ИЗ ИСТОРИИ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
(По рассказам В. А. Никитина и М. Г. Шафрановой)
Дмитрий Иванович Блохинцев, первый директор Объединённого института в Дубне, заметил как-то, что на глазах его поколения физика из призвания превратилась в профессию. После войны эта профессия стала массовой. Потом, в 70-х, на место романтиков и авантюристов пришли деловые люди, но в конце 50-х и в начале 60-х годов физику ещё окружал романтический ореол...
Шёл 25-й год эры ускорителей. Появившись в начале 30-х и претерпев мутацию в середине 40-х, эти порождения человеческой мысли продолжали быстро расти в размерах. Очередной гигант сооружался в Дубне, в Лаборатории высоких энергий. Вид его поражал воображение: два или три этажа высотой, 150 метров в периметре, впечатляющее достижение физики, радиотехники и точной механики. Случилось так, что когда локомотив толкал в павильон синхрофазотрона платформу, гружёную блоками электромагнита, это привлекло внимание студента 5-го курса физфака МГУ, присланного в Дубну на практику. Студент с интересом наблюдал, как кран подхватывает блок за блоком и аккуратно ставит их на бетонное основание. Он даже заглянул в вакуумную камеру. Он ничего там не увидел, кроме пустого пространства: не было ни частиц, несущихся с околосветовой скоростью под управлением магнитного поля, ни самого поля. Но ощущение, что он заглянул в мир элементарных частиц, осталось. Его позвали, и он пошёл дальше, взволнованный, полный предчувствия будущих свершений науки и техники и своего участия в них. Так или примерно так рассказывает о своём первом появлении в Дубне главный научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий Владимир Алексеевич Никитин, и раз от разу его рассказ обрастает новыми подробностями.
Весело жила Лаборатория! Все были молоды, сама Лаборатория была ещё очень молода, и даже директор, человек старшего поколения, большой учёный, чувствовал себя молодым и не прочь был ещё раз жениться. После того как заработал синхрофазотрон по Лаборатории, как по ВДНХ, толпами ходили делегации. Атомный гигант работал вовсю, физики и лаборанты сидели за микроскопами, изучая события на пластинах фотоэмульсии, а релятивистские инженеры бились над проблемой: как увеличить интенсивность пучка хотя бы в 1000 раз?
Студент Никитин не потерялся среди этого множества людей. Ему дали шефа, и он почувствовал, что наука рядом. Разница в возрасте с шефом была невелика, но он продолжал называть шефом так и много лет спустя; это был молодой инженер-физик Виктор Свиридов, выпускник Ленинградского политеха. С него и начинается история одного метода и двух открытий, о которых пойдёт речь. Всё началось вот с чего: изучая ход пучка в ускорителе, Свиридов заметил, что протоны, «споткнувшиеся» после прохождения через тонкую мишень, на следующем обороте пучка «возвращаются в строй» — иными словами, он увидел в действии принцип автофазировки, о котором знал из вузовского спецкурса. Это и навело его на мысль, что можно пропускать пучок через мишень многократно, при этом во столько же раз будет увеличиваться статистика.
Свиридова осенило, когда вечерние сумерки за окном сгустились в ночь, и бог сновидений Оле Лукойе раскрыл над Лабораторией высоких энергий свой волшебный зонтик. Все спали, а Свиридов не спал. Неточно, но образно, и главное, соответствует атмосфере тех лет. Какого числа, какого месяца — этого сейчас не скажет никто. Свиридов так и не достиг возраста, в котором садятся за мемуары. И документов не осталось. А ведь есть хорошие примеры. По первому наброску Периодической системы историки установили, что Дмитрий Иванович Менделеев открыл Периодический закон 17 февраля 1869 года, и эта дата на обратной стороне письма, вместе с чайными разводами, навсегда вошла в историю науки. Но молодые люди о таких вещах тогда не думали. История — это то, что прошло, а они смотрели вперёд. И легенды никакой не сложилось. Ни яблока Ньютона, ни ванны Архимеда, ни очереди Векслера. Урок для младших научных сотрудников старшего школьного возраста: заводи архив смолоду!
В методе, который был разработан на основе этой идеи Свиридова, вместо одной мишени, как обычно, задействованы две. Первая — это собственно мишень, вторая играет роль регистратора частиц отдачи, вылетающих из первой. Пучок не портит вторую мишень (она в стороне), а первая не портит пучок. Пучок проходит через мишень десятки тысяч раз. Во столько же раз возрастает статистика! Идея оказалась настолько проста, что… «Сначала об этом и слушать не хотели. Потом начали склоняться к тому, что «в этом что-то есть». Когда всё получилось, идея стала казаться очевидной».
Но прежде чем приступать к разработке метода, а технических трудностей пришлось преодолеть немало, надо было заручиться поддержкой начальства. То есть, директора Лаборатории. То есть, Владимира Иосифовича Векслера. Молодые люди направились к нему не без опаски, по опыту зная, что предстоит испытание посерьёзнее любого экзамена. Владимир Иосифович был учитель своеобразный, напоминал Её Величество Историю, которая, по Ключевскому, ничему не учит, а только сурово спрашивает за невыученный урок. Первой реакцией могло быть: что за чепуха? И тогда сокровенные мысли, изложенные на бумаге, полетели бы в корзину. Никитин однажды наблюдал такую картину собственными глазами. Люди со слабой нервной системой после этого к Векслеру уже не приходили. А те, что покрепче, доставали смятые листы, расправляли их и на следующий день, как ни в чём не бывало, появлялись с новым вариантом. Подумали? Подумали. Тогда переходим к делу… Тут Векслер быстро возбуждался — «он был отменный спорщик!» — и бумажный ком снова летел в корзину. А на третий раз звучала чудесная фраза: «Что же вы сразу мне это не сказали?». Но бывало и так, что следовал вердикт: «Я запрещаю вам этим заниматься!». И обжалованию это уже не подлежало.
Векслер оценил идею сразу. Его не надо было агитировать за принцип автофазировки — он сам догадался до него в феврале 1944 году, стоя в бесконечной очереди за хлебом. Что, кстати, и сделало революцию в ускорительной техники, в результате которой ускорители стали расти как на дрожжах. На Учёном совете Векслер объявил о создании группы по разработке метода тонкой внутренней мишени. Группу возглавил Свиридов, и помимо Никитина в неё вошла Мария Георгиевна Шафранова, «следопыт микромира», как окрестил её один московский журналист из газеты «Правда».
Тогда много писали о победах в советской физике, и это не пустые слова, победы действительно были, и главная победа 1960 года — это антисигма-минус гиперон (тогда античастицы ещё были в новинку), открытый большим интернациональным коллективом исследователей. Среди авторов открытия мелькнула фамилия Никитин — но это был однофамилец Владимира Алексеевича, его однокурсник, и тоже с кафедры ускорителей. А Владимиру Алексеевичу до открытия оставалось ещё два с лишним года. И Марии Георгиевне тоже, и Свиридову, конечно, и ещё трём будущим соавторам, потому что только теоретики могут делать открытия в одиночку (и то не всегда). Это не значит, конечно, что молодые люди день и ночь только работали. Нет, они были молоды и находили время для развлечений, сил было невпроворот. Центром развлечений тогда был Дом учёных. Теперь о нём как-то забыли, даже в институтской среде, а в старые добрые времена (старые времена всегда добрые, таково свойство памяти) там танцевали до четырёх утра. И твист, кстати, научились танцевать раньше москвичей, спасибо коллегам из стран народной демократии.
И всё-таки на первом месте была работа, большую часть времени проводили там, только что не спали, тогда это было нормально. В одном из таких рабочих состояний Свиридова застал Бор. Случилось это так. В архиве ОИЯИ есть фотография, на которой молодой физик Владимир Никитин пожимает руку знаменитой госпоже Ву. А вот как Виктор Свиридов обменивается рукопожатием с Нильсом Бором — этого в архиве нет. Этого никто не снял. А это было, Мария Георгиевна тому свидетелем. В молодости Мария Георгиевна была похожа на актрису Румянцеву в фильме «Девчата», попала в поле зрения писательницы Галины Николаевны, которая приезжала в Дубну в 1962 году в поисках материала для романа о физиках; она искала прообраз молодой женщины-физика, современной Марии Кюри. По темпераменту Мария Георгиевна и сейчас такая, но время идёт, и приходится переходить на другие роли. Я как-то заметил, что она могла бы сыграть мисс Марпл, не хуже Алисы Фрейндлих. Мария Георгиевна хитро улыбнулась (приняв это как лесть, но не отвергнув) и ответила:
— Не знаю, какая из меня актриса, но я действительно умею замечать мелочи, которые потом оказываются важными.
Вот одна из таких мелочей: дверь распахнулась, и Мария Георгиевна увидела рядом с Векслером… Нильса Бора! В то время Дубна была избалована визитами: генеральный секретарь ООН Даг Хаммершельд, премьер-министр Великобритании Гарольд Макмиллан, лидер арабской революции Абдель Насер, американский писатель Митчелл Уилсон… Но автор квантовой теории атома — это совсем другое дело!
