Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН рассказали о важных исследованиях института, которые получили существенное продвижение в 2025 году. Среди них — новый вычислительный метод для повышения точности экспериментов, технологии для нагрева плазмы в токамаках и система для увеличения интенсивности пучка.
Новый метод вычислений, который повысит точность экспериментов на электрон-позитронных коллайдерах
Для экспериментов на установках в физике элементарных частиц необходимы точные теоретические расчеты свойств известных процессов. Ученые во всем мире работают над тем, чтобы повысить точность теоретических предсказаний. Как правило, эта задача формулируется в рамках теории возмущений, где различные вклады в наблюдаемые величины изображаются диаграммами Фейнмана. Чем выше точность вычисления, тем более сложные диаграммы (с большим числом вершин и петель) нужно учитывать. Если раньше можно было принимать во внимание только диаграммы без петель или с одной петлей, то для следующего поколения коллайдерных экспериментов таких вычислений недостаточно.
Оказалось, что эту задачу можно решить с помощью системы дифференциальных уравнений. В теоретическом отделе ИЯФ СО РАН был разработан алгоритм преобразования системы дифференциальных уравнений к эпсилон-форме. Таким образом, ученые предложили новый метод для расчета многопетлевых поправок, который позволит делать высокоточные теоретические предсказания.
«С помощью этого метода мы сможем в несколько раз улучшить точность наших измерений в планируемых на ВЭПП-2000 экспериментах. Наша цель — достичь такой точности измерения, чтобы точность теоретического предсказания величины аномального магнитного момента мюона улучшилась в три-четыре раза. Стоит отметить, что результаты наших теоретиков интересны не только нам, но и всем экспериментам на электрон-позитронных коллайдерах: BEPC-II (Китай), SuperKEKB (Япония), проектируемый FCC-ee (ЦЕРН)», — отметил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе член-корреспондент РАН Иван Борисович Логашенко.
Также ученый рассказал, что в текущей конфигурации ВЭПП-2000 уже практически набран финальный объем данных, сейчас активно идет их обработка, появляются новые результаты. Чтобы на ВЭПП-2000 можно было проводить эксперименты с больши́м уровнем точности, для этого коллайдера создана программа обновления детекторов. Также ученые ИЯФ СО РАН разрабатывают проект ВЭПП-6. Предполагается, что это будет коллайдер с рекордной светимостью в мире, который позволит ответить на многие вопросы, связанные с изучением физики сильных взаимодействий.
Сотрудники ИЯФ СО РАН
В шесть раз увеличена интенсивность пучков для коллайдера NICA
Специалисты ИЯФ СО РАН и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) добились прогресса в создании пучков тяжелых ионов для коллайдера NICA. Совместными усилиями ученые смогли значительно увеличить плотность пучков, используя технологию электронного охлаждения, разработанную новосибирскими исследователями. В 2025 году в ходе испытаний методом последовательной инжекции удалось добиться шестикратного увеличения интенсивности пучка.
Для любого пучкового эксперимента важна высокая концентрация частиц в пучке, ведь это ускоряет и улучшает качество самого процесса. Однако непрерывно добавлять новые порции частиц невозможно — старые должны каким-то образом уплотняться, освобождая пространство для новых. Природа предусмотрела механизм сжатия легких частиц вроде электронов и позитронов: это явление называется синхротронным излучением, оно эффективно удаляет лишнюю энергию и уменьшает размер пучка. Тяжелые частицы, такие как протоны и ионы, почти не подвержены такому механизму, поскольку их собственное излучение крайне слабо.
«Всего придумали два способа, как сжимать пучки тяжелых частиц. Один из них был создан у нас в институте и назван электронным охлаждением. Он был предложен основателем ИЯФ академиком Гершем Ицковичем Будкером и реализован его учениками. Принцип работы следующий: в ускорителе движется пучок протонов и ионов, рядом с которым направляется пучок электронов, имеющий гораздо меньшую температуру. Если представить себя внутри ускорителя, то вы увидите горячую плазму ионов и холодный электронный газ. Ионы передают тепло холодным электронам, после чего покидают зону взаимодействия, оставляя за собой сжатый и охладившийся пучок протонов», — рассказал заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе член-корреспондент РАН Евгений Борисович Левичев.
Система электронного охлаждения для бустера коллайдера NICA служит для концентрации пучка ионов при вводе (энергия ионов составляет 3,2 МэВ/н) и последующей передачи его в кольцо нуклотрона. Изначально эта система была спроектирована и проверена в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, а затем передана в Объединенный институт ядерных исследований. В 2025 году совместными усилиями обеих организаций удалось продемонстрировать успешную многократную подачу ионов в продольное фазовое пространство с применением электронного охлаждения.
Прототип атомарного инжектора
Технологии для нагрева плазмы в больших токамаках
В ИЯФ СО РАН развиваются атомарные инжекторы — устройства, необходимые для диагностики и нагрева плазмы до термоядерных температур в установках с магнитным удержанием (токамаках, открытых ловушках) для проведения экспериментов в области управляемого термоядерного синтеза.
Сейчас ученые института активно работают над созданием нового отечественного токамака с использованием технологий реактора в рамках программы «Технологии термоядерной энергетики», которая является частью нацпроекта «Новые атомные и энергетические технологии». Исследователи сделали опытный образец устройства, способного создавать высокоскоростные частицы посредством направленного потока отрицательно заряженных водородных ионов, обладающих энергией порядка 400 киловольт и силой тока больше 1 ампера.
«В рамках федерального проекта “Технологии термоядерной энергетики” нам поручено разработать систему дополнительного нагрева термоядерной плазмы в токамаке ТРТ. В этом году мы подготовили техническую документацию для реализации этой системы, ключевое достижение связано с успешным функционированием прототипа на нашем оборудовании. Ожидается, что готовая система обеспечит мощность пучков в 20 МВт, длительность воздействия — не менее 100 секунд и энергию каждого отдельного протона — в 500 кэВ. Этого достаточно, чтобы поддерживать стабильное состояние термоядерной плазмы. Созданный прототип станет базовой единицей, многократное тиражирование которой позволит собрать полнофункциональный инжектор согласно разработанному проекту», — рассказал заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Пётр Андреевич Багрянский.
Формирование пучка с высоким уровнем тока, большой энергией и продолжительной длительностью импульса представляет собой сложную инженерную проблему, для преодоления которой институт разработал несколько оригинальных технологических решений.
«Инжекторы высокоэнергетичных нейтралов представляют собой основной инструмент для разогрева плазмы. Над созданием таких устройств трудится ряд исследовательских групп по всей планете. Наш инжектор построен по классической схеме, однако обладает уникальными характеристиками, такими как четкое отделение ионного источника от ускорителя переходной областью с интенсивной откачкой. Она позволяет очистить пучок от паразитных примесей», — прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Олег Захарович Сотников.
Диана Хомякова, Ирина Баранова
Фото Ирины Барановой
