Как Дармштадт стал центром физики тяжелых ионов

 

GSI обязан своим существованием двум обстоятельствам: развитию новых типов ускорителей и "кампании" физиков из Гесса по созданию объединенного центра университетских исследований. Результатом стал международный исследовательский центр, в котором сегодня работают более 1000 ученых как из германских, так и иностранных университетов и исследовательских институтов. Сегодня здесь имеют дело со всеми фундаментальными вопросами, так же как и в течение предыдущих 25 лет.

 

GSI (Gessellschaft fur Schwerionenforschung, что в переводе означает "Общество исследований тяжелых ионов") в Дармштадте - германский национальный центр физики тяжелых ионов - обязан своим существованием двум обстоятельствам. Хотя они независимы друг от друга, оба они обладают ключевой важностью в том, что GSI является тем, что он есть. Одно из этих обстоятельств - это появление нового типа ускорителя. Второе - это изменения в философии университетов, выразившееся в появлении интереса к созданию центральной лаборатории для продвижения физических исследований.

В 1966 году лекторы Гессенского университета создали группу по изучению ядерной физики, которая называлась "Kernphysikaliche Arbeitsgemeinschaft Hessen" (КАН) с целью создания общей ускорительной лаборатории для физических институтов Гессенского университета. Будучи вдохновлены старой идеей объединения исследований и преподавания, они намеревались сделать так, чтобы лаборатория занималась как квалифицированными исследованиями, так и обучением студентов в соответствии с новой концепцией. В результате обычной практики - "каждому институту свой ускоритель" - в ФРГ с середины 1950-х годов было сконструировано около 20 малых и средних ускорителей - тандемов, циклотронов, генераторов Ван-дер-Граафа и линейных ускорителей электронов. Однако в то время планировалось еще более расширить это многообразие, построив новые ускрители в Марбурге и Франкфурте. Принимая этот вызов, Вильгельм Вальцер, Эрвин Шоппер и Петер Брикс решили отложить в сторону свои собственные местные интересы и совершили рискованный шаг - бороться за создание объединенного центра со значительно более мощным ускорителем.

На старте этого проекта было необходимо договориться и принять основную область исследований. В результате дискуссий выкристаллизовались два направления исследований: физика тяжелых ионов с низкими энергиями или, наоборот, физика средних энергий, т.е. изучение элементарных процессов при сравнительно высоких энергиях. Выбор был сделан вслед за выбором ускорителя, который был представлен в меморандуме 1966 года. С начала 1960-х годов ловцы тяжелых ионов пользовались тандем-ускорителм в институте ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге. Кроме того, после назначения Рудольфа Бока в Марбург в 1965 году, эта область исследований также нашла свой путь в КАН, в результате чего совместно с Франкфуртской теоретической группой, основанной Вальтером Грейнером был сформирован хорошо оснащенный исследовательскй потенциал в области физики тяжелых ионов.

 

***

 

В дополнение, соседние университеты развивали эксперименты и оборудование, имеющие отношение к физике тяжелых ионов: массовые сепараторы в Гессене и Марбурге, детекторы во Франкфурте, Гейдельберге и Марбурге, а также химическое оборудование в Дармштадте, Майнце и Марбурге. Всё это развитие помогало дать более насыщенную структуру научной программы, делая таким образом физику тяжелых ионов общепринятой научной целью нового центра на самом раннем этапе.

Другой краеугольный камень GSI - развитие ускорителей - был заложен несколько позже. Христоф Шмельцер, который в то время работал в Женеве на протонном синхротроне ЦЕРНА, рассматривал идею о линейных ускорителях ионов вплоть до урана. Шмельцер сильно опережал своё время: в те дни даже углерод и кислород рассматривались как "тяжелые". После своего назначения в университет Гейдельберга, Шмельцер занимался  совершенствованием этого типа ускорителей. Его UNILAC (UNIversal Linear ACcelerator - универсальный линейный ускоритель) должен был стать высокочастотным ускорителем широкого диапазона энергий, способным ускорять ионы всех элементов до энергий, превышающих кулоновский барьер. При том, что "мир ускорителеей" в то время состоял из (внеполочных) "off-the-shels" тандемов и циклотронов, это было большим риском.

Работы по развитию UNILAC шли по пути, разработанному исследовательской группой Гейдельбергского университета. Эта группа, с 1963 года размещавшаяся на территории института имени Макса Планка, была основана федеральным министерством научных исследований. Их работа включаля в себя создание высокочастотных структур, ионных источников и других новых технологий. При проведении экспериментов использвался институтский тандем-ускоритель - это позволило определить параметры, необходимые для конструирования UNILAC: поперечное сечение обмена зарядами ионов и распределение зарядов после прохождения ионов через фольгу или газ.

