«…Волна и камень, стихи и проза,
лёд и пламень, не столь различны
меж собой.»
А. С. Пушкин
Сектор низких температур
Отсчёт истории Сектора низких температур (СНТ) лучше всего начать с появления первой поляризованной мишени в ОИЯИ, когда силами специалистов двух лабораторий: Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП ОИЯИ) и Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ ОИЯИ) была создана поляризованная мишень динамического типа. В поляризованных мишенях такого типа процесс динамической поляризации ядер мишени идёт непрерывно для поддержания достигнутого уровня поляризации, так как процессы релаксации поляризации при температурах около 1К протекают довольно интенсивно и провести физические измерения без постоянной накачки (поддержания) поляризации не представляется возможным. Эта работа была по-настоящему новаторской, впрочем, как и многое другое в то время!
Пришлось преодолевать криогенные и вакуумные проблемы, находить соответствующие источники СВЧ, создавать аппаратуру измерения ядерной поляризации мишени, а также другое оборудование, необходимое для установок подобного типа. Соответствующая публикация (V. L. Luschikov, B. S. Neganov, L. B. Parfenov and Yu. V. Taran, Sov. Phys. JETP, 22 (1966) 285) открывает бурное развитие криогенной техники, которое стало ответом на запрос быстро развивавшейся в то время спиновой физики.
Первую поляризованную мишень такого типа создали французские специалисты в 1962 году во главе с Анатолем Абрагамом, который по чистой случайности (на мой взгляд) не стал нобелевским лауреатом. А. Абрагам, человек сложной судьбы (выходец из семьи прибалтийских евреев), в начале 70-х годов посетил ОИЯИ (видимо, хотел посмотреть на действующую на синхроциклотроне, ускорителе ЛЯП, динамическую поляризованную мишень). В экспериментальном зале ускорителя один из соавторов нашей мишени стал рассказывать А. Абрагаму об установке. Через некоторое время А. Абрагам прервал его и на прекрасном русском спросил, а на каком языке тот даёт пояснения. Действительно, без практики большинство наших сотрудников плохо владели языками, но это не мешало им работать хорошо и успешно. Позднее один из соавторов (В. Л. Лущиков) был приглашён на годовую стажировку именно в Лабораторию Анатоля Абрагама.
Примерно в 1964 году в группе Б. С. Неганова появились два студента МГУ, Н. С. Борисов и М. Ю. Либург, которым была предоставлена возможность попробовать реализовать «свежую» идею нового метода получения сверхнизких температур, опубликованную в 1962 году (London, Clarke and Mendoza, Phys. Rev. 128, 1962). Эту публикацию очень вовремя привез чехословацкий физик С. Сафрата, длительное время работавший в журнале «Cryogenics» и имевший в то время доступ к такого рода информации. Безусловно, этой информацией владели многие, и примерно в одно время в разных местах были проведены ещё две попытки реализовать эту идею. Как показали результаты, самой успешной оказалась группа Б. С. Неганова. Уже на первых порах были зафиксированы рекордные 50 mK!
М. Ю. Либург, Б. С. Неганов и Н. С. Борисов около первой установки для получения сверхнизких температур, 1966
Ещё раз повезло соавторам в том, что Международная конференция по физике низких температур под председательством Петра Леонидовича Капицы состоялась в 1966 году в Москве и у Б. С. Неганова была прекрасная возможность рассказать о новом методе получения сверхнизких температур квалифицированной международной аудитории. Как гласит легенда, после доклада, ставшего настоящей научной сенсацией, Пётр Леонидович сказал, что Учёный совет Института физических проблем сочтет за честь принять защиту докторской диссертации Б. С. Неганова. Работы по совершенствованию этого метода продолжались ещё некоторое время, и в 1968 году в ЛЯП была зафиксирована минимальная для того времени температура, полученная этим методом: 5,5 мK. Этот результат вошёл во все мировые физические справочники.
Научная династия. Б. С. и А. Б. Негановы
Далее сверхнизкие температуры уже неразрывно будут связаны с такой областью экспериментальной физики, как исследования поляризационных явлений. Предметом поляризационных исследований является изучение зависимости взаимодействий от спинов участвующих частиц. Спин был введен в науку почти 100 лет назад для описания атомных спектров, но его природа до сих пор остается тайной.
