История

Лаборатория ядерных проблем им. В. П. Джелепов — это самый первый ядерный центр, возникший на том месте, которое теперь известно всему миру под названием — Дубна. Судьба этого центра была определена 18 августа 1946 г., когда по инициативе академика И. В. Курчатова для проведения фундаментальных исследований в области ядерной физики правительством СССР было принято решение о сооружении первого в стране крупного ускорителя — синхроциклотрона.

Из воспоминаний М. Г. Мещерякова следует, что со второй половины 1944 г. в кругах советских ученых, занятых исследованиями в области ядерной физики, началось обсуждение возможности строительства в нашей стране ускорителей частиц. Несколько совещаний по этому вопросу прошло под руководством академика И. В. Курчатова в организованной им Лаборатории №2 АН СССР, впоследствии ставшей институтом атомной энергии АН СССР (а ныне РНЦ "Курчатовский институт"). В заседаниях участвовали А. И. Алиханов, В. И. Векслер, К. Д. Синельников, И. Е. Тамм, из Ленинграда приглашались Б. А. Никитин, Л. И. Русинов, Д. В. Ефремов и М. Г. Мещеряков, руководивший тогда циклотроном Лаборатории в Радиевом институте АН СССР. В результате дискуссий остановились на том, что для обеспечения перспективных направлений фундаментальных физических исследований необходимо построить в СССР два ускорителя на рекордные по тем временам энергии — протонный ускоритель на 450÷500 МэВ с последующим увеличением энергии до 650÷700 МэВ и электронный ускоритель на энергию не менее 250 МэВ.

Эта точка зрения физиков легла в основу судьбоносного для Дубны решения правительства СССР, на основе которого для строительства ускорителя и научного центра был выделен (1946 г.) из Гос. фонда болотный участок леса на правом берегу верхней Волги рядом с поселением “Большая Волга”.

Прошло почти два года, и в 1948 г. этот центр была образован. По соображениям конспирации и близости к Московскому морю, он получил название Гидротехнической Лаборатории (ГТЛ) АН СССР. Фактически — это был филиала Лаборатории №2, которой заведовал в Москве Игорь Васильевич Курчатов.

Директором ГТЛ и научным руководителем разработок по ускорителю был назначен Михаил Григорьевич Мещеряков, а его заместителем — Венедикт Петрович Джелепов. Проектирование магнита ускорителя и электротехнического оборудования было выполнено под руководством проф. Д. В. Ефремова — сотрудника специального конструкторского бюро ленинградского завода “Электросила”. Разработка высокочастотной системы ускорителя и мощного высокочастотного генератора была выполнена под руководством член-корреспондента АН СССР А. Л. Минца.

По настоянию И. В. Курчатова разработка синхроциклотрона была начата в Лаборатории №2. В ней организовали ускорительный отдел (рук. М. Г. Мещеряков), призванный в кратчайший срок создать действующую модель будущего синхроциклотрона и проверить на ней принцип автофазировки. В декабре 1947 г. такая модель уже была задействована, а к середине 1948 г. на ней были исследованы все существенные особенности синхроциклотронного способа ускорения протонов. При проведении этих работ активное участие принимали сотрудники отдела Н. П. Богачев, Е. Л. Григорьев, В. С. Катышев, А. А. Реут и А. А. Кропин. С самого начала предполагалось, что после завершения исследований модели нового ускорителя этот отдел переедет на место строительства синхроциклотрона и станет ядром будущего научного центра. В 1948–1949 г.г. в Лабораторию синхроциклотрона вошли Н. И. Фролов, Ю. М. Казаринов, А. Г. Вахромеев, Б. И. Замолодчиков, Б. М. Головин, а также тогдашние студенты-дипломники В. П. Дмитриевский, А. Е. Игнатенко, Г. И. Селиванов, Л. М. Сороко. Эта небольшая группа и положила начало первому научному коллективу Дубны.

Запуск синхроциклотрона состоялся в рекордные сроки — 14 декабря 1949. Это было историческое событие — первый в СССР, первый в Дубне ускоритель заработал. Именно этот день теперь считается днем рождения Лаборатории ядерных проблем. На синхроциклотроне были сначала ускорены дейтроны до энергии 280 МэВ, альфа-частицы до 250 МэВ, и вскоре протоны до 480 МэВ. До 1953 года синхроциклотрон оставался крупнейшим ускорителем в мире.

В 1953 году после увеличения диаметра полюсов магнита синхроциклотрона до шести метров и существенной реконструкции его высокочастотной системы был введен в действие протонный вариант ускорителя на энергию протонов 680 МэВ с интенсивностью пучка протонов примерно 0,3 мкА. Одновременно с этим В. П. Дмитриевским был осуществлен новый, регенеративный метод вывода частиц из ускорителя, что позволило увеличить интенсивность выведенного пучка в десятки раз.

