У-70

У-70 — это экспериментальный сверхпроводящий синхротрон, протонный ускоритель, проектируемый и строящийся в городе Протвино (Московская область) на территории Института физики высоких энергий (ИФВЭ). Относится к классу кольцевых ускорителей заряженных частиц с использованием сверхпроводящих магнитов для достижения рекордных энергий. Проект У-70 является частью российской программы развития фундаментальной физики высоких энергий и, по состоянию на 2025 год, находится на стадии строительства и модернизации.

История

Предпосылки и концепция

Идея создания ускорителя с энергией 70 ГэВ (гигаэлектронвольт) возникла в СССР в середине 1960-х годов, когда стало ясно, что существующие ускорители (например, синхрофазотрон в Дубне) не позволяют достичь энергий, необходимых для открытия новых частиц и изучения сильных взаимодействий. В 1963 году было принято решение о строительстве крупнейшего в мире протонного синхротрона на энергию 70 ГэВ. Проект получил название У-70 (ускоритель на 70 ГэВ). Местом строительства был выбран город Протвино, где ранее уже существовала инфраструктура ИФВЭ.

Строительство и запуск

Строительство У-70 началось в 1967 году. Основные работы велись в течение 5 лет. В 1972 году ускоритель был введён в эксплуатацию. Первоначально он представлял собой кольцевой магнит с длиной окружности около 1,5 км, состоящий из 120 электромагнитов обычного типа (не сверхпроводящих). В 1973 году на У-70 был получен первый пучок протонов с энергией 70 ГэВ. На момент запуска он стал самым мощным протонным ускорителем в мире, обогнав американский синхротрон «Зеро» (Fermilab).

Модернизация и переход к сверхпроводимости

В 1980-е годы У-70 использовался для проведения экспериментов по физике высоких энергий, в том числе для изучения свойств адронов и поиска новых частиц. Однако к концу 1980-х годов стало очевидно, что для дальнейшего развития требуется повышение энергии пучка. В 1990-е годы, после распада СССР, финансирование проекта сократилось, но работы по модернизации не прекратились. В 2000-х годах началась программа перевода У-70 на сверхпроводящие магниты. Это позволило бы существенно увеличить энергию пучка (до 100–200 ГэВ) при тех же габаритах кольца. К 2020 году были изготовлены и испытаны первые сверхпроводящие магниты, однако полномасштабное строительство нового сверхпроводящего кольца затянулось из-за экономических и организационных трудностей.

Современное состояние

По состоянию на 2025 год У-70 продолжает работать в режиме модернизации. Часть магнитов заменена на сверхпроводящие, ведутся пусконаладочные работы. Планируется, что после завершения модернизации ускоритель сможет разгонять протоны до энергии 100–120 ГэВ, что позволит проводить эксперименты, недоступные на других российских ускорителях (например, на синхрофазотроне в Дубне). В перспективе рассматривается возможность создания на базе У-70 коллайдера для столкновения встречных пучков.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

У-70 представляет собой кольцевой ускоритель, состоящий из следующих основных элементов:

• Магнитная система — набор электромагнитов (как обычных, так и сверхпроводящих), создающих магнитное поле для удержания протонов на круговой траектории. В сверхпроводящем варианте магниты охлаждаются жидким гелием до температуры около 4,2 К.
• Вакуумная камера — герметичный туннель, в котором движется пучок протонов. Вакуум поддерживается на уровне 10⁻⁹ мм рт. ст. для минимизации столкновений с молекулами газа.
• Ускоряющие секции — высокочастотные резонаторы, которые сообщают протонам дополнительную энергию на каждом обороте. Частота ускоряющего поля синхронизируется с частотой обращения пучка.
• Инжектор — источник протонов, который подаёт пучок в кольцо. Обычно используется линейный ускоритель (линак) или небольшой бустерный синхротрон.
• Система вывода пучка — устройства для извлечения пучка из кольца и направления его в экспериментальные залы.

Принцип ускорения

Протоны, полученные от инжектора, вводятся в кольцо У-70. Магнитное поле удерживает их на круговой траектории. При каждом прохождении через ускоряющие секции протоны получают порцию энергии (обычно несколько десятков кэВ). По мере роста энергии магнитное поле увеличивается, чтобы радиус кривизны траектории оставался постоянным. Этот процесс называется синхротронным ускорением. В сверхпроводящем варианте магнитное поле может достигать 5–6 Тл, что позволяет удерживать протоны с энергией до 100 ГэВ на кольце диаметром около 500 метров.

