На главную
Путь в неизведанное: в Дубне готовят к запуску уникальный коллайдер

Российский ускоритель NICA, находящийся в финальной стадии строительства, позволит ученым проникнуть в тайны атомного ядра, воспроизвести первые мгновения после Большого взрыва Большой взрыв — начало расширения Вселенной; теория, принятая нынешней астрофизикой; переход вещества от состояния сингулярности, то есть невероятной плотности материи, к расширению и охлаждению; произошел примерно 14 млрд лет назад. и даже разработать новые способы лечения рака.

Наукоград Дубна расположен в 120 километрах от Москвы. Этот небольшой город навсегда вписал свое имя в историю ядерной физики. Еще в 1940-х годах здесь был основан Институт ядерных проблем АН СССР, а в 1956 году создана международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). Сегодня это сообщество объединяет 18 государств от Кубы и Вьетнама до Чехии и Польши; ассоциированными членами являются такие передовые в области физики государства, как Италия и Германия. В Дубне десятилетиями ведутся уникальные исследования и получаются результаты мирового уровня.

Институт, равного которому нет

ОИЯИ, по мнению его руководителя академика Виктора Матвеева, всемирно известный научный центр, являющий собой уникальный пример успешной интеграции фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. Институт опирается на мощный фундамент: традиции научных школ, имеющих мировое признание; базовые исследовательские установки с уникальными возможностями, позволяющие решать актуальные задачи во многих областях современной физики; статус международной межправительственной организации, зарегистрированной ООН. Рейтинг ОИЯИ в мировом научном сообществе очень высок. За более чем шестьдесят лет с момента образования ОИЯИ здесь выполнен широчайший спектр исследований и подготовлены научные кадры высшей квалификации для стран-участниц ОИЯИ. Устав института декларирует принцип открытости для участия всех заинтересованных государств, их равноправное взаимовыгодное сотрудничество.

Неоценимый и непревзойденный вклад ОИЯИ в современную физику отмечен Международным союзом теоретической и прикладной химии четырежды. 105-й элемент Периодической системы Д. И. Менделеева получил имя «дубний» в честь Дубны, где расположен ОИЯИ. Заслуги основателя Лаборатории ядерных реакций академика Георгия Флёрова отмечены в имени 114-го элемента, флеровия. Элемент 115 назван «московий» — так мир воздал должное ученым Московской области, где расположен ОИЯИ. Выдающуюся роль в синтезе сверхтяжелых элементов, поиске островка стабильности и организации работы сыграл научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова ОИЯИ академик Юрий Оганесян, поэтому элемент 118 назван «оганесон». Выдающемуся ученому, открывшему новый класс ядерных реакций, сейчас 86 лет, но он продолжает плодотворно трудиться в институте.

Сегодня в ОИЯИ строится российский коллайдер Коллайдер — ускоритель элементарных частиц, в котором они двигаются навстречу друг другу; предназначен для исследования продуктов соударений частиц. NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Это проект класса «мегасайенс» — большая, дорогая и сложная научная установка, не имеющая на данный момент аналогов в мире. Сейчас строительство уже на финишной прямой: запуск ускорителя ожидается в конце 2021-го или начале 2022 года. Результаты, которые планируется на нём получить, пригодятся всем, от астрофизиков до медиков.

Фото из архива ОИЯИ
Фото из архива ОИЯИ
1 из 4
Фото из архива ОИЯИ

Как ранее отмечал первый заместитель министра науки и высшего образования Российской Федерации академик Григорий Трубников, «коллайдеры были предложены у нас еще в 1960-е годы в ИЯФ СО РАН академиком Г. И. Будкером. Дальше эта технология распространилась по всему миру, во многих местах заработали коллайдеры, несколько экспериментов на них получили Нобелевские премии, только не в России. То есть технологию предложили именно мы, мы являемся экспертами в этой области, но при этом самый лучший коллайдер — не у нас. Это неправильно. Советский Союз вообще предложил много технологий всему миру, при этом лучшие работающие образцы таких технологий, к сожалению, не нашли места и поддержки у себя в отечестве».

«В основе проекта NICA, — объяснял академик Трубников, — лежат идеи в том числе наших, дубнинских теоретиков о том, что именно в определенном диапазоне плотностей и температур и с определенными пучками сталкивающихся тяжелых ядер нужно искать эффекты фазовых переходов в сильновзаимодействующей ядерной материи. Если повезет, у нас будет проект born in Russia, который от идеи и до получения результата будет иметь абсолютно наш приоритет».