Тем Временем Христоф Шмельцер, достиг успеха с проектом КАН в 1967 году и быстро было достингуто согласие, что ускоритель, который надо строить - это должен быть UNILAC  - факт, документально подтвержденный вторым меморандумом от июля 1968 года. Кроме того, предприятия стало масштабно расти, интегрируя в себя внешние учреждения. КАН, первоначально находившийся в федеральной земле Гесс, с тех пор расширился на Гейдельберг и Майнц, в то время как внутри проекта быстро расла роль основного учреждения, расположенного в Гессе. Теперь ставилась задача добться, чтобы федералное правительство стало спонсором лабораторий Гесса. Другими словами, проект становился главным исследовательским центром - подобно Германскому электронному синхротрону (DESY), который был введен в строй в Гамбурге в 1959 году.

Если смотреть с точки зрения кадров, проект первоначально насчитаывал 330 человек персонала. Они были необходимы для управления ускорителем и обеспечения технической поддержки научного оборудования, при одновременном доведении до логического завершения вышеупомянутых исследований. Большая часть иследований, примерно две трети, проводились персоналом университета, формировавшимся преимущественно из числа бывших студентов. Что же касается места, то по ряду причины было предоставлено заброшенная территория к северу от Дармштадта с влажным дубовым лесом.

Дальнейшее развитие произошло летом 1968 года, когда ядерный исследовательский центр в Карлсруэ (KFA) сделал сюрприз, оказав большую помощь в конструировании UNILAC. Проект интересовал их в первую очередь с точки зрения развития ускрителя, но и с точки зрения условий для работы. Говорили, что в Большом ядерном исследовательстком центре нужно совершить изменения, чтобы сделать обстановку более дружелюбной: обеспечитьсвободный доступ для студентов и автономия внешних структур, убрать ограду изх колючей проволоки, паспортный контроль и внести эти критерии в "типовой проект" администрации. Наконец, сотрудники Гесса составили оформленный список требований для формирования GSI.

Эта точка зрения была принята во внимание исходя и из дпругих важных соображений. Оба лагеря одинаково embroiled о новой, совершенно оригинальной концепции ускорителя, включавшей в себя гелиевые  резонаторы, разработанные в университете Франкфурта. Ни к чему не пришедшие дебаты "резонаторы против традиционной структуры ускорителей" продолжались в GSI в течение некоторого времени после их появления.

Без активного вмешательства властей замли Гесс новый центр не смог бы материализоваться в первоначально задуманном виде. Гесс подготовил, например, чрезвычайные фонды, необходимые для того, чтобы покрыть разницу в стоимости между новым местонахождением и дешевым обеспечением Карлсруэ. Тогда как домашние власти обеспечивали обычно только 10% финансового наполения фонда главного исследовательского центра, земля Гесс покрывала 20% стоимости во время периода строительства. Иными словами, вложения правительства составляли не 90%, а только 80%.

GSI был конституирован под своим нынешним названием 17 декабря 1969 года в виде компании с ограниченной отвестственностью (Gesselshaft fur Schwerionenforschung mbH) и статус главного исследовательского центра от федерального правительства и властей земли Гесс. Исследовательскй центр было возгалвлен коллегиальным органом из 5 человек - Научным Директоратом. Такая форма в целом удовлетворяла как научным задачам, так и задачам  высшего образования.

Наконец, в 1971 году, после ряда специальных собраний и консультативных бесед, в качестве основной модели ускорителя был избран UNILAC. Так вопрос с ускорителем был наконец решен. Внешние строительные работы и координация проекта оказались в руках GSI. Кроме того, благодаря предварительной работе, проведенной в Гейдельберге, началась работа по заказу оборудования.

 

***

Сохранив в целом идею основателей о близости к университетским интересам, университетская группа занялась подготовкой экспериментов, исходя из планов дальнейшего развития. Также был установлен новый тип фундаментальной модели, известной впоследствии как модель GSI. Она включала в себя бюджетную помощь, необходимую для развития методов и оборудования, и финансовый персонал. Этот пункт бюджета превоначально составил более чем 70% изысканных внутренних источников и еще около 30% имеется в этих фондах на настоящий день.  Благодаря такому солидному финансированию университетская группа очень быстро смогла поставить на ноги широкую программу исследований, добившись эффекта.

