«Мировая научная держава»: как в России развивается фундаментальная наука международного уровня

В России создаётся ряд научных проектов класса «мегасайенс». Речь идёт об установках для фундаментальных физических исследований, которые позволяют учёным всех стран изучать природу Вселенной и делать открытия в области физики элементарных частиц. Так, в 2022 году в России запланирован запуск коллайдера NICA, установка возводится в подмосковной Дубне. Уже работает нейтринный телескоп Baikal-GVD — собранные устройством данные помогут учёным найти ответы на многие вопросы. В День российской науки RT публикует подборку самых значимых научных установок, которые строятся или уже действуют в России.

• Gettyimages.ru
• © KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY

8 февраля отмечается День российской науки. Он был учреждён в 1999 году президентским указом — «следуя историческим традициям и в ознаменование 275-летия со дня основания в России Академии наук».

Российская академия наук (РАН) была основана по распоряжению императора Петра I указом правительствующего Сената от 8 февраля (28 января по старому стилю) 1724 года и в 1991 году воссоздана указом президента Российской Федерации в качестве высшего научного учреждения страны.

RT собрал подборку наиболее крупных российских научных проектов, имеющих большое значение для мировой науки.

Моделирование Вселенной

На 2022 год намечен ввод в эксплуатацию коллайдера NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Возведение ускорительного комплекса стартовало в 2013 году в подмосковной Дубне на базе Объединённого института ядерных исследований.

Речь идёт о проекте класса «мегасайенс» — так сегодня называют сверхмощные и дорогостоящие комплексы, позволяющие проводить исследования мирового значения. Как правило, такие проекты реализуются в условиях международной кооперации.

• Коллайдер NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility)
• © NICA

В проекте NICA задействованы около 300 учёных из 70 институтов 32 стран мира. Коллайдер позволит физикам воссоздать в лабораторной среде процессы и условия, возникавшие на заре существования нашей Вселенной, чтобы пролить свет на её историю. В ускорителях эти состояния воспроизводятся путём столкновения тяжёлых ионов.

Одним из ключевых элементов нового коллайдера является экспериментальная установка MPD (Multi-Purpose Detector, многоцелевой детектор), предназначенная для исследований столкновений тяжёлых ионов. Она будет располагаться в одной из двух точек пересечения пучков коллайдера NICA.

Сборка всей конструкции началась в декабре 2021 года, когда в туннеле ускорителя был установлен первый сверхпроводящий магнит.

Ядерный ПИК

В 2022 году также должен выйти на полную мощность в 100 МВт высокопоточный исследовательский ядерный реактор ПИК.

Его пуск состоялся 8 февраля 2021 года — тогда в торжественной церемонии принял участие по видеосвязи президент России Владимир Путин.

Установка расположена в Гатчине, на площадке Петербургского института ядерной физики им. Константинова, который входит в Курчатовский институт.

Реакторный комплекс ПИК тоже является проектом класса «мегасайенс» и включён в правительственную программу создания мегаустановок мирового уровня в России.

• Сотрудники выполняют работы по монтажу элементов исследовательского ядерного нейтронного реактора ПИК
• РИА Новости
• © Алексей Даничев

Строительство высокопоточного исследовательского ядерного реактора ПИК стартовало в 1976 году. К середине 1980-х он был построен наполовину, но авария на Чернобыльской АЭС заставила конструкторов пересмотреть проект для повышения его безопасности.

С началом 1990-х работы над реактором были остановлены. Разморозка проекта началась в середине 2000-х годов.

ПИК — один из самых мощных в мире высокопоточных источников нейтронов. Комплекс предназначен для исследований в сфере физики фундаментальных взаимодействий, ядерной физики, физики конденсированного состояния, материаловедения, молекулярной биофизики, производства изотопов.

Ключевую роль для исследователей играет такая характеристика реактора, как поток нейтронов — их количество, пересекающее определённую площадь в единицу времени. Если поток небольшой, для получения данных эксперимент должен длиться долго. Высокопоточный реактор, к которым относится ПИК, позволяет значительно ускорить исследования.

