Наш ответ коллайдеру

Благосостояние российских физиков растет, подумали мы, подруливая к Петербургскому институту ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ). Пять лет назад довелось оказаться в гостях у ядерщиков, и почему-то запомнилась пустынная заснеженная автостоянка перед институтом. Сегодня парковка забита – приткнуться негде. Валерий Федоров, заведующий отделением нейтронных исследований, раскрыл секрет: “Это в основном не наши машины, а работников вспомогательных служб”. Дело в том, что в Гатчине, где расположен ПИЯФ, намерены дать достойный ответ ЦЕРНу. В Швейцарии запустили наконец-таки коллайдер, а мы запускаем ПИК – высокопоточный пучковый исследовательский комплекс. На 28 декабря назначена госприемка объекта, и если все пройдет благополучно, а гатчинские физики в этом не сомневаются, то после новогодних праздников произойдет так называемый физический пуск. Этого момента здесь ждали 30 лет. Корреспонденты “Итогов” стали первыми журналистами, допущенными на уникальный объект.

Строили мы, строили…

Сложно поверить, но решение о создании ПИКа было принято аж в 1975 году. Советская наука стремилась захватить лидерство в области нейтронных исследований. Эти соображения были во многом продиктованы и гонкой вооружений. Но приключился Чернобыль. В 1986 году проект практически был остановлен. Потом, в 90‑е, были попытки его реанимирования, но карты физикам спутал дефолт. При “атомном министре” Адамове финансирование ПИКа вновь ненадолго открылось – 50 процентов средств в его создание вкладывал Минатом и еще по 25 – Миннауки и РАН. Но и эта финансовая волна схлынула. В 2007 году физики вновь пробили финансирование, появилось соответствующее распоряжение правительства страны, а вместе с ним и задание – до конца 2009 года сдать первую очередь исследовательского реактора. Физики сроков не нарушили. Сегодня ПИК практически готов к работе.

Комплекс занимает закрытую территорию, которая находится под усиленной охраной внутренних войск. Посторонним вроде нас вход – только в виде исключения. При этом нас все время обязательно сопровождали два человека – сотрудники из служб контроля и безопасности. Чтобы попасть на территорию ПИКа, сначала минуем шлюзовую камеру. Пропускают строго по одному, а в сам шлюз можно пройти только при помощи специальной магнитной карты. Соображения секретности в данной ситуации играют роль второго плана. На первом месте – безопасность.

Вместе с Валерием Федоровым и ученым секретарем Иваном Митропольским мы идем к комплексу. Наше внимание привлекает “оболочка” реактора – бетонный параллелепипед (во всем мире, как правило, строят купола), который по расчетам способен выдержать падение самолета.

Сам комплекс состоит из здания, в котором размещен реактор, и нескольких строений, примыкающих к нему лучеобразно. На торце одного из них указан год постройки – 1990‑й, на торце другого – 1991‑й. Здания стояли пустыми коробками, а сейчас в них кипит работа – рабочие кладут плитку, пахнет краской. В коридорах гулко – мы шагаем по грохочущим металлическим пластинам, которыми выложен пол.

“На сегодня лучшим в мире высокопоточным нейтронным исследовательским реактором считается реактор Международного института Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ) во французском Гренобле, – рассказывает Валерий Федоров. – Он уже три десятилетия успешно эксплуатируется мировым сообществом физиков. Реактор ПИКа по своим параметрам не уступает “французу”, а по некоторым характеристикам – например, по максимальному потоку нейтронов, по числу позиций на пучках – даже превосходит его. Экспериментальные возможности ПИКа уникальны, и в ближайшие 15 лет нигде в мире подобные реакторы созданы не будут”.

