СОЧИ, ИСКРА, СИМБО — что их объединяет, и при чем тут российский адронный коллайдер

Интервью с ведущим научным сотрудником Лаборатории физики высоких энергий о проекте российского коллайдера NICA.

В июле в Московском государственном университете при поддержке фонда Олега Дерипаска «Вольное Дело» прошла одна из старейших в мире конференций, посвященных актуальным проблемам теоретической и экспериментальной ядерной физики, «Ядро-2022: Физика атомного ядра и элементарных частиц». На протяжении 72 лет конференция и презентуемые в рамках нее исследования в сфере ядерной физики во многом определяют научно-технологический прогресс и то, в каком мире мы с вами живем и что знаем о нем. 

В рамках конференции в этом году были объявлены сроки и последовательность запуска российского коллайдера NICA, который строится в подмосковной Дубне на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). NICA — это один из восьми проектов класса «мегасайенс» в России, уникальных сверхмощных научных комплексов для исследований на мировом уровне. Они создаются благодаря национальному проекту «Наука и университеты» для решения ключевых задач современной науки. Сергей Мерц, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий, рассказал, как идет работа над NICA, и какой вклад этот проект сможет внести в развитие фундаментальной науки и технологий.

Как построена работа над проектом NICA в Объединенном институте ядерных исследований? В частности, в чем роль вашей лаборатории?

Объединённый институт ядерных исследований включает в себя семь лабораторий в подмосковной Дубне. На базе одной из них — Лаборатории физики высоких энергий, где я работаю — как раз строится коллайдерный комплекс NICA. Другие подразделения института также участвуют в проекте. Так, признанные эксперты в области физики частиц, среди которых есть сотрудники Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, подготовили так называемую «Белую книгу», в которой предлагались возможные физические исследования для проектируемого ускорительного комплекса. Лаборатория информационных технологий предоставляет главный вычислительный узел для обработки модельных и экспериментальных данных. В ее составе есть суперкомпьютер, который входит в топ-16 в СНГ по вычислительным мощностям. На этом компьютере планируется обработка большинства данных. Вся информация должна передаваться и записываться со скоростью несколько тысяч соударений в секунду. За год ожидается набор данных в районе 10-15 петабайт. Для понимания, насколько это много: если стандартный двухчасовой фильм занимает примерно 1,5 гигабайт, то в нашем случае объем информации будет эквивалентен более 300 лет непрерывного просмотра. Лаборатория радиационной биологии будет активно участвовать в прикладных исследованиях на выведенных пучках.

По сути, NICA — это российский адронный коллайдер. Чем он отличается от Большого адронного коллайдера в Европе?

Главным образом, энергиями соударения. Диапазон энергии в NICA планируется от 4 до 11 гигаэлектроновольт в системе центра масс — это примерно в 1 000 раз меньше, чем на Большом адронном коллайдере (БАК). Поэтому, когда происходит столкновение в БАК, мы не можем наблюдать образование высокой плотности ядерного вещества и фазовый переход барионной материи в кварк-глюонную плазму и обратно. Здесь уместна аналогия с кипячением воды в чайнике. Если поставить чайник на плиту и моментально увеличить его температуру до тысяч градусов, то вся вода мгновенно превратится в пар — это пример работы Большого адронного коллайдера. Если же воду нагревать постепенно, то будет видно изменение ее состояния от жидкости до газа с изучением фазового перехода — это особенность работы ускорителя NICA. То есть наша цель изучить именно момент перехода материи из одного состояния в другое.

Можно ли считать NICA преемницей советского ускорителя частиц — Синхрофазотрона, увековеченного в популярной культуре песней Аллы Пугачевой?

\Коллайдерный комплекс — это больше, чем ускоритель, их всего несколько в мире. Но Синхрофазотрон, который с 1957 года работал в Дубне — это наш «дедушка». Когда я приехал в Дубну в 2011 году, я тоже думал, что Синхрофазотрон — это что-то старое из песен и фильмов. Но оказывается, он последний свой сеанс отработал в 2001 году, то есть успел поработать в XXI веке. Синхрофазотрон — это огромная железобетонная конструкция, которая весит примерно 36 000 тонн, ее не стали демонтировать. Убрали все содержимое внутри — обмотки и прочее. А саму «катушку» оставили. И фактически часть синхрофазотрона стала тоннелем, внутри которого поместили новый ускоритель — предускоритель «Бустер» — это один из кольцевых ускорителей, осуществляющих каскад ускорения частиц перед тем, как их вывести в кольца самого коллайдера. Так что, в каком-то смысле бывший Синхрофазотрон остается одним из центральных звеньев. 

Когда планируется запустить NICA? 

Мы продолжаем проект и рассчитываем ввести коллайдер в эксплуатацию в 2023 году. Уже этой осенью мы собираемся запустить первый физический сеанс тяжелоионной программы на эксперименте BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) на предускорителе «Нуклотрон», который входит в состав NICA. Цель этого эксперимента — изучение взаимодействия пучков тяжёлых ионов с фиксированными мишенями. А к концу следующего года уже планируем прогнать первые пучки по кольцам коллайдера и зарегистрировать первые столкновения в эксперименте MPD (MultiPurpose Detector). Это еще будут не физические столкновения, но это возможность свести пучки друг к другу, столкнуть, увидеть и записать события. Следующий этап — эксперименты с набором физических данных — запланирован на 2024 год.

