К 200-летию Российско-Американских дипломатических отношений

В конце 1807 года между Россией и США в ходе длительных переговоров, продолжавшихся с августа по декабрь, было достигнуто соглашение об установлении дипломатических отношений.

Этому событию предшествовал период географических открытий, узнавания нового края, людей, которые его населяли. 25 ноября 1750 года в газете "Санкт-Петербургские ведомости" впервые в России было дано географическое и историческое описание Северной Америки и ее населения. Еще через пятнадцать лет американский ученый Э. Стайлс направил через Б. Франклина М.В. Ломоносову письмо, положившее начало научным контактам между американскими и российскими учеными. А еще через год  Б. Франклин направил письмо Ф. Эпинусу с высокой оценкой трактата по теории электричества и магнетизма, положив начало практическому обмену научными трудами между учеными России и Америки. В 1782 году впервые членом Американской академии искусств и наук был избран российский ученый-физик Леонард Эйлер. В сентябре1789 года избрана почетным членом Американского философского общества Екатерина Романовна Дашкова, а 2 ноября того же года впервые членом Российской Академии наук и художеств избирается американский ученый и общественно-политический деятель Бенджамин Франклин.

С 1807 года взаимоотношения между нашими странами развивались уже на государственном уровне. В период советской России они носили соревновательный характер, и особенно это проявлялось в области развития ядерной физики и освоения космоса. С ликвидацией «железного занавеса» взаимоотношения становятся более свободными и открытыми, в том числе и в области науки. О современных научных российско-американских контактах на примере Санкт-Петербургского института ядерной физики рассказывает Директор Отделения физики высоких энергий ПИЯФ РАН член-корреспондент РАН Алексей Алексеевич Воробьев.

Современные фундаментальные исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц характеризуются высокой степенью международной интеграции. В большой мере этому процессу способствует огромная стоимость современных исследовательских установок (ускорителей частиц и ядерных реакторов), составляющая сотни миллионов и даже миллиарды долларов. В этих условиях естественным путем развития фундаментальных исследований является совместное использование учеными всех стран крупных исследовательских установок, создаваемых в отдельных странах или в международных центрах.

Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ) – это один из крупнейших научных центров Российской Академии наук. В институте трудятся более 1500 инженеров и научных работников, в том числе 65 докторов наук и 275 кандидатов наук. Основными направлениями исследований являются фундаментальные исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц, физики твердого тела и микробиологии. Базовыми экспериментальными установками ПИЯФ являются ускоритель протонов - синхроциклотрон на энергию 1000 МэВ и исследовательский ядерный реактор мощностью 18 МВт. Кроме того, в  ПИЯФ ведется сооружение ядерного реактора ПИК  мощностью 100 МВт. По своим параметрам этот реактор сравним с  реактором интернационального центра в Гренобле (Франция), являющимся в настоящее время лучшим исследовательским реактором в мире.

Фундаментальные исследования в ПИЯФ уже в течение многих лет ведутся на основе широкого международного сотрудничества. С одной стороны, в экспериментах на ускорителе и реакторе ПИЯФ принимают участие исследовательские группы из Франции, Германии, США, Швеции, Италии, Японии. С другой стороны, ученые ПИЯФ ведут исследования в ведущих зарубежных исследовательских центрах Европы и США.

Ст. научный сотрудник ПИЯФ И.В. Лопатин (слева) и профессор Майкл Садлер из (США, Abeline Christian university) в эксперименте на пи-мезонном канале синхроциклотрона ПИЯФ.	Профессор ПИЯФ С.П. Круглов (слева) и профессор Калифорнийского Университета США Б.М.К.Нефкинс ( справа) с группой американских аспирантов перед главным физическим корпусом ПИЯФ.

В 1973 году Президент США Р. Никсон и Л.И. Брежнев подписали Соглашение СССР-США о научно-техническом сотрудничестве в области мирного использования атомной энергии Одним из пунктов этого договора было Соглашение о научно-техническом сотрудничестве СССР и США по изучению фундаментальных свойств материи. Практическая деятельность в рамках этого Соглашения контролировалась Совместной Комиссией, в состав которой входили директора ведущих научных центров СССР и США, в том числе директор Петербургского института ядерной физики. Начиная с 1975 года, в течение 25 лет Комиссия проводила ежегодные сессии поочередно в США и в СССР. Трижды, в 1985, в 1991 и в 2000 годах сессия проводилась в Ленинграде. На этих сессиях докладывались результаты совместных научных исследований утверждались планы на следующий период. Это Соглашение сыграло исключительно важную роль в установлении делового сотрудничества ученых наших стран. Научное сотрудничество ПИЯФ РАН с американскими научными центрами проводится в настоящее время по четырем основным направлениям.

               -   Участие американских ученых в экспериментах на протонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ в Гатчине.

               -  Проведение совместных экспериментов на ускорителе «Тэватрон» Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми в городе Батавия США.

                 - Проведение совместных экспериментов на встречных пучках тяжелых ионов ускорителя-«коллайдера» в Брукхэвенской национальной лаборатории БНЛ США.