Появление поляризационных экспериментальных данных стимулировало теоретическое осмысление спиновых эффектов и послужило «испытательным полигоном» (testing ground) для проверки теоретических моделей. В этом смысле характерны высказывания известных теоретиков: англичанина Эллиота Лидера — «Спин в экспериментах убил больше теорий, чем любой другой физический параметр») (Elliot Leader. Spin in Particle Physics, Cambridge U. Press (2001)) — и американца Джеймса Бьёркена — «Поляризационные данные часто были кладбищем модных теорий. Если бы теоретики были в силах, в целях самозащиты им стоило бы вообще запретить такие измерения» (J. D. Bjorken. Proc. Adv. Workshop on QCD Hadronic Processes, St. Croix, Virgin Islands, 1987).
В 1973 году дирекцией ЛЯП было принято решение о создании поляризованной мишени нового типа. Здесь подразумевается мишень «замороженного» типа, в которой в полной мере используется эффект охлаждения рабочего вещества мишени до сверхнизких температур ~ 20-30 мK. О такой принципиальной возможности ранее говорил Б. С. Неганов (на Международной конференции по электромагнитным взаимодействиям при низких и средних энергиях, Дубна, 1967).
Осталось приспособить достижения в получении сверхнизких температур к созданию экспериментальной аппаратуры — поляризованных мишеней «замороженного» типа, которые бы полностью использовали открывавшиеся возможности. В 1975 году на синхроциклотроне ЛЯП в эксперименте по исследованию поляризационных эффектов при рр-взаимодействиях в диапазоне 500-630 МэВ была применена первая (как потом выяснилось, и первая в мире) поляризованная замороженная мишень.
Первая поляризованная замороженная мишень на пучке синхроциклотрона ЛЯП. На переднем плане Б. С. Неганов. 1975
Так впервые в экспериментальной физике был использован новый метод получения сверхнизких температур.
Далее, в 1977 году, в СНТ ЛЯП была создана — при определяющем участии В. Н. Павлова — установка со сверхнизкими температурами для изучения короткоживущих изотопов. С ее помощью была реализована обширная программа исследований Радиохимической лаборатории (РХЛ ЛЯП). Удивительно быстро, уже в 1978 году, была создана и вторая поляризованная мишень «замороженного» типа, предназначенная специально для исследований в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) (г. Протвино).
Полный вид второй поляризованной мишени перед отправкой в ИФВЭ (г. Протвино), август 1978
В те годы в нашем отделе, Научно-экспериментальном отделе физики адронов (НЭОФА), одновременно проводились сразу несколько крупных экспериментов (ПРОЗА, ГИПЕРОН, РИСК...). И обычно сотрудники участвовали по два-три месяца в году в экспериментальных программах на ускорителе У-70. К этому времени пучковая физическая программа с использованием первой поляризованной «замороженной» мишени была завершена, и установка была перемещена в здание сектора.
Вскоре последовало предложение от физиков Ленинградского института ядерной физики (ЛИЯФ) (среди них В. Г. Вовченко) и начальника нашего отдела Ю. М. Казаринова о проведении поляризационной исследовательской программы в ЛИЯФ, для чего и потребовалось перевезти поляризованную мишень в Гатчину. Такая процедура — кардинальное перемещение столь деликатной экспериментальной установки, как поляризованная мишень — в нашей практике осуществлялось впервые, и принятые меры предосторожности были экстраординарными. Они себя оправдали, и уже через два-три месяца экспериментальные работы на ускорителе ЛИЯФ были начаты. Ну а если к этому добавить, что с середины августа 1978 года были начаты и работы с новой поляризованной мишенью в ИФВЭ, можно представить, сколь напряжённым был в то время график работы сотрудников сектора.
Коллектив сектора постоянно был занят проведением сеансов на обеих поляризованных мишенях в Протвино и Гатчине. Со временем в Гатчине была сформирована собственная группа по изучению поляризованных мишеней и наше участие в этих работах практически прекратилось. В ИФВЭ ничего подобного так и не произошло, и с некоторыми перерывами наше участие продолжается и по сей день.
