Знание-сила, 2009 № 01 (979)

За тайнами прошлого ради будущего

Наталия Теряева

То, что было сразу после Большого взрыва, надеются воссоздать физики с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве. Да, возможности этого коллайдера превосходят возможности лучших современных ускорителей в сотни раз. Да, есть большие надежды на то, что загадочные бозоны Хиггса можно будет наконец предъявить человечеству. Но не может один даже самый дорогой ускоритель решить все проблемы науки.

Для поисков каких-то видов частиц нужны, как раньше говорили, сверхвысокие энергии, а для исследования не менее важных для воссоздания адекватной картины мира явлений достаточны и просто высокие энергии. В чем разница между высокими и сверхвысокими энергиями ускорителей? Легко объяснить на примере.

Большой адронный коллайдер предназначен для энергий до 6 ТэВ — 6 тысяч ГэВ, а планирующийся в подмосковной Дубне коллайдер NICA — несколько ГэВ. Разница — в тысячу раз.

Заседание международного координационного комитета проекта NICA

NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — это базирующийся на нуклотроне сверхпроводящий высокоэнергетический ускорительный комплекс тяжелых ионов на встречных пучках. Загадочное слово «нуклотрон» расшифровывается просто — ускоритель ядер. Поэтому нетрудно сообразить, что задуман коллайдер NICA для экспериментов с ядрами атомов. После того как из атома извлекают бегающие по орбитам вокруг ядра электроны, «ободранное» от электронов ядро превращается в положись тельно заряженный ион. И чем тяжелее этот ион, тем интереснее он для исследователей.

При низких энергиях эксперименты с тяжелыми ионами позволили ученым воссоздать целый ряд сверхтяжелых химических элементов, которые не обнаруживаются пока в природе, наверное, в силу очень недолгой продолжительности своей жизни, но которые точно были во времена сотворения мира. Один из таких элементов — номер 105 — назван дубнием, так как синтезирован был в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований путем бомбардировки ядер америция-243 ионами неона-22. Коллектив лаборатории под научным руководством академика Юрия Оганесяна уверенно шагает во главе фронта мировых исследований в области физики тяжелых ионов при низких энергиях. Именно в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций была экспериментально подтверждена гипотеза существования «острова стабильности» — группы долгоживущих сверхтяжелых элементов в море их столь же весомых коллег, моментально исчезающих из нашего мира в процессе распада на части.

При высоких энергиях изучение столкновений тяжелых ионов сулит тоже очень интересные перспективы, способные открыть некоторые тайны Вселенной. А именно: когда случилось то, что мы сегодня называем Большой взрыв — и вдруг появилась наша Вселенная, то она в первые микросекунды представляла собой чудовищной плотности и температуры клубок частиц, взаимодействовавших друг с другом. (Протоны и нейтроны сложились в ядра только минуты через три, а на образование атомов ушло целых 300 тысяч лет.) Теория предполагает, что в те незапамятные первые микромгновения кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, «гуляли» в свободном состоянии, образуя кварк-глюонную плазму или, лучше сказать, материю. До сих пор считалось, будто это что-то вроде слабо взаимодействующего газа из кварков и глюонов, а несколько лет назад выяснилось, что это скорее идеальная жидкость. Факт, вызывавший сначала скепсис у большинства теоретиков и экспериментаторов, в конце концов убедившихся в том, что кварк-глюонная плазма представляет собой самую идеальную жидкость из всех известных нам, стал открытием номер один 2005 года по классификации Американского института физики.

В Брукхейвене на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) кварк-глюонную материю уже пытались обнаружить, но получили лишь косвенные признаки ее существования. Однако есть еще одна тайна у Вселенной — физики-теоретики называют ее смешанной фазой адронной материи. Они считают, что подобно кипению воды, когда одновременно в кастрюле бурлят вода и пар, у кварк-глюонной материи тоже существовала смешанная фаза. Группа дубнинских теоретиков во главе с профессором Вячеславом Тонеевым в своих расчетах исходит из того, что смешанная фаза адронной материи должна включать одновременно свободные кварки, глюоны и протоны с нейтронами, внутри которых кварки уже связаны — склеены глюонами.

Экспериментаторы из Брукхейвена не прочь заняться поисками смешанной фазы, но при тамошних сверхвысоких энергиях пучков фазовый переход просто невозможно заметить. Это все равно, что мгновенно нагревать воду до 1000 градусов Цельсия — она тут же превратится в пар без привычной нашему глазу картины кипения с бурлящими в воде и исходящими паром пузырьками.