                -  Подготовка совместно с американскими учеными эксперимента  на самом большом в мире «Большом адронном коллайдере» LHC в международном научном центре ЦЕРН в Женеве (Швейцария).

	1984 год. Сессия Совместной Комиссии в Батавии (ФНАЛ, США). У доски со-председатели Комиссии: директор Института экспериментальной и теоретической физики И.В.Чувило и заместитель директора Департамента энергии США по физике высоких энергий и ядерной физике Дж.Е. Лейс .Выступает директор ФНАЛ Леон Ледерман.
	2000 год. Сессия Совместной Комиссии в Гатчине (ПИЯФ). Протокол подписывают со-председатели Комиссии: заместитель министра атомной энергии Л.Д. Рябев и заместитель директора Департамента энергии США по физике высоких энергий и ядерной физике П. Розен.

Синхроциклотрон ПИЯФ, самый большой в мире из ускорителей этого типа  имеет разветвленную сеть пучков различных частиц. Помимо выведенного  пучка протонов с энергией 1000 МэВ, имеются также пи-мезонные, мюонные  и нейтронные пучки. Кроме того, имеется уникальный медицинский тракт, используемый для протонной терапии. Синхроциклотрон ПИЯФ позволяет проводить широкую программу совместных научных экспериментов по различным направлениям фундаментальных и прикладных исследований.

 Особое место в исследовательской программе ПИЯФ занимает сотрудничество с Национальной ускорительной лабораторией им. Э.Ферми (ФНАЛ). В 1983 году во ФНАЛ был сооружен ускоритель протонов на энергию 1000 ГэВ, получивший название Тэватрон (1 ТэВ = 1000 ГэВ, 1 ГэВ = 1000 МэВ). Еще и сегодня Тэватрон является крупнейшим ускорительным комплексом в мире. Он может работать как в режиме выведенного протонного пучка, так и в режиме сталкивающихся (протонного и антипротонного) пучков. 

С запуском Тэватрона исследователи получили мощный инструмент для изучения природы элементарных частиц. И действительно, эти исследования привели к целому ряду замечательных открытий, таких как открытие самого тяжелого “кирпичика“ материи (t-кварка), масса которого почти в 200 раз больше массы протона.  

Национальная ускорительная лаборатория им. Э.Ферми.

 Первый совместный эксперимент с участием ПИЯФ (эксперимент E715) был проведен в 1983-1984 годы сразу после запуска Тэватрона. Эксперимент был посвящен решению широко обсуждавшейся в то время проблемы бета-распада сигма-гиперонов. (Гипероны - это частицы, аналогичные протону. Как и протоны, гипероны состоят из трех кварков. В отличие от протона, который состоит из  трех легких кварков, в состав гиперонов входят более тяжелые s-кварки. Гипероны – нестабильные частицы с очень малым временем жизни). Проблема заключалась в том, что имевшиеся экспериментальные данные резко противоречили предсказаниям теории.

Проект эксперимента был предложен группой ПИЯФ. Он был основан на использовании разработанного в ПИЯФ детектора электронов высокой энергии (детектор  переходного излучения), позволяющего четко выделить нужный канал  распада сигма-гиперона. Эксперимент выполнялся на гиперонном канале Тэватрона с уникальными по интенсивности потоками поляризованных гиперонов. Эксперимент завершился успешно. Полученные прецизионные данные оказались в отличном согласии с теоретическими предсказаниями.

Участники эксперимента E715 после окончания измерений. Помимо ПИЯФ и ФНАЛ в эксперименте приняли участие ученые из трех американских университетов: University of Chicago, University of Iowa, Yale University.

Результаты эксперимента E715 были высоко оценены в научных кругах. В частности, приведенный здесь снимок взят из экспрессного сообщения в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) с заголовком: “ Загадка бета-распада гиперонов решена”. А вот как директор ФНАЛ Нобелевский лауреат Леон Ледерман оценил эту работу в письме на имя Вице-Президента АН СССР  Е.П. Велихова.

Дорогой Академик Велихов,

 Я хотел  бы сообщить Вам  о некоторых очень положительных  аспектах в отношениях США-СССР.  Речь идет о  научном сотрудничестве между Ленинградским институтом  ядерной физики и  нашей лабораторией в исследовании бета-распада сигма-минус  гиперона (эксперимент E715). Сейчас, когда набор статистики успешно завершен, я хотел бы поблагодарить Вас и  Академию наук за  поддержку этих усилий.  Этот эксперимент явился выдающимся  примером в сотрудничестве  между нашими странами в области физики элементарных частиц. Детектор переходного излучения, сконструированный в Ленинградском институте ядерной физики, играл решающую роль в эксперименте, и работал он превосходно. Можно поздравить ленинградских физиков, руководимых профессором А. Воробьевым, спроектировавших и изготовивших такой детектор, а также сыгравших определяющую роль в ходе эксперимента. Пожалуйста, передайте мою признательность всем, кто сделал этот эксперимент возможным.

