Российские физики завершили монтаж камеры для самого мощного лазерного эксперимента
Во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове закончены работы по сборке камеры взаимодействия для опытов по управляемому лазерному термоядерному синтезу. Установка будет обладать наибольшей энергией импульса среди всех введенных в строй и планируемых в ближайшем будущем аналогов. В данный момент проводятся испытания, ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год. Об этом сообщается на официальном сайте РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Существуют два принципиально разных способа получения ядерной энергии: цепные ядерные реакции и термоядерный синтез. Первый способ связан с распадами тяжелых ядер, таких как уран и плутоний, а второй подразумевает слияние легких ядер, в первую очередь, водорода. Оба способа работают из-за существования феномена дефекта массы, то есть влияния внутренних взаимодействий на массу составной частицы. Этот эффект проявляется только в случае сравнимости энергии взаимодействия с энергией частицы, соответствующей массе покоя по формуле E = m×c2.
Наибольшей энергией взаимодействия на один нуклон (протон или нейтрон) обладает изотоп никель-62, что делает его самым стабильным ядром. Иногда можно встретить утверждения, что наиболее стабильным является изотоп железо-56, но это не так — это ядро обладает наименьшей массой на нуклон, но не наибольшей удельной энергией. Различие объясняется неодинаковой долей протонов и нейтронов в ядрах: в железе больше более легких протонов (46,43 процента), а в никеле их чуть меньше (45,16 процентов). Тем не менее, конечным продуктом термоядерного горения элементов в недрах звезд является никель-56, который затем распадается на стабильное железо-56, а никель-62 является достаточно редким изотопом, так как не может быть получен естественным образом в результате захвата альфа-частиц.
В результате ядра значительно тяжелее никеля-62 могут распадаться с выделением энергии, а гораздо более легкие ядра могут сливаться с выделением энергии, которая в обоих случаях будет связана с дефектом масс. Оба варианта подходят для создания систем с положительным суммарным выходом энергии: первый путь используется в атомных электростанциях и атомных бомбах, а второй пока удалось реализовать только в неконтролируемом варианте — в виде термоядерной бомбы.
Существует целый ряд разнообразных подходов к получению термоядерного горения водорода в контролируемых условиях: реакторы с магнитным удержанием плазмы (токамаки и стеллараторы), системы импульсного нагревания при помощи лазеров или на основе пинч-эффекта и другие. Потенциально термоядерная энергетика является исключительно привлекательной, так как водородное топливо обладает очень высокой энергоемкостью, а отходом является только гелий — безвредный инертный газ.
Идея импульсных реакторов состоит в быстром нагреве и сжатии топлива, так что до момента его разлета ядра успеют вступить в реакцию. Большинство реализованных попыток опирается на использование мощных лазерных импульсов. Одним из крупнейших на данный момент работающих экспериментов по лазерному термоядерному синтезу является американский проект National Ignition Facility (NIF, там недавно научились сливать несколько лазерных лучей в один). В рамках этого подхода сводятся 192 лазера общей пиковой мощностью в 500 тераватт и суммарной энергией импульса в 1,8 мегаджоулей.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ также проводятся эксперименты по лазерному синтезу. В текущий момент отечественные ученые монтируют новую установку, которая будет рекордсменом среди введенных и планируемых к строительству лазерных систем: к мишени будет подводиться в полтора раза больше энергии в импульсе, чем у NIF (2,8 мегаджоулей против 1,8). На данном этапе была завершена сборка центрального элемента установки — камеры взаимодействия, в которой лазерные импульсы должны контактировать с мишенью. Сама камера представляют собой сферу диаметром 10 метров и весом около 120 тонн.
«До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень, — говорит директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ Сергей Гаранин. — Основная проблема в том, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. Поэтому оболочка должна двигаться сферически симметрично, отклонения от сферического сжатия недопустимы. Эксперименты, которые были проведены на установке NIF, показали, что система не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Наша система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого (зажигания термоядерных реакций в мишенях) первыми в мире».
Теперь ученые приступили к тестированию первого модуля установки, к концу года он должен быть запущен. На 2022 год запланирован ввод в эксплуатацию первой очереди лазерной установки.
Технологии термоядерного синтеза активно развиваются в последние годы. В частности, ученым удалось запустить реакцию в стабилизированном Z-пинче, немецкий стелларатор Wendelstein 7-X получил первую плазму, а National Ignition Facility провели эксперименты с жидкой мишенью.
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».