«Новая физика» руками всего человечества

Каждый день ученые со всего мира строят все более технологически развитое будущее. Физика за пределами Стандартной модели перестает быть вне понимания человечества. Масштабные научные проекты, уникальные по своей мощности установки, требующие огромного научного потенциала не только отдельной страны, но и всего мира, входят в понятие MegaScience. Развитие «супернауки» — это шаг к новому восприятию Вселенной.

Директор Департамента науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации Сергей Владимирович Салихов на форуме Технопром-2016 представил разработанную в Министерстве карту меганаучных открытий и отметил, что на сегодня изучены только три ее «среза»: установки типа ускорители, токамаки (камеры, в которых плазма в процессе термоядерного синтеза удерживается магнитным полем) и оборудование, связанное с телескопами.

На сегодняшний день самыми технически «густонаселенными» являются территории Европы и США, несмотря на то, что изначально Советский Союз был основоположником мега-установок. Тем не менее, по словам Салихова, сейчас Россия является одним из самых значимых в мире «игроков», без российских ученых не было бы возможно функционирование и строительство Большого адронного коллайдера: «Практически все четыре основных эксперимента на БАК — ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, — они все работают на наших детекторах, на тех кристаллах, которые выращены у нас. И CERN — можно сказать, это выставка достижений российской науки».

Существуют и другие важные мега-проекты, в которые Россия внесла большой вклад. Например, основоположником лазера на свободных электронах, который на данный момент строится в Гамбурге, был Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Сейчас российский вклад в разработку и строительство мега-объекта составляет 26 %.

Другая международная установка, которая строится при участии РФ — это FAIR, Европейский центр в Дармштадте по исследованию протонов и антипротонов. Одним из самых значимых проектов с точки зрения результативности Салихов назвал вступление России в Европейский центр синхротронного излучения, что позволит исследователям использовать синхротроны (резонансные циклические ускорители) новейшего четвертого поколения, каких еще нет в РФ.

Отечественный прорыв

На MegaScience-карте России есть шесть проектов. Комплекс «ПИК» (исследовательский ядерный нейтронный реактор), токамак в Троицке, «Игнитор» — план по созданию исследовательского термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, который разрабатывается совместно с итальянскими партнерами, синхротрон четвертого поколения и новосибирский ускорительный комплекс на электронно-позитронных пучках «Супер чарм-тау фабрика». Последний проект — это NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), отечественный коллайдер протонов и тяжелых ионов, во многом схожий с вышеупомянутым FAIR, но превосходящий его по мощности.

Заместитель директора лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований Александр Сорин выделил несколько целей проекта: создание в экстремальных условиях той ядерной материи, какая существовала на ранних стадиях эволюции Вселенной и, возможно, есть в недрах нейтронных звезд, и исследование асимптотической свободы кварков (эффект, при котором взаимодействие между частицами становится сколь угодно малым при уменьшении расстояния между ними) в ядерной материи очень высоких плотностей.

В настоящий момент в реализации проекта участвуют 25 стран, включая Германию, Соединенные Штаты, Польшу и Италию, 95 институтов, среди которых российские НИЦ «Курчатовский институт» и физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, новосибирский ИЯФ СО РАН и многие другие. Вместе с тем NICA тесно сотрудничает и с другими мега-проектами, например, c FAIR и CERN.

В Дубне (наукоград, в котором строится NICA) курируются Министерством образования и науки Российской Федерации и развиваются множество образовательных программ, одна из них — совместная с ЦЕРН, в рамках которой проводятся школы по физике высоких энергий. Вокруг NICA создан масштабный университетский комплекс, куда входят филиалы и кафедры таких учреждений как МГУ, МИФИ, МФТИ. Александр Сорин отмечает и другой момент: «На базе комплекса разрабатывается школьная образовательная программа, построенная на принципах интерактивного мультимедийного общения, создаются соответствующие обучающие интернет-ресурсы и учебные материалы для массовых открытых платформ».

Вклад томичей

Российские, и, в частности, сибирские, ученые вносят большой вклад в развитие ядерной физики, в разработку и проектирование установок. В Женеве на Большом адронном коллайдере проводят исследования перспективные специалисты сибирского региона. Так Томский государственный университет в 2015 году был принят в ассоциированные члены эксперимента ATLAS — одного из четырех основных экспериментов, проводящихся на БАК.

Заведующий кафедрой физики полупроводников ТГУ доктор физико-математических наук Иван Варфоломеевич Ивонин рассказывает о квалификационных задачах, выполняемых университетом: «Первая — разработка систем тестирования электронной компонентной базы, которая будет стоять в новой электронике в канале ионных детекторов (основных элементов регистрирующей системы эксперимента). Вторая — создание  и поставка радиационно стойких детекторов на основе арсенида галлия для размещения на позициях ATLAS и Большого адронного коллайдера».

На сегодня ТГУ не готовит специалистов ядерного эксперимента, тем не менее, по словам Ивана Ивонина, делается все возможное для обучения «боеспособных групп» ученых, которые пройдут через магистратуру МФТИ и смогут работать не только в эксперименте ATLAS, но и в других международных коллаборациях, в том числе и на территории Российской Федерации. «Мы сейчас готовим программу для работы в NICA, это в первую очередь эксперименты в области материаловеденья, радиобиологии и устойчивости радиотехнических схем к воздействию сильных потоков ионизирующих частиц», — дополняет ученый.

Mega-Академгородок

Новосибирский Академгородок в целом и Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера в частности — это целый набор масштабных и важных megascience-проектов. По словам директора Института ядерной физики СО РАН члена-корреспондента РАН Павла Владимировича Логачева в ИЯФ на сегодняшний день работают два электрон-позитронных коллайдера из шести в мире.

Новосибирские установки функционируют с 1968 года. «Это дало прежде всего уникальные знания, технологии, технологический опыт и научные школы, команды, которые постоянно пополнялись молодежью, развивались и дали жизнь новым полезным приложениям. Например, без наших коллайдеров не было бы встречных пучков — мы бы никогда не смогли сделать промышленные ускорители», — рассказывает ученый.

За всю историю ИЯФ СО РАН сделал 260 машин, на сегодня они составляют 7 % мирового рынка. Рентгеновские установки с низкой дозой излучения, но хорошим качеством картинки широко используются в медицине и могут применяться для обследования даже маленьких детей и беременных женщин. Досмотровые установки «Сибскан», сконструированные по технологии ИЯФ, встречаются в аэропортах и предназначены для обеспечения безопасности.

«Супер чарм-тау фабрика» — строящийся ускоритель, цель которого — выявление и изучение процессов, выходящих за рамки Стандартной модели. Павел Логачев объяснил: «Это высокоинтенсивный коллайдер самого современного типа на параметрах, к которым на сегодня никто в мире еще не приближался. Мы получаем в сотню раз более интенсивные пучки, чем те, которые были в самых лучших коллайдерах, и для создания таких технологий нового типа требуются неординарные усилия».

Директор ИЯФ СО РАН прогнозирует, что в стране будут развиваться молодые научные коллективы с самыми передовыми в мире компетенциями в электронике, в физике пучков, в ядерной медицине, биологии и других областях.

Как сказал заместитель директора по международной деятельности российского научного центра «Курчатовский институт» Михаил Владимирович Попов: «Мegascience-проекты и коллаборация российских ученых в этих проектах являются ярчайшим примером координации действий российских организаций в научной сфере, в столь сложных областях, которыми является физика высоких энергий, физика частиц, высокие технологии и так далее».

Екатерина Никифорова

Фото Елены Трухиной