Loading...

Ренессанс ядерной физики в России
Piqsels / Zubetto / Flickr

СКИФ, NICA, DARIA и другие перспективные проекты ускорителей заряженных частиц обсудили на заседании Президиума РАН 14 сентября. Академики согласовали план действий по выводу российской физики на международный уровень.
«Создание крупных научных ускорительных установок затормозилось»

В начале заседания президент РАН Александр Сергеев объявил, что собрание по выборам в новые члены Академии наук состоится весной 2022 года. Осеннее собрание членов РАН было решено сделать тематическим и посвятить его роли науки в преодолении пандемии и посткризисном развитии общества. «Выборное собрание проходит в очном режиме, и эта форма проведения чрезвычайно важна. Мы надеемся на ослабление напряжения, связанного с пандемией, хотя надо готовиться и к ситуации, когда мы не сможем провести полноформатное выборное собрание в очном режиме. Осеннее собрание этого года мы делаем не выборным, а тематическим. И поскольку вопросы, связанные с медициной, биологией, смежными науками, экономическими вопросами, крайне важны сейчас, разумно посвятить сессию им», — пояснил президент РАН.

После этого Президиум перешел к обсуждению научного вопроса повестки: «Развитие ускорителей заряженных частиц в России и в мире для фундаментальной науки, медицины и высоких технологий». Во вступительной речи Александр Сергеев рассказал об эволюции ускорителей и открытиях, которые стали возможны благодаря их появлению. «Ускорители, появившиеся около ста лет назад, существенным образом изменили науку, поскольку явились новым и очень мощным инструментом и для познания природы, и для различных приложений. Это направление действительно развивается и в фундаментальных исследованиях, и в различных приложениях», — подчеркнул академик. Сергеев добавил, что, несмотря на то, что «одна из главных тематик — это познание мира», ускорители также играют важную роль и в народном хозяйстве, медицине и других прикладных задачах.

Автор основного доклада, академик РАН Борис Шарков, рассказал об ускорителях, действующих на сегодняшний в России и в мире, и их практическом применении. Он начал свое выступление с обозначения роли ускорителей заряженных частиц, назвав их одним из основных инструментов современной ядерной физики и физики элементарных частиц. «Подавляющее большинство результатов фундаментального характера физики частиц и ядерной физики было получено в экспериментах на ускорителях», — заявил академик. Борис Юрьевич подчеркнул, что важно участие российских ученых в крупных международных проектах: «Современные ускорители высоких энергий — огромные дорогостоящие комплексы, требующие значительного финансирования и межгосударственного сотрудничества большого числа стран. Однако участие в таких проектах обеспечивает нашим отечественным ученым постоянное информирование и получение доступа к самым передовым технологиям. <…> Необходимо сохранять российское участие в ведущих проектах будущего. В частности, проектируемый сейчас ускоритель с туннелем на 100 км Future Circular Collider».

Борис Шарков отметил, что из ~42 тысяч ускорителей, действующих сейчас в мире, только около 2% имеют энергию около 1 ГэВ и выше и используются для фундаментальных исследований в ядерной физике и физике элементарных частиц. Более 40 тысяч ускорителей суммарно используется для нужд медицины, промышленности и сельского хозяйства. «В России работает около 460 ускорителей, 170 из которых используется для науки, 150 для медицины, 100 для промышленности и 40 для таможни», — добавил академик РАН.

Также Шарков рассказал о существенном вкладе советских и российских ученых в развитие «ускорительных» технологий и сделал обзор современных ускорителей, действующих на территории нашей страны. Не обошел вниманием Шарков и проблемы этой области физики, например сокращение количества работы, выполняемой на ускорителях, постепенное устаревание и вывод из эксплуатации оборудования. «На фоне общего депрессивного состояния фундаментальной науки в стране создание крупных научных ускорительных установок затормозилось. Это привело к существенному отставанию в развитии отечественных ускорительных технологий по целому ряду важнейших направлений, а также ощутимым кадровым потерям в ускорительных центрах», — добавил академик РАН.

Он рассказал и о практическом применении ускорителей, например для стерилизации и обеззараживания медицинских изделий, обработки продуктов питания, модификации полимеров, гражданской безопасности и терапии злокачественных образований. «Санкционная политика в отношении высоких технологий для России заставляет по-новому взглянуть на необходимость развивать ускорители для социально значимых прикладных применений и, прежде всего, для ядерной медицины», — заключил он.

Затем Шарков презентовал программу развития физики технологий ускорителей, созданную в результате совещания ведущих «ученых-ускорительщиков». Он рассказал о комплексе NICA в Дубне и других перспективных установках, необходимых к созданию по мнению научного сообщества. Академик упомянул о новом подходе — коллективных методах ускорения, позволяющих разогнать пучок электронов до фантастических энергий на очень небольших дистанциях. «Наша программа призвана восстановить в России и поднять на современный уровень экспериментальную базу исследований по ядерной и физике частиц на основе ускорителей», — подытожил Шарков.