Что касается исследований, то основной символической целью всегда был поиск сверхтяжелых элементов. Однако это никоим образом не исключало широкий спектр других профилирующих тем и исследовательских программ. Вопросы из области физики ядерных реакций,  структуры ядра, атомной физики, радиохимии притягивали интерес, обещая в дальнейшем принципиально новые применения. Более того, окружающие университеты демонстрировали заинтересованность в развитии и играли важную роль, способную конструированию и развитию первых 15 экспериментальных площадок.

В ноябре 1975 года, всего через 4 года после открытия института, сконструированный в нем UNILAC дал первый пучок ионов. Также была полностью укомплектована часть экспериментальной установки. Усовершенствования, которые надо было сделать, включали в себя систему охлаждения ускорителя, улучшение качества пучка и развитие источников, способных производить широкий спектр ионов. Этими усовершенствованиями команда ускорителя была занята в течение следующих пяти лет. Следует сказать, что на этом пути отмечено немало достижений. Например, в апреле 1976 года, через короткое время после пуска UNILAC были ускорены ионы урана - это важная веха в истории GSI.

Штат института, первоначально запланированный из 330 человек, впоследствии вырос до 450. Однако, это было слишком мало для значительной активзации работы новой лаборатории. К сожалению, финансировние со стороны федерального правительства достигло пределов своего роста - в дальнейшем инфраструктура GSI должна быть адекватна существующей. Это привело к появлению очень серьезных проблем, в частности, когда дошло до финансирования ускорительного факультета. Несмотря на эти недостатки, показался свет в конце тоннеля. Все растущее количество пользователей, положительные отзывы университетов, рост интереса к центру (даже за пределами ФРГ), были несомненным доказательством, что GSI сформировался как безусловный лидер тяжелоионных исследований.

В 1974 году GSI вступил в новый этап своей истории, который стал в и началом новой эры в ядерной физике, даже до того, как UNILAC дал свой первый поток ионов. Этот перелом был вызван желанием исследовать ядерную материю при высокой плотности и температуре и таким образом высянить астрономическое значение этого типа материи, связанного со вспышками сверхновых и с нейтронными звездами. Столкновения тяжелых ионов при высоких энергиях порождают большое количество интересных явлений, связанных с космическими исследованиями. Один из связанных с этим эффектов - так называемая "дельта-материя", или экзотические нуклиды. Возможные применения этих открытий в медицине или в исследовании материалов находится в стадии обсуждения.

Однако доминирующей темой в этих дискуссиях стало уравнение состояния атомных ядер, в частности, теоретически предсказанный фазовый переход в новое состояние атомных ядер - так называемую кварковую материю. Согласно нашим знаниям в этой области в настоящее время, можно достигнуть дальнейшего сжатия ядерной материи, если сталкивать атомные ядра с релятивистскими скоростями. Эта задача предполагает ускорение ядер до релятивистских энергий. В этой области энергий, которая в 100 раз превышает возможности UNILAC, ионы должны достигнуть скоростей, приближающихся к скорости света.

В это же самое время был построен аналогичный ускоритель тяжелых ионов BEVALAC в Лоуренсовской лаборатории в Беркли (LBL) в Калифорнии. BEVALAC является гибридным ускорителем. комбинирующим ионный ускоритель Super HILAC и старый бэватрон. Глядя в будущее, в GSI решили протянуть руку американским коллегам и принять участие в первых испытаниях этого проекта. К концу 1974 года объединенная группа GSI/LBL присутпила к экспериментам на BEVALAC.

 

На пути к высоким энергиям

В 1976 году GSI представил новые планы по освоению новых областей. Ключевым пунктом этих рекомендаций было конструирование тяжелоионного синхротрона (SIS), который достигал бы энергий до 1 ГэВ на нуклон, а UNILAC использовался бы в качестве инжектора. Тем временем, энтузиазм GSI и успешные эксперименты на BEVALAC показали цену этим планам: теперь стало ясно, что исслеования материи при максимальных плотностях и переход в кварковое состояние материи требует значительно больших энергий. Ускортельная группа GSI немедленно поставила задачу развивать алтернативные сценарии с учетом открывшейся ситуауии. В частности, сложность строительства и стоимость машины из двух колец по ускорению урана до энергии в 10 Гэв на нуклон недоступны на настоящй момент.

В 1978-1983 годах планы расширений подверглись существенным изменениям. Одной из основных дилемм в те годы была разница между требованями двух разных сообществ пользователей: инициаторы физики ядерной материи хотели увеличивать энергии, в то время как другая группа настаивала на увеличении интенсивностей при поддержании достигнутого уровня энергий. Решение этой дилеммы привело к окончательному разделению этих маршрутов.