На заседании Научно-технического совета ОИЯИ констатировалось, что исследования ЦЕРН, ведущиеся в области сверхвысоких энергий, дополняют исследования ОИЯИ. Сотрудники ОИЯИ — непременные участники экспериментов ATLAS, CMS и ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК). Такой установки, как БАК, в ОИЯИ, конечно, нет, но и ЦЕРН не располагает установкой, подобной NICА: диапазон энергий, который перекрывает NICА, не перекрывается БАКом. В Дубне работает и другое уникальное устройство — ускоритель Фабрики сверхтяжелых ионов. Ничего подобного ЦЕРН не имеет, как не имеет и такого мощного источника нейтронов, как реактор ИБР-2 в Дубне.

Дело в том, что NICA — это целый комплекс ускорителей, предшествующих главному коллайдеру. С помощью такого оборудования можно получить частицы очень разной энергии: от килоэлектронвольт Электронвольт — чуть больше, чем 10 в минус 19-й степени джоулей, внесистемная единица энергии, используется в ядерной физике и смежных науках. до гигаэлектронвольт. То есть нижняя граница возможной энергии отличается от верхней в миллионы раз, и для каждого варианта найдется свое применение.

Начало мира и тайны ядра

Прежде всего NICA позволит воспроизвести первые доли секунды после Большого взрыва. Тогда не было не только атомов, но и частиц, составляющих атомные ядра (протонов Протон — одна из составных частей ядра; элементарная частица, состоит из кварков, имеет положительный заряд. и нейтронов Нейтрон — одна из составных частей ядра; элементарная частица, состоит из кварков, не имеет заряда.). Вместо этого пространство было заполнено невероятно горячей «кашей» из их составных частей: кварков и глюонов. Такое состояние вещества называется кварк-глюонной плазмой Кварк-глюонная плазма (кварковый суп) — агрегатное состояние вещества, при котором частицы, имеющие составной характер, находятся в том же состоянии, что и электроны и ионы в обычной плазме; обычная же плазма — четвертое агрегатное состояние вещества, ионизированный газ..

Сегодня подобная плазма может быть воссоздана на ускорителях. Для этого нужно столкнуть тяжелые атомные ядра с подходящей энергией. В наиболее перспективном диапазоне энергий и будет работать NICA.

Подобные исследования помогут физикам проникнуть в тайны возникновения нашего мира, а также изучить условия в недрах нейтронных звезд, где кварк-глюонная плазма существует и ныне.

Кроме того, NICA станет незаменимым инструментом для изучения физики релятивистских атомных ядер. Российский ускоритель даст ученым сведения, которые они не могут получить даже на значительно более мощном БАКе. Дело в том, что для исследований по ядерной физике энергия сталкивающихся частиц должна быть не максимальной, а оптимальной.

«Если мы хотим получить большую плотность ядерной материи, энергию надо подобрать очень точно, и это стало известно не так давно», — рассказывает исполняющий обязанности вице-директора ОИЯИ по мегасайенс-проекту NICA Владимир Кекелидзе.

Многочисленные эксперименты на разных ускорителях показали, что оптимальная энергия для таких изысканий — от 5 до 12 гигаэлектронвольт на нуклон.

«Сегодня два проекта специально нацелены на эти энергии: NICA и FAIR», — говорит Владимир.

Ускоритель FAIR сейчас строится в Дармштадте, Германия, при участии многих государств, в основном европейских. При этом российский и европейский проекты не конкурируют, а сотрудничают и удачно дополняют друг друга (об этом мы подробнее расскажем ниже).

К новым источникам энергии

Своя причина ждать запуска коллайдера есть и у тех, кто создает энергетические технологии будущего. Ученые лелеют проекты подкритических реакторов. В таком реакторе в качестве активатора топлива используется не уран-235, который требует сложной и дорогой процедуры обогащения, а нейтронная «вспышка», образующаяся при взаимодействии пучка протонов с мишенью из тяжелых элементов. В этом случае в качестве «топлива» вместо урана-235 может быть использован , например, более распространенный в природе торий-232.

Схема устройства выглядит так. Ускоритель создает пучок протонов, который бьет в мишень из тяжелых элементов (например, свинца и вольфрама). Этот протонный «сгусток» выбивает из мишени нейтроны. Нейтрон, соединяясь с ядром тория-232, превращается в протон. Так получается ядро протактиния-233. Тот распадается с образованием урана-233. Нейтроны, которые продолжают выбиваться из мишени, вызывают реакцию деления урана, в которой выделяется энергия.