Сверхпроводящие магниты

Ключевое отличие модернизированного У-70 от предшественников — использование сверхпроводящих магнитов. Они изготавливаются из ниобий-титановых сплавов, которые при охлаждении до сверхнизких температур переходят в сверхпроводящее состояние, теряя электрическое сопротивление. Это позволяет создавать сильные магнитные поля (до 8 Тл) без значительных потерь энергии на нагрев. Для охлаждения используется жидкий гелий, циркулирующий по криогенной системе.

Характеристики

Применение и научные задачи

Фундаментальные исследования

У-70 используется для изучения структуры адронов (протонов, нейтронов, мезонов), свойств сильных взаимодействий и поиска новых частиц. Основные направления:

• Изучение протон-протонных столкновений — анализ распределения частиц по углам и энергиям, измерение сечений взаимодействия.
• Поиск экзотических частиц — например, многокварковых состояний (тетракварков, пентакварков) или гипотетических частиц тёмной материи.
• Исследование спиновых эффектов — изучение поляризации протонов в высокоэнергетических столкновениях.

Прикладные задачи

Помимо фундаментальной физики, У-70 используется для прикладных исследований:

• Радиационная стойкость материалов — облучение образцов протонами высокой энергии для испытания электроники и конструкционных материалов, предназначенных для космической и ядерной техники.
• Медицинская физика — отработка методик протонной терапии (лечение онкологических заболеваний) на пучках высокой энергии.
• Ядерная физика — изучение ядерных реакций при высоких энергиях, синтез изотопов.

Международное сотрудничество

У-70 является частью международной научной инфраструктуры. На его базе проводятся совместные эксперименты с учёными из стран СНГ, Европы и Азии. В частности, в 2010-е годы реализовывался проект «Нуклотрон» (совместно с Объединённым институтом ядерных исследований в Дубне) по изучению свойств ядерной материи.

Критика и проблемы

Финансовые трудности

Строительство и модернизация У-70 требуют значительных бюджетных средств. В 1990-е и 2000-е годы финансирование было нестабильным, что привело к задержкам в реализации проекта. По оценкам экспертов, полная стоимость модернизации может превысить 10 миллиардов рублей. Критики отмечают, что эти средства могли бы быть направлены на развитие других научных направлений, например, на создание коллайдера в Дубне.

Технические сложности

Переход на сверхпроводящие магниты сопряжён с рядом технических проблем:

• Необходимость создания надёжной криогенной системы, способной поддерживать температуру 4,2 К в течение длительного времени.
• Высокие требования к точности изготовления магнитов (допуски менее 0,1 мм).
• Риск аварийных ситуаций (например, разрушение сверхпроводимости — «квенч»), которые могут привести к повреждению оборудования.

Конкуренция с зарубежными проектами

На момент 2025 года крупнейшие ускорители мира (Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, Тэватрон в США) имеют энергии в сотни раз выше, чем У-70. Это ставит под сомнение актуальность российского проекта для фундаментальных открытий. Однако сторонники У-70 указывают, что он позволяет проводить уникальные эксперименты в области спиновой физики и радиационной стойкости, недоступные на других установках.

Интересные факты

• У-70 был одним из первых ускорителей, на котором были обнаружены так называемые «струи» — коллимированные потоки адронов, образующиеся при столкновениях протонов высоких энергий.
• В 1970-е годы на У-70 проводились эксперименты по поиску магнитных монополей — гипотетических частиц с магнитным зарядом. Результаты были отрицательными, но установили верхние пределы на их существование.
• В 2020 году на У-70 был установлен рекорд интенсивности пучка среди российских ускорителей — 1,5×10¹² протонов в секунду.
• В Протвино, где расположен У-70, находится также крупнейший в России криогенный завод, производящий жидкий гелий для охлаждения сверхпроводящих магнитов.

Источники

• Институт физики высоких энергий (ИФВЭ), Протвино. Официальные материалы по проекту У-70.
• «Ускорители заряженных частиц» / под ред. В. А. Сидорова. — М.: Наука, 1985.
• «Сверхпроводящие магниты для ускорителей» / А. В. Козлов, И. В. Яковлев. — М.: Энергоатомиздат, 2003.
• Доклады на конференциях по физике высоких энергий (2000–2024 гг.).
• «История создания У-70» / В. И. Ковальчук, Журнал «Природа», № 5, 2012.