С уважением  Леон Ледерман Директор ФНАЛ 23 февраля 1984 г.

Январь 1987 года. Директор ФНАЛ Леон Ледерман обсуждает с участниками коллаборации E761 проект эксперимента. Официальным руководителем этого эксперимента (spokesperson) был выбран А.А. Воробьев (ПИЯФ). Эксперимент E761 был успешно завершен в 1988 году.	Ноябрь 1990 года. Директор ФНАЛ Джон Пиплз и директор ПИЯФ А.А. Воробьев подписывают очередное Соглашение ПИЯФ-ФНАЛ о сотрудничестве на следующие 5 лет. В этот период был выполнен новый эксперимент Е781.

 Успешное завершение эксперимента E715 заложило прочную основу дальнейшего сотрудничества ПИЯФ с ФНАЛ, продолжающегося вот уже более двадцати лет. За это время были выполнены еще два эксперимента на гиперонном канале Тэватрона (E761 и E781), а также эксперимент E853 по выводу протонного пучка из Тэватрона с помощью каналирования протонов в изогнутом кристалле. Начиная с 1997 года, ПИЯФ принимает участие в коллайдерном эксперименте (эксперименте D0). В этих экспериментах получено много важных научных результатов.

 С 1997 года ПИЯФ участвует в коллайдерном эксперименте под названием «Д0». Для этого эксперимента ПИЯФ разработал и  изготовил систему считывания информации  с 50000 каналов мюонной системы. В этих исследованиях, ведущихся при самых высоких на сегодня ускорительных  энергиях, получено много выдающихся результатов. Один из последних результатов 2007  года - это обнаружение новой частицы Кси-бариона, состоящей из d-кварка, s-кварка и b- кварка. Эта частица в шесть раз тяжелее протона.

 Сотрудничество с Брукхэвенской Национальной лабораторией (БНЛ, США) является еще одним важным направлением в научной программе ПИЯФ.

В июне 2000 года в БНЛ начал работать уникальный ускоритель-коллайдер тяжелых ядер RHIC. Этот ускоритель позволяет впервые исследовать столкновения ускоренных до релятивистских энергий ядер с огромным выделением энергии. Ожидается, что в этих условиях может образоваться новая форма материи - из кварков и глюонов,  которая, возможно, была в момент рождения Вселенной. 

 Для проведения исследований на этом коллайдере были созданы два детектора - PHENIX и STAR. ПИЯФ принимает участие в эксперименте PHENIX. Для этого эксперимента в ПИЯФ была разработана и изготовлена одна из основных систем установки PHENIX - центральный трековый детектор. Ученые ПИЯФ активно участвуют в проведении эксперимента и в анализе полученных данных.

Детектор PHENIX перед сборкой. На переднем плане - центральный трековый детектор (изготовлен в ПИЯФ). На заднем плане - магнит установки PHENIX (изготовлен на Ижорском заводе в С.-Петербурге).

 
В настоящее время в эксперименте PHENIX продолжаются измерения и анализ полученных экспериментальных данных.  Эти данные свидетельствуют о возможном первом наблюдении новой формы материи (кварк-глюонной жидкости). Новые данные должны подтвердить этот фундаментальный результат и помочь в изучении  этой необычной формы материи.

Новый этап в изучении мира элементарных частиц (а вместе с тем природы Вселенной) ожидается с созданием ускорителей сверхвысоких энергий. Создание таких дорогостоящих ускорителей становится возможным только объединенными усилиями многих стран. В настоящее время в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) завершается сооружение самого большого ускорителя – коллайдера протонов на энергию 7 ТэВ + 7 ТэВ.  Этот проект получил название LHC (Большой адронный коллайдер). Для проведения исследований на этом ускорителе создается четыре грандиозных детектора общей стоимостью около двух миллиардов долларов. 

Момент спуска в подземный зал CMS одного из шести железных дисков с установленными на них мюонными камерами. Вес диска около 2000 тонн.

ПИЯФ принимает участие в создании этих детекторов. При этом в ряде проектов ПИЯФ выступает совместно с американскими группами, используя многолетний опыт сотрудничества с этими группами в предыдущих экспериментах. Характерным в этом отношении является создание Торцевой Мюонной Системы  для детектора CMS. Эта система была разработана совместно учеными ПИЯФ, ФНАЛ, университета штата Флорида, а также учеными из нескольких других американских университетов. Стоимость Мюонной Системы около 50 миллионов долларов. Основным элементом системы являются мюонные камеры, расположенные на шести железных дисках диаметром 14 метров. Всего система содержит 648 мюонных камер общей площадью около 1000 кв. метров. В ПИЯФ было изготовлено 120 мюонных камер, а также различная аппаратура, разработанная на основе современной микроэлектроники.

В настоящее время изготовление всех систем детектора CMS завершено. Ведется монтаж всей установки в подземном экспериментальном зале и подготовка к началу измерений. Пуск ускорителя LHC намечен на середину 2008 года. Научный мир с нетерпением ожидает результатов этих экспериментов.