В 1958–1962 гг. под руководством Б. И. Замолодчикова на синхроциклотроне ЛЯП, были проведены работы, результаты которых привели к десятикратному повышению интенсивности ускоренного внутреннего пучка протонов синхроциклотрона. Величина тока пучка на конечном радиусе составила 2,4 мкА. В результате перечисленных выше работ синхроциклотрон ЛЯП начал работать на физический эксперимент по 6 6,5 тыс. часов в год. Был создан экспериментальный павильон, отделенный от ускорителя четырехметровой стеной и закрытый толстым полтора метровым потолочным перекрытием из тяжелого бетона. В этот зал были выведены с помощью отклоняющего магнита и коллиматоров 14 пучков протонов, пионов и нейтронов различных энергий. Благодаря наличию пучков поляризованных протонов, положительно и отрицательно заряженных пионов, нейтронов и в особенности пучков мюонов, полученных от распада пионов в 15-метровом жесткофокусирующем канале из магнитных линз (руководители Б. И. Замолодчиков и А. А. Кропин), были существенно расширены возможности для проведения различных физических экспериментов на синхроциклотроне. Это открыло новый горизонт фундаментальных исследований по ядерной физике не только для физиков Дубны, но и ученых из Москвы, Ленинграда, Харькова и других городов.

Действительно, на синхроциклотроне под руководством член-корреспондента АН СССР М. Г. Мещерякова и В. П. Джелепова были выполнены многие пионерские исследования, заложившие основы современной физики элементарных частиц высоких энергий. В обсуждении и разработке программы исследований на синхроциклотроне принимали участие крупнейшие советские ученые — И. В. Курчатов, Я. Б. Зельдович, И. Е. Тамм, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, А. Б. Мигдал, И. Я. Померанчук, А. И. Алиханов, И. И. Гуревич, Г. И. Будкер, В. И. Голданский и др.

В 1953 г. ГТЛ получила статус самостоятельного академического института — Института ядерных проблем АН СССР. В 1956 г. ИЯП, войдя в состав ОИЯИ, стал называться Лабораторией ядерных проблем. Директором был избран В. П. Джелепов, возглавлявший бессменно ЛЯП до 1988 г. Синхроциклотрон ЛЯП стал первой действующей базовой установкой ОИЯИ, а начиная с 1963 года, по общему признанию это был лучший синхроциклотроном в мире.

По словам В. П. Джелепова — героический труд создателей синхроциклотрона, ввод его в действие и начало исследований на нем ознаменовали собой рождение в нашей стране новой области ядерной физики — физики высоких энергий. Большая группа инженеров и ученых Лаборатории за создание ускорителя и проведение важных физических исследований была дважды удостоена Сталинской премией и награждена орденами Советского Союза.

Благодаря синхроциклотрону Лаборатория ядерных проблем явилась также родоначальницей ряда научных направлений ОИЯИ: исследований по мю-катализу, исследований динамики превращений элементарных частиц и атомных ядер, редких распадов пионов и каонов, физике нейтрино и электрослабых взаимодействий, ядерной спектроскопии, создания поляризованных протонных и дейтериевых мишеней с высокой степенью поляризации. В ЛЯП впервые в СССР были применены протоны высоких энергий (и другие заряженные частицы) для терапии злокачественных опухолей. Впервые здесь были созданы пучки протонов и нейтронов с энергиями в сотни МэВ для биофизических и радиобиологических исследований по космической медицине. Была рассмотрена возможность использования сильноточных изохронных циклотронов для управления подкритическими сборками и создания на этой основе безопасной ядерной энергетики и установок для трансмутации ядерных отходов, и т.п. Актуальность этих исследований со временем только возрастает.

Любой, даже самый лучший ускоритель (достигший когда-либо рекордных параметров) со временем устаревает — он становится уже не в состоянии обеспечить условия для получения новых физических результатов. По этой причине в 1967 году был предложен проект фазотрона со спиральной структурой магнитного поля на энергию протонов 680 МэВ (проект «Ф»). Руководство по реализации проекта «Ф» осуществлялось В. П. Джелеповым и В. П. Дмитриевским, а на завершающей стадии — Л. М. Онищенко. При реконструкции машины были заменены практически все основные элементы и системы синхроциклотрона. Из старого оборудования ускорителя были использованы только ярмо основного магнита и высоковакуумные агрегаты. При громадных размерах основных деталей (полюс магнита составляет 6 м) необходимо было изготавливать сложные по форме многотонные детали с ювелирной точностью (доли мм), что требовало использовать уникальные механические станки, имеющиеся в наличии только в единичном исполнении на специализированных предприятиях страны. Изготовление двух вариаторов частоты, представляющих собой практически высокооборотные турбины, требовало также решения целого ряда как механических, так и технологических проблем. На сооружение всего комплекса уникального оборудования установки «Ф» потребовалось в общей сложности более 12 лет.