Более того, эти продолжительные работы вылились в обновлённый проект SPASCHARM (в русском варианте: «СПиновые АСимметрии в образовании ЧАРМония») (V. V. Abramov et al. «The status of SPASCHARM experiment with polarized target at U-70 accelerator», DSPIN-2017, Dubna; A. N. Vasiliev, "SPASCHARM project at U70 in Protvino, Panda Collaboration meeting, Novosibirsk, September 2017). Проект нацелен на исследование спиновой структуры нуклона и спиновой зависимости сильного взаимодействия антивещества и вещества при энергиях до 50 ГэВ
Предполагается создание поляризованных протонного и антипротонного пучков, что позволит на установке SPASCHARM решать масштабные, связанные со спином научные проблемы. Кроме поляризованных пучков для реализации проекта планируется создать и поляризованную твёрдотельную мишень с замороженными спинами нуклонов. Предполагается также, что в этих работах основную роль будет играть группа из ОИЯИ (Сектор низких температур), которая имеет уникальный опыт (Yu. Usov, PoS, PSTP 2015-021) и достижения в этой области (действующие установки подобного типа в Гатчине, Протвино, Праге и Майнце).
Безусловно, потребуется также и активное участие специалистов из ИФВЭ и немецких коллег (из университетов Майнца и Бонна). Использование в проекте SPASCHARM уже изготовленных узлов и общих технологий основных детекторов будет способствовать плодотворности и эффективности такого сотрудничества.
В настоящее время создается специальная группа физиков и теоретиков для теоретического сопровождения эксперимента SPASCHARM. Это важно для поиска спиновых эффектов в определенных кинематических областях, там, где развиваемые этой группой теоретические модели будут предсказывать их наличие. Это значит, что экспериментальные исследования будут проводиться не «вслепую».
Аналога будущей установки для работы на поляризованных пучках в мире нет. Ожидаемый период сохранения уникальности — не менее пятнадцати лет. В случае реализации эти исследования позволят участникам занять лидирующие мировые позиции в области спиновой физики.
Реальное международное сотрудничество началось для нашего коллектива с предложения чехословацких ученых и физиков сектора Ю. М. Казаринова о создании «замороженной» поляризованной мишени специально для экспериментов при низких энергиях ~ 15 МэВ. Именно такова была энергия поляризованного нейтронного пучка ускорителя (Van de Graaff, VdG) Карлова университета в Праге.
На тот момент мы и не предполагали, сколько проблем последует за нашим решением принять участие в проекте. Имея реальный опыт создания экспериментальных действующих установок в Гатчине и Протвино, трудно было ожидать столь серьёзные проблемы при реализации наших планов в Праге.
В первую очередь мы вынуждены были везти в Прагу не совсем готовую установку, и в результате часть работ пришлось заканчивать уже совсем в других условиях и с другими возможностями. Все это серьёзно затруднило нашу работу, и в итоге поляризованная мишень на ускорителе VdG была запущена только в 1994 году. («Target with a frozen nuclear polarization for experiments at low energies», NIM A 345, (1994) 421-428, N. S. Borisov, V. N. Matafonov, A. B. Neganov, Yu. A. Plis, O. N. Shchevelev, Yu. A. Usov, I. Jansky, M. Rotter, B. Sedlak, I. Wilhelm, G. M. Gurevich, A. A. Lukhanin, J. Jelinek, A. Srnka, L. Skrbek. In Proc. of the 11th Int. Symposium on High Energy Spin Physics, pp.545-550, Bloomington, 1994).
Общий вид экспериментальной установки на пучке ускорителя VdG Карлова университета в Праге
Среди тех трудностей, которые мы встретили в Праге, было и коренное изменение политического строя (в 1989 году) и, соответственно, отношения к нам — представителям СССР, страны, которая вдруг оказалась виновной во всём. Но с ближайшими коллегами у нас по сей день сохранились прекрасные отношения, что в конечном итоге позволило нам общими силами создать прецедент — организовать единственный пучковый эксперимент в стране-участнице ОИЯИ.
Парадоксально, что сотрудники ОИЯИ участвуют в ускорительных экспериментах где угодно в мире, но не в странах-участницах. Такие «прецеденты» служат одному из главных пунктов Устава ОИЯИ: развитие соответствующих областей физики в странах-участницах. Для продолжения принятой экспериментальной поляризационной программы в настоящее время в Праге на ускорителе VdG идут работы по повышению поляризации пучка нейтронов (предложение сотрудника СНТ Ю. А. Плиса), и уже есть предварительные обнадёживающие результаты.
