Уровень исследовательских возможностей коллайдеров, синхротронов и других ускорителей частиц зависит от качества пучка. Чем меньше и плотнее пучок, тем лучше для физиков. Придумал, как сформировать пучок, основатель и первый директор ИЯФ СО РАН академик Г. И. Будкер. Метод электронного охлаждения стал сенсацией в ускорительной физике, когда в 1974 г. группа ученых Института достигла успеха и охладила протонный пучок, который сжался в тысячу раз. Международное физическое сообщество не поверило результатам: такими невероятными они казались. Но очень быстро системы электронного охлаждения (СЭО), или новосибирские кулеры, стали неотъемлемой частью ускорителей частиц по всему миру: Германия, Китай, Швейцария стали заказчиками высокотехнологичного научного оборудования, а США пригласили специалистов ИЯФ СО РАН для развития этого направления у себя. Один из современных строящихся объектов, где используются СЭО ИЯФ СО РАН, – проект ускорительного комплекса NICA Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна). В конце 2022 г. Институт поставил часть элементов СЭО на 2,5 миллиона вольт напряжения для основного кольца NICA. В начале 2023 г. очень эффективно начала работать СЭО инжекционного бустера NICA, также производства ИЯФ СО РАН.

Пучки электронов и позитронов в ускорителях остывают естественным образом. Двигаясь с ускорением, эти легкие частицы испускают электромагнитное (синхротронное) излучение,  которое, в свою очередь, забирает их энергию – таким образом происходит охлаждение и сжатие пучка. Охладить более тяжелые частицы, такие как протоны и ионы, таким же  образом в XX в. было технически невозможно – для этого энергия их движения должна была достичь 10¹² электронвольт. Академик Г.И. Будкер предложил, казалось бы, не менее  технически сложную идею. Суть метода электронного охлаждения заключалась в том, чтобы добавить к двигающемуся протонному пучку электронный. Двигаясь рядом почти с  одинаковыми скоростями, они начнут взаимодействовать, что приведет к перетеканию энергии от более горячего протонного пучка к более холодному электронному. Отдав энергию  электронному пучку, протонный охладится и произойдет его сжатие.

Идея, предложенная в 1960-м г, была реализована в 1974 г. коллективом ИЯФ СО РАН, в который вошли: Г. И. Будкер, А. Н. Скринский, Я. С. Дербенев, Н. С. Диканский, И. Н. Мешков, Д. В. Пестриков, Р. А. Салимов, Б. Н. Сухина и В.В. Пархомчук. Последний – Василий Васильевич Пархомчук – в свое время был удостоен американской премии Роберта Вильсона «За решающий вклад в доказательство принципа электронного охлаждения, за опережающий вклад в экспериментальное и теоретическое развитие электронного охлаждения и за достижение запланированных параметров работы электронных охладителей для ускорителей в научных лабораториях по всему миру». В 2023 г. ученый продолжает работать в области электронного охлаждения и получать заказы от коллег-ученых на производство СЭО.

– Василий Васильевич, расскажите, помните ли вы тот день, когда пучок впервые удалось охладить?

– Как сейчас помню, лет 60 назад, часа в три ночи, мы с Николаем Сергеевичем Диканским сидели в пультовой и маялись с пучком. Уже полгода сплошных мучений – то одно ломается, то другое… И вот очередная ночь – мы сидим охлаждаем пучок, а он гибнет. Не помню почему, но мы решили отключить ионный насос, который должен был создавать вакуум. Отключили и - о, чудо! - пучок охладился. Конечно, ночью мы не стали будить Андрея Михайловича, дождались утра. Очень быстро наш результат стал известен российским и иностранным коллегам, потому что в то время в Протвино проходило международное совещание. И когда среди участников прошел слух, что в ИЯФе научились охлаждать тяжелые ионы, все хором запросились в Новосибирск смотреть на наше чудо охлаждения.

 – На каких ускорительных установках в России и мире стоят системы электронного охлаждения ИЯФ СО РАН?

– В свое время наш Институт создал системы электронного охлаждения для синхротрона Института тяжелых ионов (GSI, Германия) – это был наш первый заказ. Новосибирские СЭО есть на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Швейцария), в Институте современной физики (IMP, Китай), на синхротроне COSY (Германия), в Японии и США. Мы активно участвуем в российском проекте ускорительного комплекса NICA (ОИЯИ, Дубна), на котором наши коллеги будут изучать взаимодействия между кварками и глюонами – элементарными составляющими Стандартной модели. На комплексе в Дубне будет две наших СЭО – одна на бустере с параметрами энергии до 50 кэВ (ее мы уже изготовили и поставили); вторая на 2,5 МэВ – на основном кольце коллайдера. Разработкой второй системы охлаждения для коллайдера NICA Институт занимается в данный момент. Часть элементов для нее уже была поставлена в Дубну в конце 2022 г. На площадку в ОИЯИ отправился большой бак, в котором будет размещаться высоковольтная система. Полностью завершить поставку системы мы планируем в августе 2023 г. Кстати, уже в начале 2023 г. наша СЭО инжекционного бустера NICA эффективно начала работать – с ее помощью коллеги из ОИЯИ впервые в России охладили ионы ксенона.