Важно, что такой реактор не требует создания критической массы урана. Это значит, что реакция немедленно прекратится, как только будет выключен ускоритель, обеспечивающий процесс нейтронами. Поэтому на реакторах подобного типа принципиально невозможны катастрофы, аналогичные чернобыльской.

Кроме того, подобная установка будет эффективно «дожигать» ядерные отходы. То, что от них в итоге останется, поступит на долговременное хранение и уже через пятьсот лет будет не опаснее угольной золы. Для сравнения: отходы современных АЭС остаются смертоносными в тысячу раз дольше.

Чтобы такие реакторы стали реальностью, нужно провести множество исследований, в том числе и с помощью ускорителей. Для этого на комплексе NICA создается экспериментальная зона и опытная установка.

Материалы, космос, далее везде

К ускорительному комплексу проявляют большой интерес и создатели принципиально новых материалов. Дело в том, что пучок заряженных частиц может служить своеобразным зондом, позволяющим изучить свойства материала и разработать технологии производства и использования, к примеру, высокотемпературных сверхпроводников Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление в котором при определенной температуре равно нулю. , а также новейших полимеров с высокой механической и радиационной стойкостью.

Инструмент пригодится и покорителям космоса. Дело в том, что космическое пространство пронизано потоком протонов и других атомных ядер, который непрерывно истекает из Солнца (солнечным ветром). По сути это радиация, опасная для всего живого. МКС защищена от нее магнитным полем Земли, но на пути к Марсу космонавты будут лишены такого щита многие месяцы. Как их уберечь? Насколько мощная требуется защита? Возможно ли вообще доставить человека до Красной планеты живым? Ответа на все эти вопросы пока нет. Чтобы их найти, нужны многочисленные эксперименты, в которых космический радиационный фон имитируется потоком заряженных частиц, созданных на ускорителе.

Наконец, установка необходима и медикам. Более полувека при лечении рака используется протонная терапия. Протоны разгоняются на расстоянии в десятки метров для получения энергии в 250–300 мегаэлектронвольт и потом прицельно направляются на нужное место. В зависимости от энергии ионного пучка можно локализовать энерговыделение на желаемой глубине. То есть здоровые участки биотканей, окружающие опухоль, не повреждаются. В этом принципиальное отличие от лучевой терапии, которая воздействует на все ткани человеческого организма, так что врачи-радиологи, назначая облучение, балансируют между терапевтическим эффектом и лучевой болезнью у пациентов. Новые эксперименты на NICA помогут сделать этот метод еще более эффективным и спасти миллионы жизней.

Заметим, что отдача от проекта не ограничивается исследованиями, которые можно провести на ускорителе. Строительство и эксплуатация любой установки класса «мегасайенс» — это создание и тестирование уникальных технологий, которые потом могут пригодиться в самых разных областях. В случае проекта NICA это даст народному хозяйству в частности:

— новое поколение метрологической техники буквально с микронной точностью измерений;

— тонкопленочные, толщиной в один атом, покрытия, которые резко повысят эффективность, к примеру, солнечных батарей;

— технологию нанолитографии для создания самых современных интегральных микросхем;

— специальные сплавы и технологии сварки таких металлов, как ниобий, вольфрам, титан и пр.;

— гигантские хранилища данных (до 50 терабайт) и высокоскоростные (с пропускной способностью свыше 100 Гб в секунду) каналы передачи данных.

Строительство и последующее развитие коллайдера — это огромный заказ для отечественной наукоемкой промышленности.

Как это работает

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Суммарный заряд электронов равен заряду ядра, поэтому атом как целое нейтрален. Если лишить его одного или нескольких электронов, получится положительно заряженная частица — положительный ион.

Поскольку ион заряжен, на него влияют электрическое и магнитное поля. С помощью первого частицу можно ускорить, а второе определяет направление ее полета. Если значительное ускорение не требуется, иону позволяют двигаться по прямой и, пройдя всю длину устройства, вылетать из него. Такие ускорители называются линейными. В более крупных установках частицы летают кругами (специально подобранное магнитное поле искривляет их траекторию), на каждом обороте получая всё новую и новую энергию от электрического поля. Такова схема кольцевого ускорителя.

NICA — каскад ускорителей

В готовом виде комплекс NICA будет представлять собой многоступенчатый каскад ускорителей. Прежде чем попасть в главные кольца коллайдера, ионы будут предварительно разгоняться в других блоках установки.