Нуклотрон Лаборатории физики высоких энергий имени В.И.Векслера и А.М.Балдина ОИЯИ — сверхпроводящий ионный синхротрон с диапазоном энергий до 5 ГэВ на нуклон — вполне подходит для поисков смешанной фазы адронной материи, считают дубнинские физики. Этот ускоритель был построен в тяжелые 90-е годы и не успел еще проявить свои истинные возможности в должной мере, несмотря на то, что миниатюрные экономичные сверхпроводящие магниты нуклотрона стали яркой инновацией в области технологий строительства ускорителей. Нуклотрон нужно довести до его проектных параметров и использовать в качестве базового элемента нового коллайдера тяжелых ионов, решили в Дубне.

Коллайдер NICA, строительство которого планируется завершить к 2013–2014 годам, если вовремя поступит необходимое финансирование, будет представлять собой каскад четырех ускорителей. Схематично это выглядит так. Источник тяжелых ионов посылает ядра в линейный ускоритель, который будет создан специалистами Института физики высоких энергий из Протвино. Далее пучок летит в бустер-синхротрон, где энергия частиц поднимается до нужной величины. Оттуда 30 сгустков по10 миллиардов ядер в каждом попадают в нуклотрон и, выстраиваясь там сверхпроводящими магнитами в тончайшую нить длиной 30 сантиметров, разлетаются в виде двух встречных пучков из 15 сгустков ядер — каждый в свое кольцо ионного коллайдера длиной 225 метров.

Два кольца коллайдера должны пересечься в двух точках, оснащенных детекторами. Один из них — многоцелевой детектор MPD (Multipurpose Detector), который сможет засечь наличие смешанной фазы и все, что удастся обнаружить в этой области энергий. Его разработкой руководит профессор Владимир Кекелидзе — директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. Детектор сможет обнаруживать частицы, вылетающие из точки соударения пучков по всем возможным направлениям. Для создания прибора с таким высоким уровнем чувствительности потребуются принципиально новые технологические решения.

Другой детектор предназначен для спиновой программы исследований. Поляризация частиц — вот что интересует физиков, планирующих эксперименты по исследованию спина на коллайдере NICA — еще одна тайна мироздания. Что такое поляризация? Это такое состояние группы частиц, когда их спины выстроены в одном направлении. Это порядок в мире частиц, который влияет на их взаимодействие, их борьбу друг с другом: кто кого притянет или оттолкнет, кто кого разобьет, поглотит или породит новые частицы. Теоретики Дубны лелеют надежду, что и этим тайнам помогут раскрыться эксперименты на коллайдере NICA, проектируемом совместно со специалистами новосибирского Института ядерной физики имени Г.И.Будкера — асами ускорительных технологий на встречных пучках.

Но не только дубненские и сибирские физики рассчитывают поработать на новом коллайдере. Проект NICA уже объединил несколько отечественных научных организаций, заинтересованных в новой совершенной физической машине на российской земле. Разработка проекта ведется с середины 2006 года в тесном сотрудничестве со многими ведущими институтами Российской академии наук, Росатома, Роснауки, Рособразования. К созданию детектора MPD подключились в том числе Институт теоретической физики имени

Н.Н.Боголюбова Национальной академии наук Украины и Институт прикладной физики Академии наук Молдавии. В июле прошлого года подписано соглашение о сотрудничестве с GSI — немецким Институтом физики тяжелых ионов в Дармштадте.

Физики Дармштадта и сотрудничают, и соперничают с коллегами из Дубны. Немецкий Институт физики тяжелых ионов уже несколько лет интенсивно работает над созданием ускорительного комплекса практически с теми же параметрами, что и в Дубне, но не на встречных пучках, а с фиксированной мишенью — проектом FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). Правда, фиксированная мишень имеет один недостаток — она не позволяет получить полный обзор всех столкновений частиц. В тени мишени могут оказаться как раз искомые события. Длина окружности создающегося двойного кольца FAIR — 1100 метров. Пучок, бомбардирующий мишень, у FAIR должен иметь энергию 8,5 ГэВ. Завершить строительство планируется к 2015 году.

Не так давно Дубну посетил директор этого института Хорст Штокер. «Конечно, мы конкуренты, — считает он. — Исследователи всегда конкурируют, если они хорошие исследователи. Но это дружеская конкуренция».

Осмотрев нуклотрон и ознакомившись в подробностях с концептуальным планом проекта NICA, он заключил, что параметры пучка частиц по диапазону энергий у комплекса NICA практически такие же, как в проекте FAIR, и что запланированная система двойных колец и суперпроводящий коллайдер — это будет, безусловно, хайтек, машина, которой еще не было. И несмотря на то, что светимости пучков FAIR будут значительно выше, у встречных пучков проекта NICA есть свои преимущества, считает директор GSI. «Вполне возможно, что NICA сможет опередить FAIR на пару лет, если получит необходимое финансирование», — улыбаясь, сказал Хорст Штокер во время экскурсии по нуклотрону соруководителю проекта NICA профессору Александру Сорину — заместителю директора Лаборатории теоретической физики имени Н.Н.Боголюбова ОИЯИ.

