ТРЕТИЙ В МИРЕ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР НА БЕРЕГУ ВОЛГИ

В Дубне строят Институт сто-Солнца с тысячекратной гравитацией, чтобs выпустить кварки из ядерного плена.

Формат «время эксперта» стал для сенаторов чем-то вроде выхода в отрытый Космос. Подбор приглашаемых на парламентскую трибуну сопровождается подковерной борьбой. Кандидатуры проходят систему фильтров. Известные стране люди проявляют неожиданные качества и приносят в СФ неординарную информацию.

В среду 16 декабря в формате «время эксперта» на 494-м заседании СФ выступил исполняющий обязанности вице-директора Объединенного института ядерных исследований, директор Лаборатории физики высоких энергий имени Векслера и Балдина, членкор РАН Владимир Кекелидзе.

Предваряя выступление Кекелидзе, председатель СФ Валентина Матвиенко сообщила, что он известный российский ученый, специалист в области экспериментальной физики частиц. С 1990 года работает в Объединенном институте ядерных исследований, где в настоящее время под его руководством осуществляется строительство уникального коллайдера. С помощью этого грандиозного проекта ученые получат возможность изучать материю нейтронных звезд, прикоснуться к тайнам образования Вселенной.

От себя добавлю, что выступление Кекелидзе в СФ не открыло тайны проходящих в России ядерных исследований, потому в телевизор данная информация не проникает. Новости об успехах отечественной науки отнесли к рекламе и фактически запретили.

Владимир Кекелидзе представил сенаторам проект класса мегасайенс «Комплекс NICA» – Nuclotron-based Ion Collider fAcility. Это один из первых среди шести проектов класса мегасайенс, которые были отобраны на заседании Совета по науке в 2011 году в городе Дубне под председательством Владимира Путина.

Физику из Дубны приятно отметить, что в современной России уделяется большое внимание науке. Лично я не могу с этим согласиться, но меня не спрашивали.

В настоящий момент в России реализуется несколько мегасайенс-проектов, таких как «100-мегаваттный импульсный исследовательский реактор» в Гатчине, «10-петаваттный лазер» (Нижний Новгород). Строится Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ).

Координатором мегасайенс-проектов выступает НИЦ «Курчатовский институт».

Получить одобрение проекта «Комплекс NICA» в европейских комиссиях было очень непросто, но в итоге проект получил статус европейской научной инфраструктуры. Статус открывает возможности европейским ученым обращаться в европейские гранты для поддержки их участия российском проекте. Нам нужны ученые из Европы.

В период активной фазы исследований ожидается, что общее число участников превысит две тысячи.

ОИЯИ в Дубне на берегу Волги – международная межправительственная организация, образованная в 1956 году 12 странами. По предложению легендарного министра иностранных дел Андрея Громыко Институт прошел регистрацию в ООН.

Сегодня в состав ОИЯИ входят 18 стран-участниц и шесть ассоциированных стран. В семи научных лабораториях института работают около четырех тыс человек, из них почти 1400 научных сотрудников и более 1,5 тысячи инженеров.

Проект и «Комплекс NICA» – крупнейшая лаборатория, 1200 сотрудников . Основные его объекты – это прежде всего каскад ускорителей, включающий два инжекционных блока – линейные ускорители для тяжелых и легких ионов и два кольцевых ускорителя-синхротрона – нуклотрон, который был запущен еще в 1993 году, и бустер, запущенный в декабре этого года.

Проект завершается коллайдером NICA, запуск которого планируется в 2023 году.

Периметр кольца нуклотрона 250 метров, а коллайдера  в два раза больше. Сегодня в мире два адронных коллайдера: Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, запущенный в 2008 году, и меньший по энергии коллайдер тяжелых ионов, который был запущен в 2000 году Брукхейвенской национальной лабораторией США.

NICA будет третьим адронным коллайдером. Функционируют  еще пять электрон-позитронных коллайдеров, но там другая наука.

В состав Комплекса NICA также входят три исследовательские установки. Две расположены в точках столкновения пучков на коллайдере –многоцелевой детектор Multi-Purpose Detector (MPD) и детектор для спиновой физики Spin Physics Detector (SPD). Также установка на выведенном из нуклотрона пучке ионов – барионная материя на нуклотроне (Baryonic Matter at Nuclotron, или BM@N).

Основа ускорительного комплекса – криогенный комплекс, фабрика сверхпроводящих магнитов. Это 13 высоковольтных энергетических подстанций, три мощных компьютерных кластера, связанных между собой сетью с пропускной способностью 400 гигабит в секунду и имеющих производительность более 2,5 петафлопc.

Для сравнения: самый крупный компьютер России в Сбербанке имеет 6 петафлопc. ОИЯИ имеет дисковую память 50 петабайт. Это необходимо для анализа данных исследования.

Большую помощь оказывают Институт ядерной физики имени Будкера, Курчатовский институт, Институт ядерных исследований РАН, МГУ, МИФИ.

В кольце Бустера завершился этап охлаждения и достигнута рабочая температура 4,5 градуса Кельвина, или минус 268,5 по Цельсию. Идет плавное повышение магнитного поля. На следующем этапе будут инжектированы ионы в кольцо Бустера. Ускоряющие системы Бустера (ВЧ-станции) и системы электронного охлаждения были разработаны и созданы в Институте имени Будкера.

В строительство основного здания для коллайдера и двух исследовательских установок заложено более 60 тыс. кубометров бетона, 3 тыс. тонн стальных конструкций. Для стабилизации фундамента было забито шесть тысяч свай.