Все дипольно…

Мы проезжаем на лифте два уровня и оказываемся в круглом помещении. Это Экспериментальный зал горизонтальных каналов. В центре – тело реактора. Его не спеша обкладывают защитой из массивных чугунных блоков. Все они пронумерованы для удобства сборки. Защита здесь применена уникальная. Во-первых, толщина не менее полутора метров, во-вторых, ее сделали разборной, чтобы можно было максимально близко установить опытный образец и направить непосредственно на него мощные потоки нейтронов. По окружности реактора – десять выходов. От двух из них в соседний нейтроноводный зал почти на 100 метров протянутся нейтроноводы (трубы, проще говоря). “Нейтроноводные залы нужны, во-первых, чтобы создать бесфоновые условия для исследований, а во-вторых, чтобы исследовать не микроструктуру вещества, не атомы, а более крупные структуры – кластеры, биологические молекулы, спиральные и магнитные структуры”, – рассказывает Валерий Федоров. Это те исследования, которые сегодня наиболее востребованы промышленностью. Так, например, в ИЛЛ сегодня проводится около 800 экспериментов в год, в которых участвуют в среднем 1200 ученых из разных стран. К французам на исследования стоит очередь, ученые записываются загодя, чтобы на конкурсной основе получить свои в лучшем случае 20 дней в плотном исследовательском графике. России на ежегодные исследования во Франции требовалось около 150 миллионов рублей. Понятно, что в такой ситуации ПИК будет отлично соответствовать спросу и Россия наверняка сможет на нем неплохо зарабатывать. Заказчиками работ на ПИКе также на конкурсной основе могут стать российские и зарубежные научные институты, как, впрочем, и венчурные компании.

В главном зале на нулевой отметке по уровню земли мы разглядываем разверзтое жерло реактора. Блестит холодом новехонькое железо трубопроводов, где-то далеко, в самом низу, поблескивает вода. Валерий Федоров набрасывает в общих чертах план установки: “Это центральный канал. В нем будет создан уникальный поток для таких реакторов – 4,5х1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Это в пять раз превышает максимальную плотность потока реактора в Гренобле. Облучательные возможности тоже уникальны. Здесь можно, например, за год узнать, как поведет себя материал на протяжении 50 лет облучения при работе в активной зоне атомной станции”. Европейские ученые на своих установках работают в тесном сотрудничестве с авиастроителями, изучающими на нейтронном уровне возможные повреждения крыльев или иллюминаторов. А автомобильная отрасль Франции на нейтронном источнике изучает, как ведет себя масло в поршневой системе двигателя.

Недавно западноевропейские эксперты составили перечень технологий, которые обеспечат прогресс объединенной Европы вплоть до 2020 года. Во всех этих технологиях ставка делается на нейтронные исследования. Наши физики могут говорить долго и с увлечением о том, что уникальная способность нейтрона “видеть” легкие атомы водорода на фоне тяжелых атомов незаменима при решении задач водородной энергетики. И это можно делать у нас, в Гатчине. Или о том, что при помощи нейтронов можно получать изотопы, помогающие в диагностике и лечении рака. А также о том, что после облучения в нейтронном потоке можно получать редчайшей красоты топазы с зонами голубого и винно-желтого цвета в одном кристалле. Или что на сегодняшний день нейтронные методы исследования являются единственным средством, способным дать ответ на вопрос о пространственной организации биологической материи в ядре живых клеток, то есть от молекул ДНК (наномасштаб) в хромосомах до самого ядра (микронные размеры). Эта информация принципиальна для понимания функционирования живой клетки как целого. Об интересе ВПК к исследованиям в Гатчине тоже, наверное, говорить не приходится. Подводные лодки, работающие на водородном топливе, – это уже не далекая фантастика, а сегодняшний день. Как и разработка новых видов керамики для реактивных самолетных двигателей.

В общем и целом даже человеку, далекому от физики, несложно понять, что в Гатчине ожидается вовсе не рядовое событие в мировой науке. Удивляет отсутствие шумихи вроде той, которая сопровождала запуск коллайдера в Швейцарии. При том, что еще неизвестно, что важнее для человечества – найти бозон Хиггса, который хотят получить в ЦЕРНе, или электрический дипольный момент (ЭДМ) нейтрона, за которым намерены на новом уровне точности охотиться в Гатчине.

Мир и антимир

…На самом верхнем уровне комплекса – отметке 14,2 – находится Главный щит управления. Не спеша сотрудники проверяют оборудование электроснабжения реактора, на профессиональном языке отдаются какие-то распоряжения. Здесь как на мостике боевого корабля – то, что происходит, понимают только члены команды. А Валерий Федоров рассказывает о двух путях, которыми идет современная физика элементарных частиц для получения новых данных. По первому пути идут в ЦЕРНе, по второму пойдут в Гатчине. “Первый – это увеличение энергий ускоряемых, а затем сталкивающихся частиц и ядер в физике высоких энергий для поиска новых частиц, например хиггсовских бозонов, – говорит он. – Второй путь – это увеличение точности измерений в физике низких и средних энергий, в частности в нейтронной физике. Для этого необходимы высокоинтенсивные источники нейтронов, поскольку для увеличения точности нужна статистика, а кроме того, новые идеи и нестандартное оборудование. И хотя существует мнение, что вся современная фундаментальная физика делается на гигантских суперколлайдерах, многие наиболее важные проблемы науки могут быть решены в тонких и очень точных экспериментах на нейтронах”. Следует заметить, что хотя ПИК и является достаточно дорогостоящим, тем не менее его стоимость ни в какое сравнение не идет с ценой суперколлайдера (по некоторым оценкам от 10 до 20 миллиардов долларов).