Для разгона электронов предназначены две независимые линейные системы: инжектор легких ионов и инжектор тяжелых ионов. Первый производит легкие ионы, от водорода до магния. Второй — ионы золота Au31+: из 79 электронов атом золота теряет 31. После чего они поступают в кольцевой ускоритель — бустер — окружностью 211 метров, где становятся голыми атомными ядрами.

Следующий ускоритель — гордость Дубны, 252-метровый «Нуклотрон». Он может работать и сам по себе — и тогда выпускать пучки частиц в детектор BM@N. Но главное для него — подготовка частиц для коллайдера NICA, для двух его колец периметром 503 метра. «Кольцо» — термин: установка имеет две длинные прямые стороны, параллельные друг другу, и две короткие круглые дуги в качестве других сторон. В коллайдере два разогнанных пучка частиц сталкиваются, в точках столкновения расположены детекторы MPD и SPD. Их возможности сравнимы с возможностями детекторов Большого адронного коллайдера.

Вместе ради науки

Сверхсовременный комплекс NICA сооружается вокруг «Нуклотрона», запущенного еще в 1993 году, а теперь модернизированного. В свое время он стал первым в мире ускорителем, специально предназначенным для экспериментов с тяжелыми ионами.

«„Нуклотрон“ — действующий ускоритель, и на нём уже ведутся эксперименты в рамках программы NICA. Сейчас он остановлен на год или полтора в связи со строительством коллайдерных колец», — объясняет Кекелидзе.

«Нуклотрон» создан на основе технологий, разработанных в Дубне в 1980–1990-х годах.

«Эти технологии уникальны, и на их основе и разрабатывается проект всех остальных ускорительных колец», — подчеркивает ученый.

Часть изготовленного в Дубне оборудования, созданного по этим технологиям, поставляется в европейские ускорительные центры. Так, сверхпроводящие магниты типа «Нуклотрон» используются в комплексе FAIR. В свою очередь, и иностранные коллеги делятся своими знаниями и технологиями.

Отметим, что в создании NICA принимают участие ученые из 70 институтов 32 стран мира. Команда проекта активно сотрудничает с коллаборацией упомянутого ускорителя FAIR и Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН).

Кроме того, ускоритель такого масштаба генерирует огромное количество данных, которые нужно обрабатывать. Чтобы выделить золотую крупинку новой научной информации, нужно промыть целые горы песка (то есть шумов, рядовых событий и так далее). Для этого создается сеть, объединяющая многие мировые суперкомпьютерные, облачные и грид-центры.

«Солидарность ученых всегда так или иначе работает», — отмечает исследователь.

Два крыла будущего

Сотрудничество физиков ОИЯИ с командой FAIR обещает быть особенно плодотворным. Эти два ускорителя исследуют одну и ту же область природы каждый со своей стороны, и вместе они будут давать самую полную картину ее законов.

Дело в том, что в них реализованы разные схемы эксперимента. В FAIR поток частиц будет сталкиваться с неподвижной мишенью. Преимущества этого подхода в том, что почти все частицы пучка сталкиваются и взаимодействуют с атомами мишени. В то же время есть и недостатки. Во-первых, энергия столкновений не очень высока, поскольку вещество мишени неподвижно. Во-вторых, такая схема не позволяет наблюдать всю картину события. Будет ли зафиксирована частица, родившаяся в результате столкновения, зависит от направления ее движения. Пробелы приходится восстанавливать с помощью моделирования.

«Есть процессы, которые просто невозможно изучить таким образом», — констатирует Кекелидзе.

«Нуклотрон» как самостоятельный ускоритель тоже работает по этой схеме. При этом энергии частиц в нём меньше, чем у FAIR, так что российский ускоритель дополняет своего «коллегу» в области низких энергий.

Когда же вступят в строй коллайдерные кольца, начнутся другие опыты. Напомним, что коллайдер — это ускоритель, в котором сталкиваются пучки частиц, летящие навстречу друг другу.

«Столкновение двух пучков напоминает ситуацию, когда два снайпера с расстояния нескольких километров пытаются попасть пулей в пулю, — делится сравнением Владимир. — Попадает примерно каждая тысячная [частица]».

Поэтому в таких экспериментах количество столкновений частиц значительно меньше, чем в опытах с неподвижной мишенью. Зато гораздо выше энергия столкновений, ведь обе сталкивающиеся частицы движутся с околосветовой скоростью. К тому же детектор фиксирует все частицы, родившиеся в результате столкновения, так что физики получают полную картину события. В таком режиме энергия частиц у NICA будет значительно выше, чем у FAIR. Получается, что российский ускоритель дополняет «коллегу» с двух сторон: в области низких энергий в опытах с неподвижной мишенью и в области высоких — в экспериментах со встречными пучками.