Пока великий Бор пробирался по лабиринтам Лаборатории высоких энергий, Свиридов сидел внутри пи-мезонного канала, помогая коллеге Струнову складывать радиационную защиту из свинцовых кирпичей. Физика не храм, а мастерская, и человек в ней работник, сказал бы здесь Евгений Базаров, и Свиридов придерживался того же мнения. На призыв: «Ребята, Бор!» — он отозвался не сразу: «Ходят тут Боры всякие». Но всё-таки выбрался наружу. Перед ним стоял классик современного естествознания. Свиридов было тридцать, Бору под восемьдесят. Физики двух поколений с интересом рассматривали друг друга.
— Это наша молодёжь, — сказал Векслер.
Бор первым протянул руку. Рукопожатие состоялось. Через одного человека Свиридов пожимал руку великому множеству великих людей мира…
К 1962 году метод тонкой внутренней мишени воплотился в работающую аппаратуру. О том, что мерить, вопрос не стоял. Все оставались под впечатлением экспериментов Хофштадтера, открывшего на электронном ускорителе в Стэнфорде электромагнитную структуру протона. А ядерная структура протона оставалась неизвестной, и это открывало простор для исследований.
Не один популяризатор сломал перо, пытаясь в популярной форме изложить результаты эксперимента, названного потом «экспериментом года». Одни сводили всё к упругому и неупругому рассеянию протонов, другие говорили о дифракции частиц, третьи звали читателя на комплексную плоскость и толковали о мнимой и действительной части амплитуды рассеяния, подводя к «интерференции» кулоновского и ядерного взаимодействия. Но… Практика показала: дальше популяризатору дороги нет. К счастью, главное понятно и так: результаты эксперимента вошли в противоречие с предсказаниями теоретиков, а это верный признак открытия.
Результаты докладывались на конференции в Женеве, а через полгода были подтверждены на ускорителях в Женеве и Брукхейвене. Правда, никто из авторов в Женеву не поехал: за границу тогда отпускали неохотно. Надо было сначала сделать себе имя в научном мире, или хотя бы получить учёную степень, а никто из молодых людей тогда ещё остепенён не был.
Как говорится, от призвания к признанию, а что дальше? Очевидно, садиться за диссертации! Но… родилась новая увлекательная идея: замерить полиэтиленовую мишени сверхзвуковой струёй водорода. Реализовали затею, по алфавиту: Л. С. Золин, В. А. Никитин и Ю. К. Пилипенко. Это был рискованный шаг. Это означало балансировать на грани разгерметизации ускорителя. Дубненский синхрофазотрон тут не годился, нужен был ускоритель с жёсткой фокусировкой. Такой ускоритель был в Серпухове: 70 ГэВ, полтора километра в периметре — очередной гигант в популяции ускорителей.
Это был коллективный труд – подготовка к эксперименту: КБ, отдел главного энергетика, транспортный отдел, вакуумная группа, криогенный отдел – все работали на подготовку серпуховского эксперимента. Мишень создавалась группой Ю. К. Пилипенко. Ключевой вопрос: как обеспечить быструю откачку водорода, впрыснутого в вакуумную камеру? Начали с нуля. Отрабатывали варианты решений. Постепенно прорисовывалась конструкция…
Когда всё было готово, возник вопрос: как везти? Разбирать, а на месте снова настраивать? Впустую уйдёт много времени, Решили гениально просто: повезём так! Нашли автобус, вытащили всё из салона и разместили в нём аппаратуру. Автобус благополучно добрался до Серпухова (точнее, до Протвино), въехал прямо в измерительный павильон, и оставалось только подключить кабели — аппаратура заработала!
Это был один из первых в Советском Союзе эксперимент в режиме он-лайн: данные тут же, с пылу, с жару, подавались на БЭСМ-3М: вечером начинался сеанс, а утром уже были готовы обработанные результаты.
И вот группа Никитина оседлала серпуховской синхротрон. Снимал Юрий Туманов. Стояла задача № 1: экспериментально проверить, опровергнуть или подтвердить, предсказания теории при высоких энергиях. Результат: было зарегистрировано около 10 млн. событий упругого рассеяния протонов на протонах. Построены угловые распределения в дифракционной области. Нашлось кое-что и для теории. «Мезонная шуба» протона, о которой тогда так много говорили, оказалась неотделима от самого протона, его структурным элементом: сбрось протон свою «шубу» – и от него не останется ничего. Физики всего мира с нетерпением ждали публикации результатов. Пишите, можно без перевода! Никитин (тот Никитин, который жил в то время и писал об этом) сказал, что мы переживаем драматический этап в познания природы. Сколько таких драматических этапов было! Но этот этап был особый. С высоты прошедших лет это нетрудно понять. Физика была на подходе к экспериментальному открытию кварков. Это было предчувствие научной революции.
И снова были опровергнуты предсказания теоретиков. И снова открытие. Автобус с аппаратурой вернулся домой, готовый к новым экспериментам. Через год на конференции по физике высоких энергий появление Никитина на трибуне было встречено дружными аплодисментами, а результаты, полученные на серпуховском ускорителе, стали одним из «гвоздей» программы — это был маленький триумф, о котором написали в институтской газете.
Между тем метод сверхзвуковой газовой мишени продолжал победоносное шествие по миру. В 1972 году пала Батавия. Там, в Национальном ядерном центре, был приведён в действие ещё один атомный гигант, на 200 ГэВ — физика высоких энергий продолжала идти вперёд. Вместе с методом впервые за границу отправились его авторы. Группу возглавил Никитин. Международная обстановка тогда благоприятствовала таким контактам: начиналась очередная оттепель в советско-американских отношениях, в воздухе пахло «разрядкой». Но добравшись до Батавии, а это путь не близкий, Владимир Алексеевич узнал, что дубненский проект отклонён как слишком рискованный. Директору Лаборатории Роберту Вильсону оставалось только развести руками. Извините, что не успели предупредить. Что оставалось Никитину? У него тоже выбор был невелик. Но дальше произошло то, что в марксизме называют ролью личности в истории. Владимир Алексеевич — человек деликатный, от него не услышишь слова «нет», но когда доходит до принципов, мало кому удаётся устоять под силой его убеждений. Как это было в деталях, пусть об этом напишут будущие романисты. Важен результат. Вильсон подумал: в этом русском что-то есть. Надо дать ему шанс… И шанс был дан. Полтора года дубненская группа работала в Батавии, с этого эксперимента началась работа на новом американском ускорителе. Неординарное событие по тем временам, общий вклад Дубны и Батавии в разрядку международных отношений.
А вот Марию Георгиевну в Америку не пустили. Чиновников из госкомитета по атомной энергии убедить не удалось. Аргумент: «Ваш муж сейчас находится в Женеве». Мария Георгиевна возразила: ну и что? Он же там не просто так, а в научной командировке! Да и я не отдыхать еду. Владимир Алексеевич сказал: я без Шафрановой не поеду. Но Мария Георгиевна его уговорила, и он всё-таки поехал. Дело есть дело. И Свиридов не поехал. Он к тому времени перешёл работать в другую организацию и занимался другой тематикой. Почему? Пришёл новый директор. Прежний сделал его начальником отдела, новый сделал его начальником сектора.
Прошли годы, изменилась физическая картина мира. Есть в этой новой картине и дубненский вклад. Открытия, сделанные в Дубне и Серпухове, вошли в Государственный реестр открытий СССР. Метод сверхзвуковой газовой мишени прошёл через все ведущие лаборатории мира и стал классикой физического эксперимента. Разработчики метода и авторы открытий удостоились Государственной премии. Владимир Алексеевич написал воспоминания «Первые обороты пучка». Мария Георгиевна подготовила биографический справочник ОИЯИ. Почему остались в стороне от открытия кварков? Метод на это не рассчитан. Он применим для малых углов рассеяния, а кварки были открыты при рассеянии назад. Кстати, в том же Стэнфорде и тоже на электронном ускорителе, только в 10 раз более мощном. У нас таких ускорителей не было. Бруно Понтекорво однажды заметил, что если бы физика высоких энергий в Советском Союзе не остановилась на 60-х годах, не была бы проиграна и холодная война…
История одного метода и двух открытий подходит к концу. Последуем примеру Владимира Алексеевича — закончим её мощным оптимистическим аккордом. В XXI веке, в первой половине 2000-х он снова посетил Фермилаб, последуем и мы за ним. …Он увидел то же 15-этажное здание необычной формы, спроектированное первым директором Робертом Вильсоном, архитектором по второй специальности, и тот же зимний сад находился в его основании. Он увидел те же матрёшки со знакомыми лицами. Их рисовали с наших жён! Да, да, профессор Никитин, мы вас, конечно, знаем! А что вы здесь делаете? Да вот, хочу предложить продолжить исследование дифракции частиц… Как? Разве вы не ищете хиггс-бозон? Нет, совсем нет. Тогда вам здесь делать нечего!