Какую теорию призвана подтвердить или опровергнуть NICA?

У нас есть теория Большого взрыва, которая гласит, что все окружающее нас пространство образовалось из некой сингулярности. Это общепризнанная, подтвержденная наблюдениями гипотеза возникновения Вселенной. Но в ней есть белые пятна. Например, что было до Большого взрыва? Или почему элементарные частицы — кварки и глюоны, которые объединяются в нейтроны и протоны, а далее в ядра — потом снова не разделяются? Единственный способ исследовать свободные кварки, находясь на нашей планете, — использовать ускорители частиц. Мы переводим ядерную материю в кварк-глюонную плазму, а затем она обратно возвращается в ядерную материю. Таким образом мы пытаемся понять, что было в первые мгновения после Большого взрыва в эпоху элементарных частиц. 

С другой стороны, изучение плотной ядерной материи может нам помочь понять механизм образование нейтронных звёзд. Нейтронная звезда — это одно из возможных состояний, к которому приходит звезда в астрофизике. Это такие интересные объекты с чудовищной плотностью. Они достаточно компактные, но обладают настолько огромной плотностью, что протоны и нейтроны сжимаются в такую «кашу», что кварки и глюоны оказываются в свободном состоянии.

Какое прикладное применение будут иметь эти исследования? Могут ли они привести к созданию новых источников энергии и технологий?

Всегда можно сказать: фундаментальная наука никому ничего не должна — может, лет через 50 появится какая-то практическая польза. Раньше так и было. Когда Фарадей крутил металлическую рамочку в магнитном поле и смотрел на появление электромагнитной индукции, он вряд ли думал об электричестве в тех масштабах, которые нас окружают сейчас - он исследовал фундаментальный процесс. Когда ученые исследовали лазеры, они тоже не думали, что с их помощью можно будет в будущем делать операции на глазах или пробивать товар в «Пятерочке». Они исследовали фундаментальный процесс вынужденного излучения. 

Но так, конечно, было раньше. Сейчас люди, не связанные с наукой, все больше интересуются (и как налогоплательщики имеют на это полное право), зачем нам нужен коллайдер, эти эксперименты и фундаментальная физика. Поэтому современные эксперименты не только реализуют физическую программу для исследования фундаментальных явлений, но и создают отдельные эксперименты для проведения прикладных исследований. Например, у нас создана коллаборация по прикладным исследованиям в нескольких направлениях. Первое — тестирование на радиационную стойкость электронных микросхем и работы по радиационному материаловедению. Уже смонтирована установка СОЧИ (Станция облучения чипов) и строится ИСКРА (Испытательная станция компонентов радиоэлектронной аппаратуры). Результаты этих исследований могут в будущем применяться для космических полетов.

Еще одна станция будет называться СИМБО (Станция исследований медико-биологических объектов). Это связано с наукой о жизни и влиянием излучения на биологические объекты. Туда планируется привозить приматов и облучать их. Например, есть проблема онкологических заболеваний. Многие раковые опухоли невозможно вылечить операбельным методом, нужно облучение. В частности, есть протонная терапия. Ее суть состоит в том, что заряженные частицы, попадая в человеческое тело, начинают отдавать тем больше энергии, чем сильнее они замедляются. В какой-то момент они останавливаются и выдают максимум своей энергии. Это называется «пик Брэгга» — в честь ученого, который открыл это явление. Сейчас научные центры продолжают изучать, как передать эту максимальную энергию, какие нужны параметры пучков. Такие исследования можно проводить на пучках частиц, которые предоставляют наши ускорительные комплексы.

Сейчас у нас запланированы работы до 2030 года и далее. Но не исключено, что в будущем коллайдер будет использоваться также для других прикладных и исследовательских целей. К примеру, на NICA можно было бы проводить исследования по созданию так называемого подкритического реактора — принципиально новой технологии реакторов. Сейчас деление в ядерных реакторах происходит произвольно, в то время как в теории в подкритическом реакторе для деления ядерного топлива будет необходим постоянный поток в виде пучка протонов. Благодаря этому, остановив подачу пучка протонов можно будет в любой момент остановить реакцию. Это позволит существенно повысить безопасность атомных станций. Такие исследования уже ведутся в ряде стран. Не исключено, что и на NICA мы будем заниматься чем-то подобным.

Насколько сложно сейчас привлекать молодых специалистов в фундаментальную науку?

Современная наука лежит на стыке всего. Это и математика, и физика, и мощный компьютинг —большие данные, вычисления на суперкомпьютерах, программирование. Тут возникает проблема. Еще недавно самые мощные суперкомпьютеры — «Ломоносов» и «Чебышев» — были в МГУ, и использовались они именно для научных исследований. Сейчас же высокопроизводительными вычислениями и машинным обучением занялся бизнес — Сбербанк, Yandex, Тинькофф и другие. Их предложения зачастую сложно перебить, хотя мы и активно зазываем абитуриентов идти в науку. Что характерно, эта проблема присуща не только нашей стране — выпускники естественнонаучных факультетов по всему миру зачастую предпочитают фундаментальной науке работу в корпорациях. Тем не менее, на мой взгляд, тенденция постепенно меняется в положительную для науки сторону.