Академик Трубников рассказал, когда замкнется кольцо российского коллайдера
Когда ждать запуска российского коллайдера NICA, отодвинут ли эту дату пандемия коронавируса и санкции и сколько российских ученых вернулись из-за рубежа для работы в проекте, "Газете.Ru" рассказал директор Объединенного института ядерных исследований, академик РАН Григорий Трубников.
- Григорий Владимирович, коллайдер NICA в Дубне – самый известный из проектов класса "мегасайнс" в России, завершение которого ожидается в этом году. Расскажите, пожалуйста, как идет строительство и что сделано этой зимой?
- Известно, что любой большой ускорительный комплекс – это каскад из нескольких колец. Чтобы столкнуть одну частицу с другой, их надо ускорить. Ускоряют сначала в линейном ускорителе – это большой прибор метров 20-30 длиной, а потом переводят в кольцо, в кольце ускоряют, затем из первого кольца переводят во второе, ускоряют до большей энергии, копят интенсивность. И только после этого уже переводят в кольцо коллайдера. И это традиционная схема всех современных комплексов.
В декабре 2020 года, когда к нам приезжал премьер Михаил Мишустин, мы запустили первый каскад, то есть первое кольцо коллайдера NICA - бустер. А в декабре 2021 года мы соединили бустер со вторым кольцом, которое называется нуклотрон. Тоже сверхпроводящий синхротрон. Соединили очень сложным каналом перевода пучка. Это фактически тоже ускоритель длиной около 30 метров, в котором частица по вертикали и по горизонтали сдвигается на несколько метров и переводится во второе кольцо. Там же стоит мишень, которая "обдирает" ядра до нужного зарядного состояния. То есть мы включили линейный ускоритель, первый каскад и второй каскад.
Мы ускоряли тестовый пучок ядер железа, ускорили его до проектной энергии, накопили нужную интенсивность, и теперь ждем, когда в тоннеле будет собрано кольцо коллайдера. Пока физики-экспериментаторы работают на пучке, выведенном из второго каскада на мишень.
Кроме того, в тоннеле самого коллайдера, все помещения которого уже готовы, мы установили на штатное место первый магнит коллайдера. Рядом уже стоят порядка 30 магнитов, которые составят первый сектор кольца коллайдера. Коллайдер – это 500 метров длины, около 300 магнитов. Сектора будут установлены друг за другом и соединены: в течение года, я думаю, мы замкнем кольцо коллайдера.
Каждый магнит нужно установить с точностью примерно 50 микрон. Такая точность позиционирования нужна, чтобы потом пучок двигался четко по траектории.
- И первые эксперименты на ускорителе уже начались?
- Сейчас там идет эксперимент, работает коллаборация из четырех стран. Кроме стран-участниц еще в этом эксперименте работают ученые из Израиля, Германии и США, в том числе из MIT, их самого престижного университета. Это эксперимент по исследованию короткодействующих корреляций. Когда частицы пучка, влетающие в мишень, испытывают определенное взаимодействие с ядрами мишени, нуклоны (протоны и нейтроны) вылетают из ядра по определенной закономерности – например, связанными парами. Это явление как раз исследует коллаборация. Новые экспериментальные данные позволят нам лучше понять внутреннее строение ядра, характер сил, взаимодействующих в ядре. Кроме того, это может подсказать и новые данные о природе нейтронных звезд
По планам сеанс продлится до середины марта. До конца года мы планируем завершить все строительные работы и планируем завершить сборку коллайдера.
- Пандемия как-то сдвинула сроки? Ведь планировалось закончить строительство в мае…
- Мы говорили про май 22 года, но сейчас идет длинный экспериментальный сеанс, и в декабре-январе у нас из-за пандемии были определенные сложности. У нас народ болел, и строители болели, и физики не могли приехать. Поэтому темпы в какой-то части замедлились, конечно. Технологический пуск коллайдера все равно намечен на 2023 год. Готовность к пуску – конец этого года. В этом смысле мы пока никаких дат пуска не сдвигаем. А строители, надеемся, все-таки нагонят сроки, ускорив темпы.
