались в институтах Академа,а на частной бердской помойке все примут.Лишь бы деньги отмусоливали приемщикам.
Аноним, 21 сентября 2020 22:17
ни денег ни мозгов
валера, 22 сентября 2020 10:45
Молодцы Бердчане, и колайдеры строить умеют.
2209, 22 сентября 2020 12:21
Конечно, смогем построить,хорошие коллайдеры качественные даже с двумя "Л",а не с одной.Жалко своей земли у Бердска нет.

Ваше мнение ценно: оставьте комментарий

войдите или зарегистрируйтесь, тогда Вам не придется вводить имя каждый раз, и Вы сможете настроить себе "аватар".
Ознакомьтесь с правилами комментирования