Обсуждение плана совместных работ на ускорителе VdG Карлова университета в Праге, 1994 г. Слева направо: И. Вильгельм – ректор Карлова университета, Ю. А. Усов – ЛЯП ОИЯИ, В. П. Джелепов – почётный директор ЛЯП ОИЯИ, Н. А. Русакович – директор ЛЯП ОИЯИ, Р. Мах – полномочный представитель Чешской Республики, М. Фингер – начальник отдела ЛЯП ОИЯИ
Здесь уместно еще сказать об одной серьёзной работе, выполненной сотрудниками СНТ в 1994–1996 годах. В декабре 1993 года было получено извещение из Международного научного фонда INTAS о финансовой поддержке (60000 экю) нашего проекта «Реконструкция передвижной поляризованной мишени (ППМ)». При лидирующей роли сотрудников СНТ ЛЯП ОИЯИ в этой работе участвовали специалисты из Франции, Украины, России (ИЯИ РАН, ПИЯФ, ЛВЭ ОИЯИ).
Работа была разделена на два этапа. Первый этап начался в 1994 году: сборка и полный запуск ППМ в лабораторных условиях на территории ЛЯП. Этот этап был успешно завершен 14 декабря 1994 года, т. е. буквально за день до истечения контрольного срока. Проведенные работы были подробно описаны в статьях (CERN COURIER, volume 35, #7, 1995; «Scintillatios», 24 Juin 1995).
А еще 1995 году созданную установку посетил совместно с дирекцией Института полномочный представитель РФ в ОИЯИ Б. Г. Салтыков и выразил поддержку представленным работам и ОИЯИ в целом.
Слева направо: Жиль Дюран (Сакле, Франция); Ю. А. Усов (ЛЯП ОИЯИ); Б. Г. Салтыков (вице-премьер, министр науки и образования, полномочный представитель РФ в ОИЯИ); А. М. Балдин (академик, директор ЛВЭ ОИЯИ). 1995
Второй этап соответствовал уже второму гранту, полученному от INTAS в 1995 году для проведения поляризационных исследований с передвижной ППМ на нейтронном пучке синхрофазотрона Лаборатории высоких энергий ОИЯИ (ЛВЭ). Эти работы также были успешно проведены, о чём был даже снят документальный фильм, показанный позднее по французскому телевизионному каналу TF5.
Следует заметить, что эти работы проходили в самое сложное пореформенное время и что ОИЯИ в первый раз получил такой грант. (N. A. Bazhanov et al. «A movable polarized target for high energy spin physics experiments», NIM A 372, (1996) 349-351., JINR Preprint E8-96-33, Dubna, 1996.)
Передвижная поляризованная мишень, Н. С. Борисов. 1995
В период с 1999 по 2001 годы сотрудники сектора также активно участвовали в создании жидкоаргонного калориметра установки ATLAS в CERN. В этот период возникла необходимость калибровки платиновых терморезисторов для прецизионного измерения температуры узлов установки, расположенных в среде жидкого аргона. Сотрудниками ОИЯИ (ЛЯП и ЛВЭ) был подготовлен и подписан контракт с CERN о прецизионной калибровке 1800 платиновых термометров, что и было сделано согласно соответствующим планам. Большая часть этих калиброванных терморезисторов была смонтирована сотрудниками ОИЯИ непосредственно на детекторах установки ATLAS.
Отдельная история — сотрудничество с немецкими университетами Майнца и Бонна. Его история началась в далеком 2003 году, когда сотрудники СНТ ЛЯП ОИЯИ начали разработку и создание криостата для поляризованной мишени по договору с Университетом Майнца. Поскольку криостат является ключевым узлом, определяющим основные параметры такого рода экспериментальных установок, то работы по разработке и созданию криостата — очень серьёзная методическая задача, с который сотрудники СНТ успешно справились к концу 2007 года. Позднее, на различных мировых специализированных конференциях, таких как, например, PSTP (Polarized Sources, Targets and Polarimetry), эта поляризованная мишень была признана специалистами лучшей в мире!