Для института коронавирус прошел довольно безболезненно, потому что у нас очень быстро был достигнут коллективный иммунитет на уровне 80%. А задержки в научной программе или сооружении установок возникали не только потому, что на предприятиях-изготовителях болели люди, но и потому, что, например, оборудование сделано и привезено в Дубну, но, чтобы гарантия сохранялась, запускать его может лишь сервисная команда. Вот у нас стоит криогенное оборудование, а англичане не могут до нас доехать уже 8-9 месяцев, потому что из-за карантина закрыты границы. Я думаю, что все это мы постепенно компенсируем. - После пуска коллайдера первые эксперименты начнутся с малых энергий? Когда ожидать постановку экспериментов того уровня, на который он был рассчитан?
- Наверное, тут можно провести аналогию с новым самолетом. Я как-то общался со своими коллегами из Жуковского, из ЦАГИ, спросил у них, сколько одновременно параметров контролирует система управления самолетом – скорость, температура, топливо – все, что угодно. Ответ: примерно 4 тыс. параметров, которые сводятся в общую систему с обратной связью, - так летчик управляет самолетом.
Так вот, у нас на ускорительном комплексе таких параметров 11 тыс., то есть у нас датчиков больше, чем у новейшего истребителя пятого поколения.
Поэтому, конечно, запуск такой машины, как коллайдер, абсолютно аналогичен тому, как запускается самолет - сначала выкатка, различные форсированные режимы двигателя, потом самолет взлетает и садится, потом он летает на высоте 600 м, полет восемь минут, потом тридцатиминутный. И так далее. Надежность – прежде всего!
Бюджет этой установки – это миллиарды рублей, степень ответственности огромная, столько труда и столько интеллекта вложено, гигантская сложность технологических систем. В наших планах в конце этого года собрать кольцо коллайдера и инжектировать в него пучок. Первое время мы будем настраивать циркуляцию пучка в коллайдере. Сколько это займет? С бустером это заняло всего месяц, но после четырех лет сборки и года подготовительных работ. Сколько с коллайдером займет? Наверняка дольше, коллайдер по масштабу раз в 10 больше всех систем. Поначалу это будут ядра не золота, а углерода или железа. С ними легче добиться высокой интенсивности и долгого времени жизни пучка.
Потом физики начнут включать все детекторные системы. Чтобы не перегрузить детектор и системы сбора данных, их тоже будут выводить постепенно одну за другой. Я думаю, что настройка детектора и всех его технологических систем займет от полугода до года. Конечно, параллельно мы будем пробовать сталкивать пучки в точке встречи и очень надеемся к концу 2023 года получить первые сигналы от встречных пучков, пусть с малой интенсивностью, с малыми токами, но и там уже можно будет ожидать первой любопытной физики.
Самый волнительный и самый интересный момент – это запуск. В Большом адронном коллайдере с выходом на проектные параметры он занял около трех лет. Интересный – потому что впервые под твоими руками оживает огромный сложнейший организм, становится на ноги, учится дышать и говорить. Ну а дальше – уже крейсерская работа и набор данных, все должно работать от кнопки. - Сейчас идет этап создания коллайдера. Он представляет интерес только для строителей и инженеров, или же ученые, аспиранты, студенты тоже находят себе работу?
- Конечно. Для инженеров сейчас самый захватывающий этап, он никогда не повторится: ты это все собираешь руками, видишь каждый элемент и системы, понимаешь, как он работает по отдельности и в большой системе, испытываешь его в лаборатории, отрабатываешь все реакции, а потом ставишь и уже знаешь как свои пять пальцев. Ведь коллайдер – это что такое для внешнего наблюдателя? Это такая 500-метровая труба, закольцованная, закрытая со всех сторон, никаких окошек – только фланцы и соединения. Но внутри нее сложнейшее оборудование, которое должно работать самым надежным образом автономно или при дистанционном управлении. Отрабатывать все алгоритмы. И управлять этим гораздо эффективнее и более квалифицированно будет тот, кто не просто по документам знает, как оно внутри устроено, но кто это оборудование своими руками собирал, испытывал и оживлял.
- Какие технологии и решения, применяемые при создании NICA, уходят в другие области?
- Приведу два примера. Первый – это сверхпроводящий кабель для магнитов. Мы из него делаем обмотки магнитов коллайдера и колец NICA. Это мельхиоровая трубка, обмотанная проводником из сплава ниобия и титана, внутри течет жидкий гелий при температуре -269 градусов по Цельсию – практически абсолютный ноль. Этот кабель обладает совершенно замечательными свойствами. Из него можно создавать любую сложную геометрию изделий, и в этом кабеле могут течь очень большие килоамперные токи. Мы предложили помимо магнитов из этого кабеля сделать фактически батарейку на несколько мегаватт. То есть это накопитель энергии, в который вы можете завести ток, накопить несколько мегаватт, и потом от нее запитать потребителя – например, огромный ускоритель.