«Это совершенно новый этап в физике, новая эра в материаловедении!»

Со вторым докладом «Источники синхротронного излучения четвертого поколения и лазеры на свободных электронах — основа современной кристаллографии и материаловедения» выступил вице-президент НИЦ «Курчатовский институт» Александр Благов. В начале выступления он упомянул о двух важных событиях, произошедших в этом году в области ядерной физики: энергетическом пуске исследовательского реактора ПИК (в феврале) и физическом пуске токамака Т-15МД (в мае 2021 года). Токамак, ставший первой за 20 лет новой термоядерной установкой в России, в 2022 году планируют нагреть до ста миллионов градусов для изучения плазмы.

Александр Благов рассказал об истории развития источников синхротронного излучения, обрисовал перспективы применения современных установок и осветил амбициозные планы по их строительству в мире. По его словам, интерес к источникам четвертого поколения и к лазерам на свободных электронах (FEL) объясняется тем, что только с их помощью можно изучать объекты на атомном уровне. По аналогии с кристаллографией ХХ века, где с помощью рентгеновского излучения можно было «увидеть строение» довольно большого кристалла с упорядоченной структурой, в XXI веке когерентное излучение поможет определить состав аморфных кристаллов очень маленького размера. «Мы сможем восстановить атомную структуру неупорядоченных образцов — это совершенно новый этап в физике, новая эра в материаловедении!»

Вице-президент НИЦ «Курчатовский институт» выделил еще одно важное преимущество этих источников — возможность изучать биологические объекты очень маленького размера для создания новых лекарств и медицинских технологий. В частности, становятся доступными структуры мембранных белков. «Практически 50% известных лекарств оперируют с мембранными белками, воздействуя на их активность. И всего лишь для 1% известных нам мембранных белков мы знаем структуры», — рассказал Благов. На примере фотоактивного желтого белка он продемонстрировал преимущества лазера на свободных электронах: удалось не только изучить структуру белка, но и с разрешением в несколько пикосекунд увидеть его движение и работу в организме бактерии.

В заключение Благов рассказал о Федеральной научно-технической программе «Развитие синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы» и установках класса «Мегасайенс», которые, согласно замыслу, будут созданы по всей стране. Установки трех категорий: «опережающие мировой уровень», «базовые установки» и «технологические и специализированные установки, в том числе для ядерной медицины», сформируют единую сеть с интеграцией, распределением задач и ресурсов и будут работать на получение прорывных результатов, развитие регионов и трансфер научных результатов в технологии. Отвечая на вопрос президента РАН Сергеева, Благов заявил, что на данный момент в Курчатовском институте работают три станции, способные расшифровать структуру белка. «Передайте им, пусть приходят, мы с удовольствием проведем эксперименты», — добавил он.

Все ускорители важны, все ускорители нужны

Сообщение по работе коллайдера NICA сделал академик РАН Игорь Мешков. Это новый ускорительный комплекс, который создается на базе ОИЯИ (г. Дубна) с целью изучения свойств плотной барионной материи. По словам академика РАН, у проекта есть своя ниша — NICA работает на определенных энергиях, которые не перекрываются с диапазоном работы больших коллайдеров типа LHC (Большого адронного коллайдера в CERN) и RHIC (Релятивистского коллайдера тяжелых ионов, расположенного в Брукхейвенской национальной лаборатории, Нью-Йорк). «Но у нас уже есть три конкурента, которые собираются понижать энергии, — добавил Игорь Мешков. — В той же Брукхейвенской лаборатории и в CERN уже давно ведутся эксперименты, в Германии создается проект FAIR, а у нас — NICA. Это и будет максимально плотная барионная материя, недостижимая на других установках». Он рассказал об основе проекта — сверхпроводящих магнитах, разработанных в ОИЯИ. На их основе был создан и уже успешно прошел испытания один из элементов ускорителя — Бустер-синхротрон. Коллайдер находится в стадии завершения строительства и готовится к запуску в следующем году.

Директор по научной работе ИЯФ СО РАН Евгений Левичев рассказал об ускорителях, действующих в Институте ядерной физики на данный момент, а также планах на будущее. «С 2006 года мы развиваем проект Супер Чарм-Тау фабрика. Это современный двухкольцевой, многосгустковый коллайдер с большими токами электронов и позитронов», — пояснил он. Также Левичев рассказал о новом синхротроне четвертого поколения «СКИФ», энергия 3 ГэВ которого даст возможность для новых открытий. «Чем выше яркость, тем более привлекательна такая машина для исследователей. Например, один и тот же эксперимент на машине с меньшей яркостью займет минуту, а с большей — доли секунд. С участием источников третьего поколения за последние два десятилетия было получено восемь или девять нобелевских премий. С увеличением яркости появится возможность делать еще более интересные эксперименты», — добавил он, и, отвечая на вопрос президента РАН, пригласил всех на запуск установки 30 декабря 2023 года.