Сценарий ЦЕРН с точк зрения своих принципов идеален для ускорения тяжелых ионов до больших энергий. В тот момент не существовало только подходящего инжектора, который подошел бы для таких экспериментов по физике элементарных частиц. После почти двух лет дискуссий и достаточно жестких переговоров с ЦЕРНом, был проложен путь к подключению ЦЕРН к физике тяжелых ионов. Соглашение об этом было окончательно достигнуто в августе 1983 году. GSI и LBL приняли совместное участие в создании инжектора для ускорения до релятивистских скоростей легких ионов типа кислорода или серы. Хотя этот шаг может восприниматься как скромный старт, он имел далеко идущие последствия: теперь для GSI был открыт путь к созданию собственной машины.

Затем возникла идея охлаждения пучков тяжелых ионов. С 1982 года в GSI было запланировано введение в строй небольшого охлаждающего кольца, названного SITAR.Идея была в проведении машинных экспериментов в сочетании с "Тяжелоионных пучков с использованием инерционного слияния" - исследовательской программы, которая была запущена в центре.. Хотя охлаждение ионных пучков было новинкой для того времени, атомные и ядерные физики быстро оценили возможности этого явления.

 

***

 

При новом научном директоре GSI, профессоре Пауле Кинле, стало возможным интергировать все эти аспекты в новые перспективные предложения, которые начали немедленно реализоываться, согласно соответственно расширяющейся исследовательской программе. То, что таким образом вступил в силу проект SIS/ESR, значительно облегчило работу комитетам и пользователям. После создания UNILAC это было вторым историческим рубежом для GSI.

С определенного момента исследование высоких энергий оказалось не нужным, оригинальная концепция нормального синхротрона с высоко повторяющейся скоростью и конечной энергией до 1,3 ГэВ на нуклон для урана была оказалась чрезмерной для ставившихся задач. Накопление и охлаждение тяжелых ионов стало ключом к новым открытиями. Кроме того, задача состояла в том, чтобы получить пучки с как можно большей интенсивностью. По этим причинам, новая концепция состояла в некотором увеличении интереса к физике ионной плазмы и в постановке цели исследования генерации экзотических ядер. Предложение нового проекта было высказано на комитетах в 1984 году и поддержано содержателем GSI - федеральным правительством и и властями земли Гесс - через год. Проект выполнялся согласно графику и был запущен в 1990 году.

За этот период исследовательский "пейзаж" GSI обогатился новыми темами для исследований и новыми поколениями экспериментальных средств. Количество пользователей возросло до более чем 1000 благодаря участию более чем 25 германских университетов и большого количества международных исследовательских лабораторий. Таким образом завязывались новые международные контакты. С количественной точки зрения отдел ускорителей GSI вырос более чем вдвое по сравнению с предыдущими временами, хотя раздувание персонала ограничивалось до минимального уровня.

 

***

 

В завершение этого проекта группа GSI в LBL по изучению высоких энергий сконцентрировала свое внимание на двух долговременных проектах совместно с ЦЕРН. Благодаря огромной иницативной силе многих работников GSI и помощи многих коллег открылись новые возможности для исследований - развитие, которое заставило бы пробудиться многие друге группы. Поиск кварк-гюонной плазмы остается, несомненно, доминирующей целью. Кроме этого, GSI плотно включился в конструирование большого инжектора в ЦЕРНе. "Свинцовый инжектор", как его часто называют, был официально запущен в 1994 году. С ноября 1994 года интенсивно используется экспериментальная программа с пучками ионов свинца на SPS. Это будет также обеспечивать базу для ускорения ионов свинца в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (LHC) - как только этот ускоритель, обеспечивающий высочайшие энергии частиц, вступит в строй. Это должно произойти в ближайшее десятилетие.

За прошедшие 25 лет исследований тяжелых ионов в GSI сменились 4 научных директора. За это время фундаментальных вопросов атомной и ядерной физики не стало меньше. Наоборот, еще много вопросов ожидает своего ответа. Релятивистская физика тяжелых ионов все в большей степени комбинирует свои интересы с ядерной физикой и физикой элементарных частиц. Кроме того, многие из изучаемых вопросов имеют место и в прикладных исследованиях. Физика тяжелых ионов стала междисциплинарной отраслью. И, несмотря на то, что налогичными вопросами занимаются и другие университеты и научные сообщества, GSI играя большую объединяющую роль, находится на переднем краю этой области науки.