- И раз кабель сверхпроводящий, ток в нем может сохраняться почти без потерь?
- Да, никаких джоулевых потерь. Но его нужно поместить в криостат, правильно охладить и заэкранировать, надо уметь завести в кабель эту энергию, чтобы он надежно работал. И мы сейчас делаем такой накопитель энергии на 5 МДж. Он будет размером чуть меньше автомобиля.
Второй спин-офф родился в детекторах, которые мы используем в NICA для реконструкции событий. Когда два пучка сталкиваются, оттуда летит несколько тысяч ядерных осколков и частиц - участников этой реакции. И вам нужно очень быстро, за наносекунды, восстановить трек пролетающей частицы. Вот эти технологии распознавания и реконструкции траекторий заряженных частиц сейчас востребованы для систем безопасности, которые занимаются распознаванием образов - системы быстрого распознавания лиц на транспорте, идентификация для банков и так далее.
- В создании NICA принимает участие множество российских производителей. Коснулись ли их международные санкции?
- Мы международная организация, поэтому санкции не так сильно на нас влияют. Большая часть оборудования – это, конечно, не то, что можно купить в магазине, а то, что сначала надо спроектировать, разработать, сложная электроника, суперпрогрессивная. Тем не менее мы пока не ощущаем каких-то сложностей. Здесь больше сложности, связанные с ковидом. У нас есть поставщики из США, есть из Израиля, из Европы, из Японии, из Китая. Очень нам помогает ЦЕРН, потому что и они международные, и мы международные.
Поскольку у РФ, как у страны местопребывания ОИЯИ, особый статус и более масштабные обязательства, то и промышленный возврат высокотехнологичными заказами по той же NICA – более 70%. Но порой поставщики из Франции, из Германии, из Чехии, из Польши, когда мы их приглашаем на конкурс по разработке того или иного изделия, говорят: "Мы не умеем этого делать, у нас такого нет, cлишком амбициозные характеристики. Поэтому мы хотели бы этой разработкой заняться".
Это ведь поднимает технологический уровень компании, она дальше может рынки конкурентные занимать. Довольно часто за разработку и производство берутся целые технологические консорциумы сразу из нескольких стран. И не ради прибыли, а движимые целью сделать что-то самыми первыми в мире, освоить технологии. Для той же NICA некоторые системы и узлы просто впервые в мире делаются. У нас для бустера, а потом и для коллайдера используются дико сложные вакуумные камеры: тонкостенные (чтобы не грелись), с криволинейной геометрией и микронной точностью, а также с фантастическими требованиями к внутренней вакуумной поверхности. Несколько производителей за нее брались. Один взялся – не получилось. Из Польши. Второй, из Германии, взялся – не получилось. Потом французы, потом китайцы.
В конечном итоге они вчетвером между собой договорились и в кооперации четырех стран сделали эти камеры. И сделали действительно на супермировом уровне. И сейчас они лидеры в этой технологии, доказали всему миру, что история реалистична, заказчики из криогенного сектора, синхротроны, выстраиваются в очередь за подобными изделиями.
- Год назад мы говорили о тренде на возвращение наших граждан из-за рубежа в науку. Можно ли подсчитать, сколько вернулось к вам наших уехавших соотечественников для работы на NICA?
- Сейчас многие ученые в 40-55-летнем возрасте, а это на самом деле самый продуктивный возраст, возвращаются или приезжают в Дубну. На примере нашего института это сотни людей. Это ученые и инженеры, которые, например, на протяжении 15-20 лет работали на экспериментах в ЦЕРН или в Брукхейвенской лаборатории в США. Они при этом оставались сотрудниками наших институтов, но фактически работали все время там. И это нормальная общемировая практика – профессионалом и опытным специалистом становится тот, кто работает на переднем крае своей профессии. Для ученых это уникальная экспериментальная установка.