Физический пуск Фазотрона был осуществлен летом 1984 года, т.е. дубненский синхроциклотрон был реконструирован в новый ускоритель — фазотрон со спиральной вариацией нарастающего с увеличением радиуса магнитного поля. Протоны в нем ускорялись до энергии 680 МэВ. При этом максимальный ток внутреннего пучка был увеличен в 4 раза, интенсивность выведенного пучка — в 20 раз. Это существенно расширило спектр исследований в ЛЯП. Для их успешного проведения были сооружены дополнительные павильоны — низкофоновая лаборатория, павильон для исследований по ядерной спектроскопии, шестикабинный комплекс для лечения онкологических заболеваний и др.

Введение в строй дубненского синхроциклотрона, способного ускорять частицы до рекордных по тем временам энергий, а затем его модификация и проведение уникальных физических исследований — все это заложило прочный фундамент Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований. Достигнутые и всемирно признанные успехи сотрудников ЛЯП, огромный накопленный опыт — все это неразрывно связано с первым дубненским ускорителем — синхроциклотроном.

Ученым ЛЯП принадлежат 13 научных открытий, зарегистрированных в Государственном реестре Советского Союза. Результаты научных исследований Лаборатории более 100 раз были удостоены премий Объединенного института ядерных исследований. В ЛЯП было защищено более 105 докторских и более 360 кандидатских диссертаций сотрудниками из всех стран-участниц ОИЯИ. Многие из воспитанников лаборатории ныне возглавляют крупные коллективы ученых в различных институтах и лабораториях России и других стран — участниц ОИЯИ.

Лаборатория явилась крупной кузницей высококвалифицированных специалистов в области физики высоких энергий, физики и техники ускорителей, в области методов ядерных исследований, в ядерной спектроскопии и радиохимии, в области радиоэлектроники и обработки ядерно-физической информации. Научные кадры, выросшие в стенах Лаборатории ядерных проблем, пользуются высоким авторитетом и популярностью. Общеизвестно, например, что руководящую основу физического и методического отделов при организации Института физики высоких энергий в Протвино составляли физики, пришедшие из Лаборатории ядерных проблем. Значительное количество ученых, инженерно-технических работников и рабочих высокой квалификации было переведено из Лаборатории в создаваемые в ОИЯИ новые подразделения.

Отмеченные выше направления исследований ЛЯП, берущие свое начало от первого дубненского синхроциклотрона не только не потеряли свою значимость, но стали еще более востребованы. Эти направления постоянно развиваются, они приобретают еще большую актуальность и в настоящее время формируют современно лицо Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова.

Действительно, так в соответствии с долгосрочным планом развития ОИЯИ («дорожной картой») работы в области современной ядерной физики и физики элементарных частиц можно разделить на четыре взаимосвязанных направления — исследования на основе увеличения энергии ускорителей, исследования на основе увеличения интенсивностей ускорителей, увеличение точности неускорительных исследований и исследования по астрофизике частиц. Исходя из этих общих направлений, ЛЯП ОИЯИ сосредотачивает свои современные усилия в четырёх основных областях.

Это исследования по физике нейтрино и изучение редких процессов с целью проверки и уточнения современных представлений в области физики частиц.

Это участие в разработках отечественных установок и исследованиях на них. В частности, ЛЯП ОИЯИ планирует разработку высокопрецизионного компактного электромагнитного калориметра для детектора NICA/MPD. Ведутся разработки и по другим детекторам.

Это престижнейшие международные партнёрские программы исследований на уникальных ускорительных комплексах, таких как Тэватрон (FNAL), LHC (ЦЕРН), FAIR (GSI), ILC.

И наконец, это современные актуальные прикладные исследования, в частности, протонная терапия и разработка медицинского ускорительного комплекса.

Как известно, современная физика нейтрино открывает перспективные возможности изучения вопросов, имеющих существеннейшее значение для понимания природы, таких как происхождение и величина массы нейтрино, иерархия и смешивание, нарушение комбинированной чётности, источники космического излучения и т.п. Изучение свойств нейтрино и процессов с участием нейтрино является традиционным направлением в ЛЯП ОИЯИ, заложенным Бруно Понтекорво. Широкие исследования в области физики нейтрино составляют большую часть современной деятельности Лаборатории, и её главную отличительную черту.

