Новосибирск и Новосибирская область: свежие новости, объективный анализ, актуальные комментарии

«Обуздание» термояда и проникновение в тайны взаимодействий частиц: над чем сейчас работают в Институте ядерной физики СО РАН?

Удержать плазму

Сейчас установка позволяет получить пучки с силой тока до 1 ампера и энергией до 330 кэВ, в итоге их планируется довести до 1,3 ампер и 1 МэВ.

Найти способ получения энергии из термоядерной реакции — самая заветная мечта физиков-ядерщиков всего мира на протяжении вот уже более чем полувека.

Для этой цели в Советском Союзе когда-то изобрели устройства, известные под названием «токамаки», но они пока только помогли расширить знания о термояде. Токамаки продолжают строиться в мире и сейчас — скажем, во Франции в 2035 году должен выйти на свои проектные параметры строящийся токамак ITER, а заработает он гораздо раньше. Однако токамаки, в которых плазма приобретает форму коллоида и удерживается длительное время, — не единственно возможная термоядерная система. Подходов к удержанию высокотемпературной плазмы разработано около трёх десятков, и один из них сейчас изучается в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера на новой установке ГОЛ-NB. «ГОЛ» никакого отношения к футболу не имеет, сокращённо это «гофрированная открытая ловушка».

— Плазма по сути — это водород, нагретый до очень высокой температуры. Его молекулы и атомы распадаются, остаются только элементарные кирпичики, из которых водород и состоит — ядро, протон и электрон. Большинство таких установок используется, чтобы задержать разгон плазмы. Поскольку она движется с огромной скоростью, близкой к скорости света, такой объект не может долго существовать и быстро распадётся, поэтому и создаётся магнитное поле, в котором частицы движутся по спирали и замедляют движение, стабилизируя температуру. Но каким-то образом плазму надо удержать в магнитном поле, оставив её горячей. Для этого мы и создали нашу новую установку, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Поступаев.

В ГОЛ-NB магнитное поле изменяет свою длину, образуя как бы трубу переменного диаметра. Теоретически это должно уменьшить потери плазмы, но на практике это предположение до сих пор не проверялось. Так что учёные ИЯФ в этом плане станут первопроходцами. Собрана установка была в феврале этого года, но первые исследования на ней начались ещё четыре года назад. «Это токамак может работать только когда собран полностью, а наша система состоит из отдельных элементов, начинать работать с ней можно, если готова только её часть, а затем путём присоединения новых элементов мы расширяли её возможности», — рассказал Валерий Поступаев.

Спроектировать эту установку в ИЯФ стало возможным после того, как в 2014 году институт выиграл двухлетний грант на развитие исследований по направлению плазмы. Пока что учёные не берутся говорить о том, даст ли ГОЛ-NB коммерческую прибыль, — проводимые на нём исследования относятся исключительно к фундаментальной науке.

По словам Валерия Поступаева, задача, которая стоит перед исследователями при работе с установкой, — не ставить рекорды, а точно попасть в область определённых параметров: температуры и концентрации частиц в плазме (300 тысяч — 2 миллиона градусов и 3х1019 частиц в кубометре). При их достижении физики планируют получить тот самый эффект, который предсказывает теория.

Пока учёные не говорят о том, даст ли ГОЛ-NB коммерческую прибыль, — исследования относятся исключительно к фундаментальной науке.

Ещё одна разработка Института ядерной физики, призванная помочь поставить неуловимый термояд на службу человечеству, — высоковольтный инжектор.

Он предназначен для генерации мощных пучков отрицательных ионов водорода, которые будут использованы затем для нагрева плазмы в термоядерных установках. В России такой инжектор — единственный в своём роде.

— Пучки отрицательных ионов используются для нагрева плазмы следующим образом: сначала получается пучок с энергией от 500 кэВ до 1 МэВ, потом из этого пучка должен быть произведён пучок нейтральных атомов такой же высокой энергии, далее нейтральные атомы проникают через магнитное поле, окружающее плазменные установки, где снова превращаются в ионы, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Санин.

Новосибирские учёные рассчитывают, что их исследования приоткроют тайну аномального магнитного момента мюона.

Тем временем продолжаются исследования и на коллайдере ВЭПП-2000, который является признанным мировым лидером в своей «весовой категории» по количеству получаемых на нём данных.

Коллайдер помогает понять, как устроена физика на самых маленьких расстояниях или на самых больших энергиях.

— Всего существует четыре вида взаимодействия — сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. Наша ниша — это понимание того, как устроено сильное взаимодействие. На этом коллайдере не родятся частицы, которые нам пока неизвестны, — для этого у него не хватит энергии. Но мы можем стремиться к тому, чтобы детально понять свойства частиц, о существовании которых мы знаем, — говорит заместитель директора ИЯФ по научной работе доктор физико-математических наук Иван Логашенко.

Среди этих свойств есть одно, особенно сильно привлекающее внимание физиков всего мира, — аномальный магнитный момент мюона, измерить который до сих пор никому не удалось. Работа на ВЭПП-2000 позволяет приблизить это событие.

Что же это за свойство? У базовой элементарной частицы не так много параметров — масса, электрический заряд, магнитный момент. У электрона есть аналог мюон, который в 200 раз тяжелее электрона. И у него, кроме основной части магнитного момента, есть «добавка» — тот самый аномальный магнитный момент. Откуда он берётся? Вакуум — не абсолютная пустота, а настоящая бурлящая субстанция, в которой постоянно рождаются и умирают все частицы, какие только существуют в природе, включая те, о которых мы ещё не знаем. И если поместить туда тот же самый мюон, он начнёт немедленно взаимодействовать с частицами, «живущими» в вакууме, от чего его свойства изменятся, а у его магнитного момента появится та самая добавка. Измерив эту добавку, можно понять, как на мюон повлияют все частицы, какие только могут быть в природе. Подсчитать её можно и теоретически, но в этом случае будут учтены лишь те частицы, которые нам известны. Поэтому если теоретическое и практическое измерения покажут одинаковые результаты, мы сможем с большей или меньшей уверенностью сказать, что наконец-то узнали, из каких частиц состоит весь мир. Если же появится расхождение, нам придётся признать, что чего-то об этом мире мы ещё не знаем.

— До этой идеи учёные додумались ещё в 1950-х годах и на протяжении полувека добивались всё большей точности измерения аномального магнитного момента мюона. В начале 2000-х годов его провели в Брукхейвенской лаборатории в США, где смогли увидеть влияние на мюон всех известных видов взаимодействий. Результат теоретических вычислений не сошёлся с измерениями на три стандартных отклонения — это очень большой показатель. И вопрос повис в воздухе — ошибка эксперимента или мы чего-то ещё не знаем о мире? Провели новый эксперимент в США — в лаборатории «Фермилаб». Итогов этого эксперимента ждали 8 тысяч физиков со всего мира — столько же, сколько наблюдали за открытием бозона Хиггса. «Фермилаб» подтвердила результат, а разница в итоге стала ещё больше — четыре стандартных отклонения, — рассказал Иван Логашенко.

А какую же роль в этом процессе играет новосибирский коллайдер? Дело в том, что если слабые и электромагнитные взаимодействия теоретическая физика способна рассчитать с большой точностью, а гравитационные взаимодействия на таких расстояниях не «задействованы», то для расчёта вклада сильных взаимодействий нужны дополнительные измерения, которые и проводятся на ВЭПП-2000. Результат собственных измерений, необходимых для раскрытия тайны аномального магнитного момента мюона, новосибирские учёные собираются выдать в этом году.