Суперколлайдеры ищут новые частицы. Нет проблем! Но не нужно, говорят физики, увлекаясь, забывать о такой вещи, как Стандартная модель элементарных частиц. Пока не найдено ни одного отклонения от нее. И бозон Хиггса нужен для ее подтверждения. Однако есть такая, по словам гатчинских физиков, вопиющая вещь, как нарушение барионной симметрии Вселенной, которая противоречит Стандартной модели. То есть, проще говоря, почему вещества в нашем мире больше, чем антивещества. Вот уж действительно загадка из загадок, и здорово было бы ее разгадать. Потому что это будет ответ на вопрос, почему мы с вами вообще существуем.

Для того чтобы объяснить это явление, нужны новые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, такие, как, например, теория Великого объединения или суперсимметричные теории, в которых имеется нарушение так называемой СР-симметрии – симметрии между материей и антиматерией (С) и симметрии левого и правого (Р). Наиболее популярные на сегодня теории утверждают, что изначально Вселенная была симметричной, а все асимметрии объясняются “спонтанным нарушением” при расширении и остывании Вселенной после Большого Взрыва. Нейтронные эксперименты наряду с экспериментами в физике высоких энергий позволяют искать доказательства правильности подобных теорий. Нарушение симметрии, выходящее за рамки Стандартной модели, по словам наших физиков, можно обнаружить на ПИКе, измеряя тот самый ЭДМ нейтрона. Каждый школьник знает, что любая электронейтральная частица состоит из одинакового числа положительных и отрицательных зарядов, а дипольный момент возникает, если вдруг положения зарядов не совпадают. Нарушение СР-симметрии приводит к ЭДМ нейтрона (то есть к смещению положительного заряда относительно отрицательного) на уровне от 10 -26 см до 10 -28. Гатчинские физики ведут подготовку нескольких экспериментов по поиску ЭДМ на этом уровне точности. Такие измерения в нейтронной физике позволят получить результаты, как тактично говорят наши ученые, “вполне сопоставимые по важности с результатами, получаемыми на дорогостоящих суперколлайдерах”.

Если на суперколлайдерах ведется поиск реальных новых частиц, то в нейтронной физике мы, по сути, имеем дело с теми же частицами, только виртуальными, такими, которые возникают на очень короткий миг и тут же исчезают, оставляя след в виде ЭДМ, малых изменений во времени жизни, магнитном моменте и других характеристиках того же нейтрона. Этот след можно заметить при помощи очень точных измерений.

Про нейтрон еще можно сказать, что по сути он является естественным хронометром Вселенной, его время жизни играет существенную роль в первичном нуклеосинтезе. И если в поисках бозона Хиггса ученые хотят понять, из чего состоит этот мир, то при экспериментах с нейтроном на пучковом исследовательском комплексе физики хотят понять, почему этот мир такой, какой он есть. Не правда ли, интригующая задачка?

Гатчина – Москва Василий Дятлов

*Как это работает *

*На ПИКе возможностей *

ПИК – это площадка для исследований процессов на нейтронном уровне. Преимущества нейтронного излучения, хотя бы перед тем же самым рентгеновским, весьма существенны. Энергия нейтронов из-за наличия у них массы значительно меньше, чем энергия рентгеновских или гамма-лучей при той же длине волны. Это дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и происходящие в нем динамические процессы. Кроме этого, нейтрон обладает магнитным моментом и позволяет рассматривать магнитную структуру, что важно для понимания природы процессов, происходящих, например, в высокотемпературных сверхпроводниках. Плюс к этому c помощью нейтронов доступно изучение изотопного состава веществ, а еще они электронейтральны и их взаимодействие с ядрами является слабым, что позволяет частицам глубоко проникать в вещество – в этом их, пожалуй, важнейшее преимущество перед рентгеновскими и гамма-лучами, а также пучками других заряженных элементарных частиц. Эти ­качества нейтронного излучения делают его универсальным инструментом исследований на ПИКе в интересах физики, химии, биологии, геологии, материаловедения, медицины.