В частности, изучение процессов двойного бета-распада является одним из высших приоритетов ЛЯП. Эти исследования проводятся в рамках проектов NEMO, GERDA–MAJORANA и Super-NEMO. В них планируется достигнуть рекордных ограничений на эффективную массу нейтрино mν < 0,04–0,11 эВ. Наблюдения осцилляции нейтрино указывают на наличие массы у нейтрино и несохранение лептонного числа. ЛЯП принимает участие в поиске нейтринных осцилляций путем регистрации тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино, а также в проекте по изучению неизвестных параметров смешивания нейтрино — эксперимент с реакторными нейтрино Daya Bay. С помощью спектрометра GEMMA (установленного на Калининской АЭС) проводятся эксперименты по измерению магнитного момента нейтрино. Уникальные параметры этой установки позволяют ожидать рекордной чувствительности.

Традиционное для ЛЯП прецизионное изучение редких распадов мюонов и пионов позволит проверить стандартную модель и μ-е универсальность. Так в ЛЯП планируется эксперимент по поиску распада мюона на электрон и фотон, в котором нарушается закон сохранения лептонного числа. Измерения нарушения комбинированной чётности (CP) накладывают в настоящее время значительные ограничения на описание CP-нарушения в рамках стандартной модели. Планы будущих исследований ЛЯП связаны с экспериментами в Протвино и ЦЕРН. ЛЯП принимает участие в изучении космических лучей сверх-высоких энергий, экспериментах по прямому и косвенному поиску так называемой тёмной материи. Прямое наблюдение частиц темной материи в наземном детекторе стало бы событием огромной важности для физики частиц и космологии.

Проектирование и создание современных многоцелевых детекторных систем и их эксплуатация — это традиционная область деятельности для Лаборатории, восходящая своими корнями к первым физическим установкам, работавшим на синхроциклотроне. В настоящее время в планах ЛЯП важное место, например, занимает участие в разработках отечественных установок, таких как многофункциональный детектор MPD для проведения исследований на ускорительном комплексе ОИЯИ NICA. ЛЯП планирует взять на себя создание компактного электромагнитного калориметра с высокими рабочими показателями (EMC) для детектора NICA/MPD. Разработка общего проекта, фотодетекторов и электроники уже началась.

В рамках широкого международного партнёрства ЛЯП принимает участие в долгосрочных программах мирового масштаба в различных научных центрах. Так участвуя в экспериментах с детекторами CDF и D0 на ускорителе со встречными пучками Тэватрон (ФНАЛ), сотрудники ЛЯП уже получили физические результаты фундаментального значения. Опыт, приобретенный в этих экспериментах, крайне важен для их участия в экспериментах на большом адроном коллайдере LHC. Главные ожидания ЛЯП в области фундаментальной физики частиц связаны с экспериментом ATLAS на LHC (ЦЕРНа), который нацелен на прецизионное измерение (известных и неизвестных) продуктов взаимодействия протонов при ранее недостижимой энергии в 14 ТэВ.

В настоящее время учёные ЛЯП активно участвуют в работах по созданию ускорителя и детекторов для проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) в Дармштадте, который является международным ускорительным комплексом нового поколения. В ближайших планах — установка мюонной системы для эксперимента PANDA. Сотрудники ЛЯП принимают участие в экспериментах по проверке метода поляризации антипротонов. В случае успеха будет разрабатываться проект по исследованиям в области спиновой физики на FAIR.

В ЛЯП ведутся работы по ускорителю и детекторам в рамках проекта международного линейного коллайдера ILC, который даст возможность продолжить и дополнить уникальные исследования, начатые на LHC.

Протонная терапия и дальнейшее развитие методов и средств адронной терапии, разработка и создание детекторов и инструментов, как для исследования наноструктур и новых материалов, так и для систем безопасности и медицинского оборудования — это основные направления традиционно важных для ЛЯП прикладных исследований. Так, например, проект «Лечение опухолей с использованием протонных пучков» осуществляется в три этапа. Первый этап — разработка конформного лечения опухолей на Фазотроне ЛЯП, обучение персонала и сертификация метода протонной терапии для использования в Российской Федерации. Второй этап связан со строительством (совместно с IBA, Бельгия) специального медицинского циклотрона для лечения опухолей. Последний этап — передача технологии и средств протонной терапии в Российский центр протонной терапии (в Дубне или ином месте), рассчитанный на 1 000 пациентов в год.

Итак, примерно 60 лет тому назад в Дубне был введен в строй один из важнейших ядерных объектов нашей страны — синхроциклотрон. Это стало началом Лаборатории ядерных проблем и в дальнейшем всего Объединенного института ядерных исследований. Само возникновение нашей лаборатории, достигнутые и всемирно признанные успехи ее научных сотрудников, огромный накопленный опыт как в области физики ядра и конденсированного состояние, так и в физике элементарных частиц — все это неразрывно связано с первым дубненским ускорителем — синхроциклотроном, его своевременным запуском и длительной успешной работой.

В заключении, с огромным чувством благодарности, поздравляем всех сотрудников Лаборатории, как работающих, так и уже ушедших на пенсии, с 60-летим нашей лаборатории и желаем всего самого наилучшего!

Дирекция ЛЯП