Хотя технология у всех систем электронного охлаждения одинаковая, для каждого отдельного проекта мы создаем уникальное оборудование. Например, напряжение СЭО для COSY достигала 1,5 млн вольт, а для NICA мы делаем систему на 2,5 млн вольт напряжения. Для нас это значительный технологический шаг, который мы, разумеется, сделаем.

– ИЯФ СО РАН активно сотрудничает с Институтом современной физики в Китае (Institute of Modern Physics, IMP) – на их установках работают два новосибирских кулера, а их специалисты по электронному охлаждению – ваши ученики. Планируется ли продолжение сотрудничества?

– Наше сотрудничество началось в 2000 г., когда в Китае, в Ланчжоу, начали строить Центр исследования тяжелых ионов (HIRFL). Мы разработали и изготовили для HIRFL системы электронного охлаждения, каналы инжекции и высокочастотные станции, которые отлично работают до сих пор. Недавно я получил письмо от их ведущего специалиста по кулерам профессора Мао. Он рассказал о том, что они начинают большой проект нового центра ионных исследований, который будет расположен уже на юге Китая. И теперь, когда жесткие коронавирусные ограничения в Китае сняты, они ждут возобновления сотрудничества с нами. Мы, разумеется, тоже ждем, когда можно будет начать работу над проектом.

– Василий Васильевич, в 2024 г. будет 50 лет вашему «чуду охлаждения» – почти полвека назад вы с коллегами продемонстрировали охлаждение пучка с 100 млн К до 1 К, что привело к революции в ускорительной технике. Расскажите, как сегодня развивается наука – есть ли место глобальным открытиям и прорывным работам?

– Прорывы мирового значения в науке случаются редко, может быть, раз в десять лет. И это мало похоже на восклицание – «Эврика!». Как правило, глобальные открытия являются следствием обычного развития науки. Например, метод электронного охлаждения родился как следствие развития ускорительной физики. Научились мы делать электрон-позитронные коллайдеры, начали мечтать о протон-антипротонных, а для этого нужно было научиться формировать пучок. Вот и задел для развития метода электронного охлаждения – у физиков была в нем потребность. Для российской науки и России в целом наступил переломный момент. Но мы не глупее и не умнее других, надо просто не останавливаться в развитии и продолжать работать, что мы, кстати, и делаем. Молодое поколение ученых выросло и строит СКИФ (Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов»), проект NICA на подходе. Эти проекты помогут нам оставаться на уровне. Наличие проектов класса мегасайенс не только в центральной части России, но и за Уралом, в новосибирском Академгородке, говорит о том, что идея развития Сибири возвращается. Только посмотрите, как вырос Новосибирск: есть и промышленность, и авиастроение. Это значит, что люди работают.

– Ваше научное направление, то, над чем вы работаете всю свою профессиональную жизнь, определил Г. И. Будкер. Скажите, должен ли научный руководитель/наставник выбирать за ученика его путь в профессии?

– После университета я начал работать в ИЯФе в лаборатории Л.В. Баркова и Ю.Н. Пестова. В какой-то момент мне стало скучно, и я стал подумывать про Иркутский государственный университет, где в то время активно развивалась астрофизика. Большие телескопы, космос – все это поражало. Поехал я туда присмотреться, а моя супруга, которая совсем не хотела переезжать, как-то через знакомых Будкеру «донесла» на меня. Приезжаю я обратно, прихожу на работу, а меня вызывают к Андрею Михайловичу. Тот меня спрашивает: «Что, Василий, скучно тебе стало в ИЯФе?». Я хвостик мысленный поджал, что-то начал лепетать про астрофизику. Короче говоря, тут он и сказал, что Институт начинает серьезно заниматься электронным охлаждением, что для этой цели уже создана лаборатория, и отправил меня к Диканскому, Скринскому, Мешкову и другим.
Научный руководитель всегда видит больше, чем его ученик. И хотя Будкер на тот момент еще не был моим научным руководителем, он знал людей, как-то их понимал, чувствовал, кто где может быть полезным. Как-то в личной беседе он провел параллель со старым обычаем родителями выбирать для своих детей женихов и невест. В моем случае, определив то, чем я буду заниматься всю жизнь, Андрей Михайлович попал в точку.

  Прибытие элементов СЭО для основного кольца коллайдера NICA в Дубну в конце 2022 г. Фото А. Сергеева.