Как рождается нейтрон?

Идёт настройка первого магнита накопительного кольца СКИФа.

Коллайдер ВЭПП-2000  — своего рода «дедушка» СКИФа, ускорителя частиц нового поколения, который под контролем правительства Новосибирской области строится рядом с наукоградом Кольцово. Но и «дедушка» ещё в строю и продолжает ударно трудиться на пользу российской (и всемирной) науки. А  в 2022  году он превзошёл сам себя: как рассказал заместитель директора ИЯФ СО РАН Иван Логашенко , на ВЭПП-2000 специалисты получили рекордный объём научных данных, сопоставимый с тем, который был набран за предыдущие девять лет. Их обработка  — дело будущего. А  вот на основе данных, собранных в предыдущие годы, в 2022  году было сделано интересное открытие. Специалисты ИЯФ смогли впервые в мире измерить структуру нейтрона и антинейтрона на самом пороге рождения этой необычной пары микрочастиц.

— Нейтроны наряду с протонами  — один из двух кирпичиков нашего мира. А  вот антинейтрон встречается в природе очень редко. Рождаются эти частицы, когда электрон и протон аннигилируются при столкновении. На ВЭПП-2000 мы можем измерить детали этого процесса и узнать, как устроен нейтрон,  — нигде больше это сделать нельзя. Внутреннюю структуру протонов и нейтронов мы до сих пор знаем не очень хорошо,  — говорит Иван Логашенко.

Нейтроны и антинейтроны состоят из ещё более мелких частиц  — кварков и глюонов, их движение определяет электромагнитный формфактор  — ту самую функцию, которая и описывает структуру нейтрона и антинейтрона. На пороге реакции формфактор ещё никто не замерял. Теперь для верификации полученного результата необходимо провести эксперимент на другой установке  — в ИЯФе это КМД-3. Однако уже сейчас этот результат согласуется с данными, полученными в Китае на детекторе BESIII, которые относятся к более высоким энергиям.

Возможности ВЭПП-2000, по оценке учёных, позволяют получать в год до 500  тысяч антинейтронов. А  это значит, что перед физиками откроется возможность ещё более точных измерений формфакторов и сечений взаимодействия антинейтронов с разными веществами.

Институт ядерной физики продолжает создавать оборудование для Сибирского кольцевого источника фотонов. По первому контракту, который ИЯФ заключил с Институтом катализа СО РАН как заказчиком ЦКП «СКИФ», готово уже 95% оборудования инжекционной части  — линейного ускорителя и бустерного синхротрона, разгоняющих электроны. Для получения пучка электронов с энергией 0,8  МэВ создали модулятор, подобных которому в мире больше нет. А  в конце 2022  года был выпущен первый серийный магнит (всего их будет 64 плюс один запасной) для накопительного кольца СКИФа. Сейчас он проходит тестирование в специальном помещении.

— Это дипольный магнит, он предназначен для поворота траектории заряженных частиц, то есть электронов,  — говорит старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Синяткин .  — Другая его задача  — фокусировка пучка. Нам нужен пучок с очень малым эмиттансом  — около 76  пикометров точка радиан, поэтому фокусировка должна быть очень сильной.

Из-за таких жёстких требований и калибровка для первого магнита требуется самая тщательная  — работать с последующими магнитами по отработанной схеме будет уже проще. Сейчас специалисты занимаются проверкой создаваемого прибором уровня магнитного поля, добиваясь максимальной точности,  — чувствительность пучка, который будет лететь по накопительному кольцу, настолько высока, что его параметры могут испортиться даже при самых незначительных отклонениях магнитного поля.

Как получить из плазмы термоядерную энергию? Эта задача волнует умы физиков уже более полувека. Бьются над ней и в ИЯФ. Здесь работы идут в двух направлениях: развитие мощных средств создания термоядерной плазмы и её нагрева и создание собственного термоядерного реактора. В  2022  году главный научный сотрудник ИЯФ Игорь Котельников рассчитал, как стабилизировать развивающуюся в плазме баллонную неустойчивость. Именно разного рода неустойчивости мешают получить параметр плазмы «бета» (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), равный единице. Чем ближе «бета» к единице, там больше выход термоядерной реакции и тем выше шансы на переход к термоядерной энергетике.

— Баллонная неустойчивость  — одна из самых опасных, поскольку она быстро развивается и имеет грубые последствия,  — отмечает Игорь Котельников.

Напоминает она пузырь, который появляется при накачивании велосипедной камеры там, где резина тоньше. В  мелком масштабе её способны подавить силы самой природы: учёным известен эффект конечного ларморовского радиуса (КЛР-эффект). А  с крупными баллонными колебаниями теперь должны помочь справиться расчёты Игоря Котельникова: перебор большого количества колебаний позволил найти условия, когда можно стабилизировать неустойчивость при всех значениях «бета» от нуля до единицы. Остаётся только подтвердить их экспериментально.

В декабре мир научных новостей «взорвали» вести из Ливерморской лаборатории в США, где учёные зафиксировали после термоядерной реакции выход энергии в большем объёме, чем потребовался для её запуска. Однако, как отмечает заместитель директора ИЯФ СО РАН Пётр Багрянский , говорить о реальном прорыве в энергетике пока ещё рано: «Фактически в лаборатории взорвалась маленькая водородная бомба, это действительно было сложно, и я восхищаюсь результатом. Но такая работа ориентирована в основном на моделирование ядерного взрыва в лабораторных условиях, и использовать такой подход для энергетики проблематично».

Директор ЦКП «СКИФ» Евгений Левичев демонстрирует магнит для супер-чарм-тау-фабрики.

О СКИФе в последние пару лет говорят больше всего, но это не значит, что проект супер-чарм-тау-фабрики, который разрабатывали в ИЯФ, но воплощать в ближайшие годы будут в Сарове, ушёл на задний план. Ядерщики из Новосибирска разработали модель одной из самых важных деталей будущей фабрики.

— Сердце коллайдера фабрики  — это финальный фокус, последний магнит перед точкой встречи, формирующий те самые нейтронные пучки, которые должны сталкиваться, и это самая сложная часть коллайдера. От качества этих магнитов зависит наличие или отсутствие побочной светимости,  — говорит заместитель директора ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Евгений Левичев .  — Для того типа коллайдеров, к которым относится супер-чарм-тау-фабрика, финальный фокус особенно сложен. Его основная деталь  — компактная сверхпроводящая квадрупольная линза с очень большим градиентом.

В мире такие линзы делают всего в двух лабораториях. В  ИЯФ в 2022  году разработали систему намотки проводника, которая важна для корректной намотки магнита. Первую конструкцию на основе созданной модели планируется испытать в январе 2023  года.