Накануне Нового года учёные Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН по традиции поделились лучшими результатами своих исследований в прошедшем 2025 году. Они получены в разных областях – от коллайдеров и теории элементарных частиц до термоядерных технологий – но объединены общей целью: лучше понять устройство нашего мироздания. Рассказываем по порядку.
Как удалось увеличить интенсивность пучка NICA
Коллайдер NICA, строящийся в Дубне, предназначен для изучения плотной барионной материи – состояния вещества, существовавшего в ранней Вселенной и, возможно, в недрах нейтронных звёзд. Чтобы такие исследования были эффективными, пучки тяжёлых ионов должны быть максимально плотными и хорошо сфокусированными. Чем выше плотность пучка, тем больше полезных столкновений и тем богаче экспериментальные данные.
В 2025 году специалисты Объединённого института ядерных исследований и ИЯФ СО РАН продемонстрировали принципиально важный результат: интенсивность пучка в бустере NICA удалось увеличить до шести раз. Ключевую роль в этом сыграла система электронного охлаждения, разработанная в Новосибирске.
Принцип электронного охлаждения был предложен ещё Гершем Будкером. Его идея проста и изящна: если «горячие» ионы пропустить вместе с «холодными» электронами, последние будут забирать часть тепловой энергии, а ионный пучок – сжиматься. В результате ионы образуют тонкий, плотный «шнур», в который можно эффективно добавлять новые частицы. За свою полувековую историю такой метод воздействия на ионный пучок, широко известный как электронное охлаждение, стал одним из наиболее удобных и действенных способов оптимизации параметров ионных пучков, циркулирующих в синхротроне.
В 2025 году этот подход был реализован в режиме многократной инжекции в продольном фазовом пространстве – ранее недостижимом для столь тяжёлых ионов. В результате интенсивность пучка была увеличена до 6 раз. Причем, удалось не просто улучшить параметры пучка, а показать, что технология электронного охлаждения остаётся незаменимым инструментом современных ускорителей.
Как подчёркивают в ИЯФ СО РАН, ни одна другая организация в мире не располагает таким уровнем компетенций в области электронного охлаждения. Сегодня ионные накопители без таких систем практически не используются – и успех на NICA это убедительно подтвердил.
Две петли вместо одной: теория догоняет эксперименты
Экспериментальная физика невозможна без точной теории. Но с ростом точности измерений теоретикам приходится решать всё более сложные задачи. Именно с такой проблемой столкнулись электрон-позитронные коллайдеры нового поколения – от новосибирского ВЭПП-2000 до SuperKEKB в Японии и будущего FCC-ee в ЦЕРНе.
«Когда электрон с позитроном аннигилируют, рождаются новые частицы, которые мы наблюдаем и изучаем в эксперименте. Сам процесс аннигиляции и рождения частиц в теории описывается через обмен ненаблюдаемыми виртуальными частицами, например, фотонами. В самом грубом приближении процесс электрон-позитронной аннигиляции описывается рождением одного виртуального фотона. Но для интерпретации результатов наших экспериментов нам надо учитывать и более сложные процессы, когда рождается несколько виртуальных фотонов, виртуальные электрон-позитронные пары и другие частицы. Знаменитый физик-теоретик Ричард Фейнман придумал очень наглядный способ описания процесса обмена виртуальными частицами – диаграммы Фейнмана. Когда рождается много виртуальных частиц, на диаграмме Фейнмана это изображается в виде замкнутых петель. Поэтому расчеты, в которых учитываются такие сложные процессы, называются петлевыми поправками. Для достижения той точности, которая требуется нам в наших исследованиях, необходимо учитывать поправки, в которых есть две петли», – объяснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе член-корр. РАН Иван Логашенко.
Требуемые двухпетлевые поправки – это совершенно иной уровень сложности. Каждая «петля» на диаграммах Фейнмана соответствует многомерному интегралу, который может приводить к математическим бесконечностям.
Теоретики ИЯФ СО РАН сделали здесь важный шаг вперёд. В 2025 году они разработали алгоритм, позволяющий автоматически приводить системы дифференциальных уравнений к так называемой эпсилон-форме – виду, в котором многопетлевые расчёты становятся управляемыми. Этот подход реализован в специализированных программах, включая пакет Libra.
«Первым процессом, для которого мы вычислили двухпетлевые поправки, была электрон-позитронная аннигиляция в мюон-антимюонную пару. Эти поправки в том числе необходимы и для следующего поколения экспериментов, которые проводятся в ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-2000. Используя наш подход, мы работаем над вычислением двухпетлевых поправок и для других важных процессов в физике частиц.». Это не абстрактная задача: именно этот процесс используется как «стандартная свеча» для нормировки экспериментов на ВЭПП-2000», - рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук профессор РАН Роман Ли.
Повышение точности этих расчётов напрямую влияет на определение аномального магнитного момента мюона – одной из ключевых величин, по которой проверяется Стандартная модель и ищутся признаки Новой физики. По оценкам учёных, новый метод позволит улучшить точность соответствующих теоретических предсказаний в 3–4 раза, и он уже вызывает интерес у ведущих коллайдерных центров мира.
Пучки для термояда: шаг к реакторным технологиям
Еще один важный результат 2025 года связан с разработкой технологий управляемого термоядерного синтеза. В ИЯФ СО РАН создаются атомарные инжекторы – устройства, которые позволяют нагревать и диагностировать плазму в токамаках, разгоняя её до температур порядка 200 миллионов градусов.
В рамках федерального проекта по развитию термоядерной энергетики в институте был создан прототип инжектора, использующего пучок отрицательных ионов водорода с энергией 400 кэВ и током более одного ампера. Для превращения этих ионов в быстрые атомы разрабатывается плазменный нейтрализатор с эффективностью до 85% – чрезвычайно высоким показателем.
Отличительная особенность новосибирской конструкции – разделение источника ионов и ускорителя с помощью переходной области с интенсивной откачкой. Это решение позволяет очистить пучок от паразитных примесей, повысить высоковольтную прочность и надёжность всей системы. В прототипе также реализованы оригинальные системы охлаждения электродов и распределённой подачи цезия, обеспечивающие стабильную работу источника ионов.
Отработанные технологии планируется использовать при создании нового российского токамака с реакторными технологиями. Более того, специалисты подчёркивают, что многие из этих решений могут быть востребованы и в международных проектах, включая будущие установки УТС.
***
Результаты 2025 года показывают, что ИЯФ СО РАН уверенно работает сразу на нескольких фронтах современной физики. Управление пучками частиц, точные теоретические вычисления и технологии термоядерного нагрева – это разные задачи, но все они требуют предельной аккуратности и глубокого понимания физики процессов. Именно в этом и заключается стиль новосибирской школы: не просто раздвигать границы возможного, а делать это с инженерной и научной точностью.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии