Наша ниша

Россия традиционно сильна в ускорительной физике

Одной из главных тем, обсуждавшихся на первом после летнего перерыва заседании Президиума РАН, стало развитие ускорительной физики в нашей стране и за рубежом. Открывая собрание ведущих ученых страны, президент РАН Александр Сергеев отметил, что ускорители, появившиеся около 100 лет назад, существенным образом изменили науку, поскольку явились новым и очень мощным инструментом и для познания природы, и для решения различных практических задач. Так, если на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН происходят изучение фундаментальных основ физики частиц, поиски следов новой физики, то источники синхротронного излучения стали прекрасным подспорьем в разного вида диагностике, в том числе медицинской.
С подробным обзорным докладом «Развитие физики ускорителей заряженных частиц для фундаментальной науки, высоких технологий и медицины» выступил академик Борис Шарков. Он напомнил, что толчком к созданию первых ускорителей послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потока заряженных частиц высокой энергии. Главные фундаментальные результаты физики частиц и ядерной физики получены именно в экспериментах на ускорителях.
Академик отметил, что за короткий срок ускорители прошли очень большой путь в своем развитии. Менее 100 лет назад, в 1930 году, американский физик Эрнест Лоуренс создал первый циклотрон, который помещался на ладони и разгонял протоны до энергии 1 МэВ. А сегодня в распоряжении ученых крупнейшая ускорительная установка — Большой адронный коллайдер в ЦЕРН. На нем получены выдающиеся научные результаты, главный из которых — открытие бозона Хиггса.
Современные укорители высоких энергий — это огромные, дорогостоящие комплексы, создаваемые в рамках международных проектов. Они требуют существенного финансирования, которое, как правило, выделяется совместно большим числом стран в результате международного сотрудничества. Работа в таких проектах обеспечивает российским ученым постоянное информирование и получение доступа к самым передовым технологиям в области физики. Академик подчеркнул необходимость сохранять участие отечественных специалистов в международных проектах уровня LHC, FAIR, XFEL, а также в новом проекте ЦЕРН Future Circular Collider (будущий 100-километровый кольцевой ускоритель).
Б.Шарков напомнил, что ускорители являются источником как первичных заряженных частиц, существующих в окружающей нас природе (электронов, протонов, ионов), так и вторичных частиц, рождающихся при взаимодействии с мишенью (фотоны, позитроны, нейтроны, мезоны, нейтрино и т. д.). Это позволяет применять ускорители не только в науке, но и для прикладных целей. Во всем мире сегодня действуют более 40 тысяч ускорителей, только 2% из них имеют энергию около 1 ГэВ и выше и используются для фундаментальных исследований в ядерной физике и физике элементарных частиц. 2/3 установок — это ускорители электронов и 1/3 — протонов и ионов. Для науки используются 1200 ускорителей, в промышленности и сельском хозяйстве — около 27 тысяч, в медицине — свыше 12 тысяч. По России цифры такие: всего в стране примерно 460 ускорителей, из них в науке используются 170, в промышленности — 100, в медицине — 150, на таможне — 40.
Отечественные ученые внесли огромный вклад в развитие физики ускорителей и ускорительных технологий. В качестве примеров гигантских прорывов в этой области академик напомнил принцип автофазировки и первый синхротрон Владимира Векслера, первый коллайдер, изобретенный Андреем Будкером и Александром Скринским в 1965 году в Новосибирске, метод электронного охлаждения пучков заряженных частиц.
Академик подчеркнул, что в СССР были созданы крупнейшие ускорители мирового класса. Среди них — синхрофазотрон в Дубне, синхротроны в ОИЯИ, первый в СССР синхротрон с жесткой фокусировкой в ИТЭФ, комплекс электрон-позитронных коллайдеров в ИЯФ СО РАН, сильноточный ускоритель протонов мезонной фабрики ИЯИ РАН в Троицке. Эти ускорители послужили базовыми экспериментальными установками российских научных центров. Долгое время крупнейшим ускорителем в мире был протонный ускоритель У-70 НИЦ КИ — ИФВЭ в Протвино.
Установка класса мегасайенс «КИСИ-Курчатов», внесенная в реестр уникальных научных установок, — это единственный специализированный источник синхротронного излучения на постсоветском пространстве. Еще одна уникальная машина — нуклотрон в ОИЯИ, или сверхпроводящий адронный синхротрон, он ускоряет протоны, тяжелые ионы, поляризованные дейтроны. Кстати, технология сверхпроводимости, которая была развита для этого ускорителя, сейчас активно используется в мире, в частности, в проекте FAIR. Б.Шарков назвал в ряду прорывов комплекс циклотронов ЛЯР в ОИЯИ (одна из его установок является ядром фабрики сверхтяжелых элементов) и коллайдер ВЭПП-2000 в ИЯФ СО РАН.
В настоящее время в научных центрах РФ сохранились выдающиеся школы ускорительной физики и технологий, действуют крупные ускорительные комплексы, которые обеспечивают высокий уровень фундаментальных и прикладных исследований. Одновременно отечественные ученые и ускорительщики активно сотрудничают с коллаборациями передовых зарубежных ускорительных центров в Европе, Японии, США, внося весомый вклад в их работу и в развитие новейших ускорительных программ.
Однако за последние 30 лет появилась тенденция на сокращение доли работ, выполняемых в исследовательских центрах РФ. В первую очередь, по мнению ученого, это связано с отсутствием в стране современной экспериментальной базы, обусловленным старением и выводом из эксплуатации установок, построенных еще в СССР. На фоне общего депрессивного состояния фундаментальной науки в стране создание крупных научных ускорительных установок затормозилось. Это привело к тому, что наметилось существенное отставание в развитии отечественных ускорительных технологий по целому ряду важнейших направлений. Ощутимыми оказались и кадровые потери в ускорительных центрах. Многие молодые и талантливые физики-ускорительщики уехали на работу в передовые зарубежные научные центры.
— Сегодня в России осталось только несколько центров мирового уровня, где ведутся фундаментальные исследования на ускорителях. Это ОИЯИ, ИЯФ СО РАН, ИЯИ РАН, институты Курчатовского центра. Как результат, сегодня многие жизненно важные для страны прикладные направления, такие как ядерная медицина, материаловедение, полупроводниковая промышленность, зависят от иностранных поставщиков, — констатировал академик.
Что касается использования ускорителей в мировой индустрии, то они серийно производятся во многих развитых странах мира и широко применяются в различных сферах: модификация полимеров, гражданская безопасность, таможня, радиационная обработка в химической промышленности, обработка драгоценных камней, обработка полупроводников и многое другое.
В ядерной медицине очень востребована протонная и углеродная терапия злокачественных образований, находящихся в труднодоступных областях человеческого тела. С ее помощью специалисты локально облучает опухоль, практически без негативного воздействия на окружающие ткани. Другой пример применения ускорительных технологий — это взаимодействие ускоренных тяжелых ионов с биологическими материалами. Такое направление развивается на нуклотроне в Дубне, где проводятся эксперименты с тяжелыми ионами, которые наиболее опасны при длительных экспедициях на Луну или Марс.
По мнению Б.Шаркова, санкционная политика в отношении высоких технологий в России заставляет по-новому взглянуть на необходимость развивать в стране ускорители для социально-значимых прикладных применений и прежде всего для ядерной медицины. Это может дать весомый положительный эффект в индустрии высоких технологий на внутреннем рынке и сопровождаться ростом производства отечественных ускорительных установок и развитием связанных технологий: микроэлектроники, СВЧ и вакуумной техники.
В марте 2020 года в Новосибирске состоялось выездное заседание Секции ядерной физики Отделения физических наук РАН под руководством академика Валерия Рубакова, по итогам которого вышел доклад «Развитие физики и технологии ускорителей заряженных частиц». В нем специалисты выступили с предложениями по ряду направлений научных исследований, которые используют ускорители в качестве основного инструмента для экспериментов, а также способны стать локомотивом высокотехнологического развития гражданской, оборонной промышленности, медицины и сельского хозяйства. Был охвачен весь спектр современных технологий, тенденции развития ускорительных техник, проекты развития ускорителей, которые специалисты считают актуальными на горизонте 2020-2030 годов.
Среди основных названы: NICA — флагманский проект ОИЯИ, находящийся в стадии завершения (в конце 2022 года специалисты рассчитывают получить первые пучки в кольце коллайдера); «СКИФ» — или Сибирский кольцевой источник фотонов — уникальная машина для своей области энергий, с рекордными параметрами; синхротронный комплекс РФЯЦ-ВНИИЭФ; комплекс адронных ускорителей в Протвино (НИЦ КИ — ИФВЭ); электрон-позитронный коллайдер «Супер чарм-тау фабрика» (ИЯФ СО РАН), он должен стать базовой установкой для создаваемого в Сарове Национального центра физики и математики; ускорительный нейтронный комплекс ИЯИ РАН (цель проекта — создание сверхпроводящего линейного ускорителя протонов); проект DERICA — электрон-ионный коллайдер для ядерной физики средних и низких энергий.

— Наша программа призвана восстановить в России и поднять на современный уровень экспериментальную базу исследований по ядерной физике и физике частиц на основе ускорителей, — резюмировал Б.Шарков.
На просьбу президента РАН Александра Сергеева сравнить то, что делается в России, с флагманскими проектами в мире, академик ответил так: «Для российских проектов есть ниша, признанная международным научным сообществом. Мы не догоняем кого-то, а действуем на самом высоком международном уровне».
Вице-президент НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук Александр Благов рассказал, что Год науки и технологий ознаменовался для страны двумя важными событиями: энергетическим пуском нейтронного реактора ПИК и физическим пуском Токамака «Т-15МД», который в ближайшие 10-15 лет будет «единственной установкой такого масштаба в России». Говоря об источниках синхротронного излучения 4-го поколения, А.Благов подчеркнул, что в НИЦ КИ фактически достигли того уровня излучения, которое необходимо, чтобы проводить эксперименты во всех областях современных наук. Академик Игорь Мешков проинформировал о создающемся в Дубне коллайдере NICA и сообщил, что установка находится в стадии завершения строительства. В следующем году будет осуществлен ее монтаж и запуск.
Подводя итоги обсуждений, академик В.Рубаков отметил, что ускорительная физика и ускорительная техника — это та область науки, в которой наша страна традиционно была остается сильной. Есть прекрасные российские коллективы, которые плотно взаимодействуют и с ведущими международными организациями в этой области и делают большой вклад в крупные международные проекты. Очень важно, по мнению Рубакова, наращивать потенциал и выводить образование в области ускорительной техники на новый уровень. Он предложил обратить внимание руководства страны на необходимость соответствующего финансирования программ использования ускорительной техники в медицине.

Светлана БЕЛЯЕВА

Нет комментариев