Интересуются проектом Дубны и физики из Брукхейвена. Многолетний руководитель экспериментальной коллаборации STAR проекта RHIC Брукхейвенской лаборатории Тимоти Холлман даже является членом международного координационного комитета проекта NICA. Формально, хотя RHIC и конкурент Дубны, но Тимоти Холлман считает, что у нашего проекта есть полное право на существование и что широкое международное сотрудничество в нем просто необходимо.

— Сегодня физические эксперименты так сложны и так масштабны, что нужны ресурсы международного сообщества, чтобы построить такую установку, как NICA. Привлечение к проекту физиков из разных стран уплотнило и обогатило бы его научную концепцию. Я бы ожидал, что многие страны Европы, например, Германия, Италия, а также, вероятно, Китай стали бы участвовать в этом проекте. В этом случае он, безусловно, был бы абсолютно реалистичен, — рассуждает Тимоти Холлман.

В общем, в наше время и конкуренция, и сотрудничество в науке неизбежны и ходят рука об руку. Особенно в физике высоких энергий — самой дорогой науке на Земле. Дорогой в том смысле, что экспериментальные приборы в физике высоких энергий — наиболее дорогостоящие в науке. Поэтому конкуренция в создании ускорителей относительна.

С одной стороны, страна, владеющая таким сложным и ценным прибором, имеет преимущества перед остальными хотя бы в том, что ее ученые работают на своей территории и привлекают к этому инструменту деятелей науки со всего мира. С другой, имеет значение, кто и где раньше получит весомый фундаментальный результат, как например, недавнее открытие в Дубне 118-го элемента таблицы Менделеева, опередившее подобный результат американских исследователей.

Хорст Штокер (в центре) в «чистой комнате», где готовится оборудование для коллайдера

Но сам факт открытия требует проверки и не будет признан, пока другие экспериментальные группы не подтвердят его. Так что конкуренция волей-неволей приводит к необходимости сотрудничества. Диалектическое противоречие. И особенно ярко оно проявляется в исследованиях явлений на сверхмалых масштабах — как в проекте NICA. В Дубне это прекрасно осознают.

— Явление, которое мы собираемся исследовать, очень сложное, и шансов для успеха при работе в одиночку чрезвычайно мало, — говорит о проекте NICA его руководитель, директор ОИЯИ академик Алексей Сисакян. — Поэтому чем больше «поисковых групп» будет этим заниматься, тем больше шансов. Те же явления намерены изучать американцы в проекте RHIC Брукхейвенской лаборатории и немцы в проекте FAIR немецкого Института физики тяжелых ионов в Дармштадте. Не останется в стороне и Большой адронный коллайдер. И мы рассматриваем наших коллег не как конкурентов, а как союзников и партнеров. Ведь у нас одна цель — снять завесу с тайны чрезвычайно сложного явления. Поэтому результаты экспериментов будут востребованы независимо от того, посчастливится ли нам обнаружить смешанную фазу или нет.

Еще один иностранный член международного координационного комитета проекта NICA — Ицхак Церруя, заведующий отделом физики частиц в знаменитом израильском Вейцмановском институте.

— Идея дубнинских физиков — не безумие, — считает он, — многие в мире интересуются этими вещами. NICA конкурирует с FAIR. Что касается RHIC, то программа там другая. Я сказал бы наоборот: это RHIC вступает в конкуренцию с проектами FAIR и NICA, потому что RHIC построен для других вещей, и пока неясно, смогут ли там сделать то же, что планируется в проектах FAIR и NICA.

Многие, увы, считают, что задачи, которые решают физики, мороча себе голову с экспериментами на разнообразных коллайдерах, никак не связаны с реальной жизнью. Страшно, мол, далеки они от насущных проблем. Да и какая разница, что было до нас — кварк-глюонная плазма или еще какое-нибудь чудо? Прошлое ведь не вернется!

Между тем это только кажется, что прошлое не возвращается. Все ядерное оружие мира так могущественно благодаря начинке из плутония — элемента, воссозданного людьми из небытия, из глубокого прошлого Земли и Вселенной. Тот же плутоний служит нам не только в виде оружия, но и как рентгеновский аппарат, диагностирующий организм изнутри, посредством введения в кровь. Такую сверхчистую и безопасную для организма форму плутония, кстати сказать, синтезировали как раз в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций.