Общий вид поляризованной мишени на пучке ускорителя (MAMI C, Майнц)
Отличительной особенностью физических исследований в Майнце, реализуемых с помощью этой поляризованной мишени, является использование физических идей выдвинутых ранее сотрудником Лаборатории теоретической физики ОИЯИ (ЛТФ) С. Б. Герасимовым. Вплоть до 2015 года в рамках большой международной коллаборации A2 продолжалось успешное использование этой поляризованной мишени на ускорителе MAMI C Университета Майнца.
Схема основных узлов и параметры криостата поляризованной мишени в Майнце
Примерно в это же время в Боннском университете встал вопрос о закрытии университетского ускорителя ELSA, так как более десяти лет на ускорителе не проводились поляризационные исследования, являвшиеся основными для этого ускорителя. Оказалось, что за достаточно продолжительный срок (порядка 15 лет) по ряду причин в университете не смогли создать новый криостат для этой экспериментальной установки. В таких условиях сотрудники СНТ ЛЯП предложили не просто, как это первоначально предполагалось, перевезти поляризованную мишень из Майнца в Бонн для реализации на много лет задержанной экспериментальной программы, а изготовить в Дубне новый криостат для Боннского университета.
Потребовалось около четырех лет серьёзных усилий не только сотрудников ЛЯП, но и специалистов из различных подразделений ОИЯИ, чтобы завершить работы в Дубне по изготовлению рефрижератора растворения 3He/4He новой поляризованной мишени для совместных экспериментов на ускорителе Боннского университета.
Криостат для Бонна почти готов. А. Б. Лазарев
Модернизированная установка Crystal Barrel на ускорителе ELSA в Боннском университете позволяет измерять двойные поляризационные наблюдаемые для реакций фоторождения нейтральных мезонов. Именно эти измерения являются ключевыми в поиске «недостающих» резонансов при изучении процессов фоторождения мезонов и гиперонов на протонах. В июне-июле 2021 года сотрудниками СНТ ЛЯП были проведены заключительные испытания этого нового криостата в Бонне одновременно с проведением последнего пучкового сеанса на ускорителе ELSA.
Ну и о самом главном и новом для нас с научной точки зрения: в настоящее время сотрудники СНТ участвуют в создании прецизионного мёллеровского поляриметра для нового сверхпроводящего ускорителя поляризованных электронов MESA в Университете Майнца. Там им придется столкнуться с принципиально сложными проблемами прецизионного измерения поляризации пучка электронов. Основной частью такого поляриметра является как раз мощный рефрижератор растворения 3Не/4Не, и в этой области у СНТ есть уникальный опыт и методические наработки. К работам по созданию поляриметра для ускорителя MESA привлечена также и группа экспертов из ЛФВЭ (ранее ЛВЭ) под руководством В. В. Фимушкина.
Во время запуска установки на ускорителе ELSA: А. С. Должиков, А. Б. Неганов, И. С. Городнов и С. Рункель (Бонн)
В заключение следует сказать о принципиальном качестве международного научного сотрудничества следующее. На мой взгляд, Германия является важным ассоциированным членом ОИЯИ, а приведенные выше примеры нашего сотрудничества (СНТ ЛЯП) с университетами Германии, учитывая серьезные взаимные обязательства, кардинальным образом влияют на взаимоотношения между ОИЯИ и Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (BMBF) — организацией, которая активно поддерживает внутренние исследования. Реализация совместных исследовательских программ повышает статус нашего Института как ведущего международного центра.
Здесь следует также сказать и о принципах участия сотрудников СНТ в международном сотрудничестве. И тут мы следуем идеям академика Г. Н. Флёрова. Известно его мнение о принципах участия сотрудников ОИЯИ во внешних экспериментах: «....участие возможно только в том случае, если без сотрудников Института данный эксперимент проведён быть не может...» Действительно, в этом случае взаимоотношения в международной коллаборации выстраиваются кардинально другим образом, а группа сотрудников ОИЯИ является не помощником, а ведущим и ответственным исполнителем со всеми вытекающими последствиями. Мы обычно отвечаем за создание в эксперименте условий для исследования двухспиновых (пучок—мишень) реакций: самых сложных методически и самых информативных с физической точки зрения.