Никита Марченков, и. о. руководителя Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований, рассказал о СИЛЕ — синхронном комплексе 4-го поколения с рентгеновским лазером на свободных электронах. «Установка СИЛА на сегодняшний момент запланирована в ряду наилучших аналогов, которые существуют и которые будут появляться даже с учетом программ модернизации уже имеющихся установок в США, Японии и Европе», — пояснил он. По его словам, на сегодняшний день утверждена схема установки, которую планируется создавать в несколько этапов в течение 10 лет. Также он сообщил, что до 2024 года планируется провести все проектные работы и разработку головных образцов, чтобы затем в несколько этапов построить сам ускоритель.

Сотрудник МИФИ Сергей Полозов сделал доклад о линейных ускорителях электронов для прикладного назначения. Он рассказал о сотрудничестве МИФИ с НПП «Корад» и совместном производстве компактных ускорителей, работающих на небольших энергиях, для прикладных нужд. Один из примеров — недавно переданная заказчику установка для стерилизации фруктов, на очереди аппарат для гамма-активационного анализа золотой руды с возможностью обнаружения 0,1 грамма золота на тонну породы. Также Сергей Полозов рассказал о разработке аппаратов, которые будут использоваться в медицинских целях.

О развитии технологии проведения радиационных исследований и испытаний рассказал директор Института ядерной и радиационной физики Николай Завьялов. Он выделил несколько направлений развития института: ускорительная техника, ядерная физика, ядерная медицина, ядерная энергетика, радиационные технологии, радиография, физика высоких энергий и элементарные частицы.

Академик РАН Радий Илькаев поднял вопрос о проблемах ядерно-оружейного комплекса. «Необходимо обеспечить надежность ядерного оружия в течение многих десятилетий без натурных испытаний», — заявил он. По мнению ученого, вся надежда на квалифицированный персонал, отличные физические установки, одни из самых мощных вычислительных центров и хорошие математические программы, ну и, конечно, кооперацию с Академией наук.

Академик РАН Андрей Каприн обозначил несколько проблем российской ядерной медицины. «Мы без лучевой терапии обойтись никак не можем. Это наше самое интересное оружие, жалко, что оно иностранное», — отметил Каприн. По его словам, в рабочие группы по разработке установок и методов ядерной медицины сейчас почти не включены медики, которые являются конечными заказчиками и должны формировать технические требования. Один из ключевых параметров для установок, которые помогают бороться с онкологическими заболеваниями, — точность и точечность воздействия. Также важна компактность, потому что «мы не можем присобачить к физическому институту еще и онкоцентр». И главное — они нужны уже сейчас, подчеркнул академик. «Если даже на 10–15% будут претворены в жизнь планы — медицина и онкология получат большой прорыв, но мы топчемся на месте и не можем пройти сертификацию. Должны быть компании, которые согласятся сотрудничать и возьмут на себя менеджмент», — поддержал коллегу Евгений Чойнзонов, директор НИИ онкологии ТНИМЦ РАН.

Академик РАН Павел Логачев также рассказал о важности проекта NICA: «Эта машина не только выведет нас на долгие годы на передний край этой науки, позволит нам развивать те методы расчетов и вычислений, которые нам совершенно недоступны, поскольку непонятен экспериментальный базис этих теорий, но и позволит нам сильно продвинуть кадровый потенциал». «Есть у нас в России еще один важный задел (их не так много у нас) это задел по электрон-позитронным коллайдерам, который в течение 60 лет формировался в Институте ядерной физики. С 1965 года коллайдеры работают непрерывно по сегодняшний день. Сегодня мы способны держать мировые лидирующие компетенции в этом направлении. Это эксперименты точно нобелевского уровня, их нельзя терять», — добавил академик. «Установки для физики высоких энергий строить дорого, и сегодня это под силу только совместным усилиям самых развитых индустриальных стран. Но физика низких энергий остается тем полем, на котором не менее плодотворно можно выращивать нобелевские премии», — высказался заместитель директора по научной работе и ускорительному направлению Тимур Кулевой. Итоги докладов и обсуждения темы подвел академик РАН Валерий Рубаков: «Ускорительная физика и ускорительная техника — это та область науки, в которой наша страна традиционно была сильна и остается сильной».

«Видно, что в области создания современных ускорителей мы пытаемся не упустить лидеров. В каких-то направлениях занимаем уникальные ниши», — подытожил выступления президент РАН Александр Сергеев.


Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Facebook и Twitter.