То есть изучение загадок прошлого дает человечеству в руки новые инструменты борьбы за жизнь. Решение фундаментальных задач, подобных тем, что заложены в проекте NICA, не только открывает новые горизонты нашему взгляду на мир, но и создает основу для развития новых технологий на сверхмалых масштабах.

Схема ускорительного комплекса NICA

Еще одно очень важное достоинство проектов, ориентированных на решение крупной фундаментальной задачи, в том, что они поднимают на новую ступень технологии, уровень образования общества и привлекают молодежь в науку. И в самом деле, немногие из молодых людей не мечтают проявить себя в интересном и захватывающем деле, сулящем перспективы и для духовного, и для материального роста. Богатый мировой опыт осуществления такого рода научных и технологических проектов показывает, что они приносят двойную пользу стране, потому что не только выводят ее на новый технологический уровень, но и создают особую атмосферу вокруг своей деятельности.

А возвращаясь к реалиям сегодняшнего дня, как не упомянуть о более чем актуальной мысли, высказанной о проекте NICA профессором Церруя:

— Я считаю, что в первую очередь этот проект является потрясающей возможностью для российской науки вновь возродиться и набрать силу. Эта возможность поможет собрать силы всех воедино и вложить их в прорыв ной проект, который выведет российскую науку снова на лидирующие позиции в передовой области исследований.

Пока проект NICA находится на первой стадии своего развития. Уже готов концептуальный дизайн ускорительного комплекса и детектора MPD. Ведется модернизация нуклотрона — доведение его параметров до предельно возможных. Одновременно идет работа над техническим проектом ускорительного комплекса и разработка модельных прототипов детектора и деталей коллайдера. Затем планируется стадия конструкторской разработки проекта и строительство бустера и колец коллайдера. Эти работы должны завершиться к 2012 году. В период с 2010-го до 2013 года будет идти монтаж приборов, а в 2014-м, если все пойдет по плану, комиссия сможет принять новый ускорительный комплекс, чтобы начать на нем первые эксперименты.

Как считает Ицхак Церруя, нет концептуальных проблем, которые помешали бы осуществить проект. Нужны лишь ресурсы. И здесь, по мнению израильского физика, все зависит от того, насколько многое на установке NICA можно было бы делать параллельно с другими проектами, поскольку нужные здесь специалисты обычно имеют старые контракты во многих местах, а кадровое обеспечение науки в наше время налажено не так хорошо, как хотелось бы.

Ситуация в мировой физике высоких энергий сегодня такова, что основные кадры сосредоточены в небольшом количестве крупных научных центров. Присутствие работающих молодых людей в науке значительно сократилось во всех развитых странах. Будучи на конференции в Дубне, английский физик-ядерщик Билл Джонсон рассказал, что в Великобритании сегодня ядерной физикой занимаются всего 60 человек.

По словам члена международного координационного комитета проекта NICA профессора из Киева Геннадия Зиновьева, который от имени комитета вел переговоры с руководителями науки Финляндии об участии в проекте Дубны, финская наука заполнена русскими и индийцами на 90 %. Финны же там представлены лишь парой руководителей и одним инженером. Поляки заполнили почти целиком две маленькие коллаборации в Брукхейвене и массово участвуют в больших коллаборациях по всему миру.

Интересно, что в последние годы в связи с развитием проектов FAIR и LHC за счет притока молодежи сильно оживилась немецкая наука. Хорст Штокер считает, что молодежь в науку привлекает развитие прикладных направлений фундаментальных исследований, в которых рождаются высокие технологии.

— Так вот, идея проекта NICA и состоит в том, что крупным мировым научным центром, способным привлечь молодежь, должна стать Дубна, — утверждает профессор Зиновьев. — Это можно сделать только с помощью самого современного высокотехнологичного проекта, основанного на революционных научных идеях. Многие российские институты участвуют в FAIR, потому что Россия выделила огромные деньги для поддержки этого проекта. Важно, чтобы государство теперь выделило такие же деньги для поддержки исследований в Дубне, у себя на Родине. Проекты соревнуются, но в этом и прелесть. Дубна еще имеет свободу маневра в смысле научной программы и технического оборудования, а FAIR — уже нет. А ведь без таких «каркасных» проектов, как NICA, в России невозможно создать базу для инновационного прорыва в экономике, невозможно привлечь в науку молодежь.

Что же, если российское правительство решит поддержать проект NICA в Дубне, то молодые ученые России получат уникальную возможность заниматься любимым делом у себя на Родине. Возможность, которой мало кто из физиков в мире обладает.