На мощность в 10 МВт ПИК вышел к августу 2021 года, тогда же были запущены пять экспериментальных станций и проведены первые международные эксперименты с участием научных партнёров из Германии.

Как отмечают учёные, поток нейтронов является уникальным исследовательским инструментом. Таким потоком можно просвечивать объекты, чтобы изучать их структуру. Поляризованный поток нейтронов даёт ещё больше возможностей: отслеживая его, физики могут делать выводы о магнитных и других свойствах просвечиваемого вещества.

«Это совершенно необходимо в современных биологии, материаловедении, медицине, исследованиях археологических артефактов, предметов искусства и других», — пояснил ранее в комментарии порталу «Научная Россия» заместитель директора Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова по научной работе Владимир Воронин.

Ловец нейтрино

В марте прошлого года на Байкале состоялся запуск крупнейшего в Северном полушарии глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD.

Телескоп состоит из кластеров, каждый из которых собран из 288 оптических детекторов. Детекторы объединены в гирлянды, погружённые на дно Байкала. Суммарный объём конструкции — порядка кубического километра.

Работа над созданием телескопа была начата в 2010—2011 годах. Первый кластер заработал в 2016 году, затем с каждым годом их количество увеличивалось. Проект — результат международной коллаборации, основными российскими участниками которой являются Институт ядерных исследований РАН, Объединённый институт ядерных исследований (Дубна), Иркутский государственный университет, МГУ имени М.В. Ломоносова.

• Глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD
• РИА Новости
• © Кирилл Шипицин

Нейтринный телескоп способен регистрировать слабые световые вспышки, возникающие при столкновении нейтрино космического происхождения с водой. Напомним, нейтрино — фундаментальные частицы, не имеющие заряда и обладающие очень малой массой, а также крайне слабо взаимодействующие с веществом, что усложняет наблюдения за ними.

Чтобы обнаружить нейтрино, требуется большой объём вещества. При столкновении нейтрино с протонами и нейтронами внутри атома возникают вторичные частицы, испускающие синий свет — его называют излучением Черенкова. Наблюдать это явление можно с помощью большого прозрачного детектора, укрытого от солнечного света. Учёные используют в этих целях подводное или подлёдное пространство. Наблюдение за нейтрино, рождёнными в космосе, помогает учёным узнать историю Вселенной и её фундаментальные закономерности.

В июле 2021 года пресс-служба Института ядерных исследований РАН сообщила, что с помощью Baikal-GVD обнаружили предположительные следы астрофизических нейтрино. Эти результаты были получены за время наблюдений в 2018—2020 годах.

Сибирский СКИФ

В январе 2022 года госкорпорация «Росатом» выдала разрешение на строительство Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») в наукограде Кольцово под Новосибирском.

Ранее, в декабре 2021-го, положительное заключение на проектную документацию ЦКП «СКИФ» выдала Главгосэкспертиза России. В качестве заказчика строительства выступает Институт катализа имени Борескова Сибирского отделения РАН, изготовлением и сборкой установки занимается Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Строительство ведётся в рамках национального проекта «Наука и университеты». Планируется, что первый эксперимент на новом синхротроне будет проведён в конце 2023 года.

• Ускорительный комплекс электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000
• РИА Новости
• © Григорий Сысоев

Напомним, синхротронным излучением (СИ) называют электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Речь идёт о потоках фотонов, отделившихся в магнитном поле от электронов. Синхротронное излучение позволяет изучать атомную структуру молекул. Его используют для исследований в материаловедении, химии, биологии, медицине и других сферах.

До 1960-х годов для исследования структуры вещества использовали рентгеновские трубки. Однако синхротронное излучение даёт учёным гораздо большие возможности, его яркость выше рентгеновского в миллионы раз. Для проведения таких исследований строят специальные установки — синхротроны.