«Других подобных установок в мире пока нет», — резюмирует Кекелидзе.

Частицы и люди
slide1
slide2
slide3
1 из 4

Около 30% работников проекта NICA моложе 35 лет. Это не случайно. В Дубне создан «университетский пояс», в который входят университет «Дубна», филиалы МГУ и МИРЭА, а также кафедры МФТИ и МИФИ, университетов — участников проекта «5-100». Школы и практики, проводимые ОИЯИ, ежегодно собирают сотни молодых ученых.

Молодой инженер Константин Шевченко — уроженец Дубны. Окончив Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), он в 2011 году стал сотрудником Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) ОИЯИ, где и сосредоточена работа над созданием NICA. МИРЭА — один из очевидных кандидатов в число университетов, которые примут участие в формировании сети национальных лидеров высшего образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы».

«Это интересная, нестандартная работа, — рассказывает Шевченко. — Мы здесь разрабатываем с нуля уникальные вещи».

Свои дальнейшие карьерные планы инженер уверенно связывает с коллайдером.

«Когда его (ускоритель. — Прим. ред.) запустят, это не значит, что пропадет необходимость в разработке новых изделий и устройств, — подчеркивает специалист. — Время не стоит на месте. Чтобы ускоритель оставался современным и работал на высоком уровне, мы будем постоянно изготавливать нечто новое».

Молодые ученые из других стран также проявляют большой интерес к проекту. Крыстиан Рослон из Варшавского политехнического университета стал сотрудником ЛФВЭ ОИЯИ, приехав для этого из Польши в Россию.

«Обычно такой физик, как я, занимающийся физикой высоких энергий, работает с данными, то есть сидит возле компьютера и считает разные вещи, — рассказывает молодой ученый. — Но комплекс NICA сейчас строится. Это значит, что многие вещи можно увидеть [своими глазами] и сделать своими руками. Для такого физика, как я, интересно увидеть всё с самого начала, увидеть, как работают детекторы, какой детектор за что отвечает и так далее».

Рослона привлекают и другие стороны огромного начинания.

«Проект NICA иной, нежели другие проекты. Это совершенно другая физика, — отмечает эксперт. — Энергия, с которой будут сталкиваться тяжелые ионы, [очерчивает] очень интересный регион, который еще не был хорошо исследован. Можно получить много интересной информации».

Рослон собирается работать в проекте как минимум до запуска коллайдера. Он не строит планов на десятилетия: в мировой науке сильны традиции мобильности, когда исследователь каждые несколько лет меняет место работы. Таким путем молодой ученый сможет принести в любой университет мира уникальный опыт, полученный в работе над созданием российского коллайдера. А на его место придет новый специалист, который привнесет в команду свои знания и индивидуальный взгляд на задачи. Так устроен огромный бурлящий котел науки.

Большая наука большой страны

NICA — один из мегасайенс-проектов, которые прицельно поддерживаются государством в рамках национального проекта «Наука». Начало международных научных исследований на коллайдере внесено в календарь событий национального проекта и намечено на 2022 год. Создавая научные установки такого масштаба и степени уникальности, Россия формирует точки притяжения как для собственных, так и для иностранных ученых. Ускоритель мирового класса, безусловно, соответствует статусу мировой научной державы, который постепенно возвращает себе наша страна.

Федеральные проекты в сфере высшего образования включены в национальный проект «Образование». Их цель — обеспечение глобальной конкурентоспособности российской высшей школы. «Молодые профессионалы» — проект, направленный на формирование сети национальных лидеров высшего образования.

Университеты-лидеры проведут обновление содержания образовательных программ за счет реализации проектов в ходе обучения, решения профессиональных задач (практико- и проектно-ориентированные программы) в кооперации с работодателями, а также обеспечат переход на модульное построение образовательных программ с включением «коротких» программ (адаптивность и гибкость). Со стороны государства будут обеспечены технологическая инфраструктура онлайн-обучения, нормативно-правовая база для использования онлайн-курсов и развития академической мобильности студентов. Также будут созданы условия для академической мобильности (в первую очередь внутрироссийской) научно-педагогических работников и поддержаны лучшие практики. Системным эффектом от реализованных мероприятий будет являться повышение востребованности выпускников организаций высшего образования на рынке труда.