А сейчас здесь в Дубне появилась задача, на которую они возвращаются, и новые приезжают. То есть в этом смысле можно говорить, что сотни людей – и в разных странах, и в российских институтах, и в ОИЯИ переориентировались на проект NICA, а значит они ориентируются на то, чтобы делать науку в Дубне. Ученому в первую очередь нужная амбициозная задача и условия для проведения эксперимента – установка. Ну, и, конечно, коллектив – от этого много зависит.
- Какие разработки ОИЯИ помогают в борьбе с пандемией?
- Первая тематика – это средства защиты от вирусов на основе использования ядерных трековых мембран, которые мы делаем. Несколько недель назад к нам приезжали наши коллеги из ФМБА, из Армении и из нескольких университетов России, мы договорились о довольно интересной совместной разработке: трековые мембраны, поры которых обрабатывать специальным раствором, увеличивающим эффективность этих фильтров. Потенциал применения - маски, это защитные костюмы, различные мембраны в фильтрах для помещений и так далее.
Вторая тема - это исследование свойств клеток на резистентность к коронавирусу и к лекарствам от коронавируса. На нейтронном пучке мы облучаем биологические образцы и изучаем, как реагируют стенки тех или иных клеток: сопротивляются либо создают мембранную проводимость как для вирусных агентов, так и для лекарственных субстанций либо вакцин.
- Каких успехов ждать от "Фабрики сверхтяжелых элементов", где недавно введен в строй второй сепаратор?
- "Фабрику" ввели в строй в 2019 году. Через полтора года она вышла на проектные параметры и уже в 2021 году отработала почти восемь месяцев. Самое главное - она показала, что опережает по своей мощности, по эффективности синтеза сверхтяжелых элементов любую аналогичную установку в мире - японскую, немецкую, американскую - в 50-70 раз.
Основная научная задача, конечно, это синтез 119-го, 120-го элементов. Сейчас это самая горячая наука в ядерной физике: какими будут элементы нового периода, какие у них химические свойства, выполняется ли Периодический закон для фактически релятивистских ядер? Надеюсь, что мы в этом году мы подготовим все технологии и оборудование и к концу года выйдем на старт по экспериментальному исследованию этих уникальных ядерных реакций.
- В декабре Байкальский нейтринный телескоп зарегистрировал космическое нейтрино высокой энергии. Сейчас идет установка новых датчиков телескопа, как эта установка сможет пополнить наши знания о вселенной?
- Действительно, сначала этот сигнал от такого экзотического нейтрино увидел телескоп IceCube в Антарктиде, потом через 3-4 часа мы зафиксировали сигнал от еще одного нейтрино сверхвысокой энергии (тысячи миллиардов электрон-вольт), но из того же сектора неба. И через несколько дней международная астрономическая коллаборация, в которой лидеры - российские ученые, увидели в рентгеновском диапазоне высокоэнергетические частицы из того же сектора неба. Получается, что сразу три прибора указали на один и тот же источник - один из самых ярких на небе радиоблазаров — PKS 0735+17.
Событие выделяется из ряда многих других: этот радиоблазар испытывает самую мощную вспышку в гамма-диапазоне и видимом излучении за всю историю наблюдений за ним.
Сейчас телескоп состоит из 2300 оптических модулей, а в 2022 году будет уже 2800. Надеюсь, что мы в середине марта закончим эти работы и телескоп станет больше, а значит большую статистику будет собирать.
- Какие преимущества он будет иметь в плане детектирования частиц по сравнению с аналогами?
- Главное преимущество этого телескопа – это среда, в которой он располагается. Прозрачность воды на Байкале и температурная стабильность воды позволяют нам повысить угловое разрешение. Это точность, с которой измеряется сигнал от черенковского света, заряженного мюона, который как раз рождается от взаимодействия высокоэнергетичного нейтрино с молекулами байкальской воды. Мы можем благодаря байкальской воде и конфигурации телескопа измерять с точностью 0,3-0,5 градуса угол этого светового конуса.
А на IceCube – c точностью 1 градус. Второй момент: поскольку мюон рождает ливень частиц, то образуется фактически ливень таких световых потоков. И мы можем гораздо точнее, примерно в пять раз точнее, чем во льду, мерить угол расхождения этого ливня. А ось этого ливня указывает на точку в небе, откуда прилетело нейтрино. Разница у нас в разрешении с IceCube примерно в семь раз. То есть мы в семь раз точнее можем сказать астрономам, из какой точки неба прилетела эта высокоэнергетическая частица.