Синхротроны состоят из двух основных элементов: самого ускорителя частиц, в котором заряженные электроны достигают скорости света, разгоняясь по кольцевой траектории, а также принимающих излучение станций-лабораторий, где оно изучается.

СКИФ будет включать 30 таких экспериментальных станций. Уникальность строящегося синхротрона заключается в том, что он будет иметь самый маленький эмиттанс — объём фазового пучка излучения — из всех существующих сегодня в мире источников синхротронного излучения. Это откроет возможность для проведения очень точных исследований.

«Создание ЦКП «СКИФ» даст системный эффект для развития науки и промышленности России. Технологии, полученные с использованием СИ, могут быть применены в машиностроении, на добывающих и перерабатывающих предприятиях, в микроэлектронной и химической промышленности, энергетике и ВПК», — отмечается на сайте «Росатома».

ЦПК «СКИФ» уже включён в Европейскую лигу источников синхротронного излучения (League of European Accelerator based-Photon Sources, LEAPS). Об этом в прошлом году рассказал СМИ директор ЦКП «СКИФ» Евгений Левичев.

«Царь-лазер»

В начале 2022 года планируется запуск первой очереди самой мощной в мире лазерной установки УФЛ‑2М, которую СМИ окрестили «Царь-лазером». О сроках запуска осенью 2021 года рассказал научный руководитель Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики Вячеслав Соловьёв в интервью порталу «Страна Росатом».

«Первая очередь будет запущена в начале следующего года. Это четверть каналов, на которых уже можно будет проводить определённого класса исследования. На полную мощность лазер заработает в 2027 году», — пояснил он.

• Элементы лазерной установки УФЛ‑2М
• © РФЯЦ-ВНИИЭФ

«Нам предстоит изучить возможность зажигания термоядерных мишеней лазером, сформировать облик этих мишеней, исследовать вопросы турбулентного перемешивания и взаимодействия лазерного излучения с плазмой. Эти исследования мы как раз и будем выполнять на первой очереди УФЛ‑2М», — добавил он.

Первый модуль установки УФЛ-2М был запущен в конце 2020 года. Установка возводится в Сарове (Нижегородская область). Камера, в которой лазерные импульсы будут воздействовать на мишени, была собрана в 2019 году.

Масса камеры — 120 тонн, она представляет собой сферу из алюминиевого сплава диаметром в 10 м.

Мишенью в данном случае называют оболочку, на внутреннюю поверхность которой наносится слой дейтерия.

Напомним, разработки в сфере лазерного термоядерного синтеза ведутся с 1960-х годов, когда советские учёные установили, что с помощью мощного лазерного импульса можно запустить термоядерную реакцию. Первые опыты по лазерному сжатию сферических термоядерных мишеней были проведены в СССР в 1970-х годах, исследования продолжаются и сейчас.

После завершения строительства твердотельный лазер установки УФЛ-2М будет иметь 192 лазерных канала, то есть сможет создавать 192 лазерных луча, способных облучать мишень со всех сторон.

Пока что в мире не проводилось успешных опытов по зажиганию термоядерной мишени лазером. Для запуска термоядерной реакции необходимо маленькое количество вещества равномерно сжать до очень высокой плотности. Такие опыты уже пытались осуществить на американской установке NIF, однако они не увенчались успехом — установка не смогла обеспечить равномерность сжатия мишени.

Российские учёные ожидают, что конструкция УФЛ-2М позволит достичь этой цели.

Напомним, термоядерный синтез происходит при слиянии лёгких ядер атомов, в первую очередь водорода. Реакция начинается при очень высокой температуре и давлении, в процессе часть массы вещества преобразуется в энергию.

Поиск «очарованных»

В ноябре 2021 года пресс-служба Института ядерной физики им. Г.И. Будкера сообщила о создании международного партнёрства, которое будет координировать разработку проекта детектора и развитие физической программы эксперимента на электрон-позитронном коллайдере нового поколения «Супер С-тау фабрика» (Super Charm-Tau Factory). 