Строительство основных объектов комплекса планируется завершить до конца 2021 года. Экспериментальный павильон уже сдан под монтаж исследовательской установки MPD, и начата сборка большого, 900-тонного соленоидального сверхпроводящего магнита, катушка для которого весом более 120 тонн была недавно доставлена из Италии по воде.

Одна из основных целей проекта в области фундаментальной науки – это воссоздание и изучение в лабораторных условиях состояния ядерной материи с максимально возможной плотностью, которая недостижима для исследований в других лабораториях мира. Такая материя существует во Вселенной только в недрах нейтронных звезд, образующихся при столкновении двух звезд.

Интерес к этим исследованиям связан с получением новых знаний о сильном взаимодействии, самом сильном из четырех фундаментальных сил природы, управляющих всеми процессами во Вселенной. Сила в 1038 раз превосходит гравитацию. Это как сто солнц по массе по сравнению с массой булавочной головки. Особенность этой силы в том, что она короткодействующая и в пределах протонов и нейтронов, где удерживаются кирпичики мироздания – кварки, не позволяя им вылететь.

В ядерной энергетике и ядерных взрывах лишь малая часть этой силы выходит за пределы нуклонов.

Согласно же принципу асимптотической свободы кварки теряют эту силу, если их сильно сблизить. Это происходит в нейтронных звездах, когда ядра сильно сближаются под действием невероятно сильной гравитации.

То же самое будет происходить на коллайдере NICA, когда будут сталкиваться два ядра золота, в каждом по двести нуклонов. В результате сжатия на очень короткое мгновение возникнет ядерная материя высокой плотности. С температурой триллион градусов – в сотни тысяч раз горячее Солнца. Десятирублевая монетка таой плотности весила бы как десять тысяч авианесущих крейсеров в полном боевом вооружении.

Сверхплотная материя быстро охлаждается, разлетается и образует новые протоны, нейтроны, ядра и субъядерные частицы.

Комплекс NICA обладает большим потенциалом для прикладных исследований. На сегодня в мире насчитывается более 70 центров протонной терапии, в которых прошло лечение более 150 тысяч онкологических больных. Первый такой центр в СССР заработал в ОИЯИ в 1967 году. использовался фазотрон, который был запущен еще в 1949 году. С тех пор через этот центр успешно прошло курс лучевой терапии более 1200 больных.

Наиболее эффективным методом лучевой терапии являются пучки углерода с высокой избирательностью. Основная энергия при направлении на какой-то объект выделяется в конце пути и тем самым минимально поражает ткани по дороге к цели. Пробег по глубине регулируется энергией пучка. Центров углеродной терапии не так много в мире, три или четыре, они исследовательские. Управляемый с помощью компьютера луч выжигает микрообъект за микрообъектом объемом миллиметр, определяя необходимую дозу.

Развитие углеродной лучевой терапии сдерживается тем, что она очень дорогая.

Пучки для углеродной лучевой терапии доступны на Комплексе NICA. Они будут использоваться для разработки технологий их последующего применения при создании современных центров лучевой терапии. В основе ускорительного Комплекса NICA компактные сверхпроводящие магниты, технология которых была разработана в ОИЯИ. Они являются наиболее перспективными для создания экономичных ускорителей современных центров лучевой терапии.

Поскольку в ОИЯИ один из крупнейших в России самый производительный по гелию криогенный комплекс, естественно, есть определенные предложения в области криогенных технологий. Комплекс позволяет вести масштабные научные и промышленные разработки с использованием температур, близких к абсолютному нулю. Например, для создания хранилищ и систем транспортировки сжиженных газов.

В рамках проекта «Комплекс NICA» ведется уникальная разработка мегаваттного накопителя энергии. В мире пока нет аналогов Накопитель не очень большой – до 5 мегаджоулей, но он имеет большой импульсный пик и поэтому является мегаваттным. Используется тот самый дубнинский сверхпроводящий кабель, который лежит в основе криогенной технологии. Кабель толщиной чуть меньше карандаша способен проводить ток 15 килоампер.

Накопители энергии такого типа позволят изменить современный мир энергопотребления от альтернативных источников энергии – это солнце, ветер и другие.

На ускорителе Комплекса NICA может быть воспроизведен весь спектр частиц ионизирующего облучения далекого космоса, там, где нет защиты от магнитного поля Земли. Такие частицы нарушают работу электроники и, конечно, опасны для космонавта.

В ОИЯИ создается специальная экспериментальная зона, где будут использоваться уникальные пучки ионов Комплекса NICA, чтобы вести разработки радиационно стойкой электроники для космических аппаратов. Будет изучаться воздействие ионных пучков на биологические объекты, в том числе для подготовки длительных космических экспедиций на Марс, Венеру, включая изучение радиационного повреждения мозга и репарации повреждений.

Коллеги из лаборатории радиобиологических исследований в ОИЯИ на нашей установке ведут такие эксперименты. Изучается нарушение когнитивных способностей обезьян при облучении их гиппокампа теми самыми лучами, ждут нас в далеком космосе. Предварительно обезьяны были обучены интеллектуальным играм для последующего изумления когнитивных способностях.

Коллеги-биологи сообщают, что при очень незначительных дозах когнитивные способности повышаются, а потом резко падают. Применяемые дозы облучения лимитированы и не опасны для жизни.

Выслушав выступление Кекелидзе, Матвиенко заметила, что оно будет иметь и практическую отдачу, и пожелала дальнейших успехов.

Лев МОСКОВКИН.