В объединение вошли, помимо ИЯФ, научные группы Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, НИУ ВШЭ, Объединённого института ядерных исследований (Дубна), ряд других российских вузов, а также иностранные научные центры: германский Гисенский университет имени Юстуса Либиха (JLU) и мексиканский Центр современных исследований CINVESTAV.

Строящийся в Сарове коллайдер станет ускорительным комплексом для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками в диапазоне энергии от 2 до 5 ГэВ и с беспрецедентным уровнем светимости — на два порядка превышающим показатель, достигнутый к сегодняшнему моменту в мире.

• Вход в здание Института ядерной физики имени Г.И. Будкера в Новосибирске
• РИА Новости
• © Григорий Сысоев

Напомним, светимостью ускорителя в ядерной физике называют характеристику, показывающую количество взаимодействий между частицами пучка испускаемых частиц и мишени в секунду и при единичном сечении этого взаимодействия. Эта характеристика применяется и к ускорителям с неподвижными мишенями, и к коллайдерам, где используются встречные пучки.

Достичь такого роста светимости позволит новый метод CrabWaist, разработанный специалистами INFN (Италия) и ИЯФ СО РАН.

Коллайдер будет предназначен для поиска «новой физики» в редких или запрещённых Стандартной моделью распадах очарованных частиц и тау-лептона.

Напомним, Стандартной моделью называют современную теорию строения и взаимодействий элементарных частиц, проверенную экспериментально. Данная модель не считается окончательной теорией элементарных частиц, предполагается, что она — лишь часть более всеобъемлющей теории.

Проект создания такого ускорителя был впервые рассмотрен и одобрен в 2011 году на заседании Европейского комитета по будущим ускорителям (ECFA). В том же году проект «Супер С-Тау фабрики» вошёл в число проектов класса «мегасайенс», отобранных правительственной комиссией для реализации в России.

«Переворот в науке»

По словам заместителя директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук, профессора Георгия Тихомирова, сегодня главные научные открытия в космологии, астрофизике, физике высоких энергий делаются именно в рамках совместных международных проектов, в которых активно участвуют российские учёные.

«Тот факт, что Россия входит во все ведущие международные коллаборации, — лишнее напоминание о том, что мы мировая научная держава», — пояснил эксперт в беседе с RT, напомнив о важности господдержки фундаментальных исследований.

• Gettyimages.ru
• © alengo

Учёный напомнил о федеральной научно-технической программе развития синхротронных и нейтронных исследований, которая была утверждена правительством в 2020 году. Программа подразумевает не только участие российских учёных в международных научных проектах, но и создание таких «мегасайенс»-установок в России.

«Это очень важно. Кроме того, важно привлекать в науку молодёжь и поддерживать её. До сих пор социальный статус учёного в глазах общества недостаточно высок. Сейчас мы пытаемся преодолевать последствия 1990-х и 2000-х годов, которые обескровили науку. И нам предстоит ещё большая работа в этом направлении», — отметил Тихомиров.

Профессор кафедры теоретической физики физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук, член президиума РАЕН Юрий Владимиров считает, что фундаментальные исследования являются локомотивом для прикладной сферы.

«Устройство элементарных частиц, элементов, их взаимодействие — от наших знаний в этих областях зависит прогресс техники. В компьютерах, смартфонах уже реализуются знания, полученные ранее в рамках фундаментальных физических исследований», — отметил учёный в комментарии RT.

Сейчас фундаментальная физика будет определять даже развитие такой далёкой от естественных наук сферы, как философия, уверен эксперт.

«Вообще, есть закономерность: в первой трети каждого века происходили серьёзные пересмотры оснований всей физики. В начале прошлого века такой революцией стало создание квантовой теории, создание теории относительности. Веком раньше — создание геометрии Лобачевского, теоретической механики. Так что, судя по всему, сейчас тоже идёт некий процесс, хотя его не все замечают, намечается новый переворот в науке», — подытожил Юрий Владимиров.

Источник