В Московском государственном университете прошла одна из старейших в мире конференций, посвященных актуальным проблемам теоретической и экспериментальной ядерной физики «Ядро-2022: Физика атомного ядра и элементарных частиц». Уже 72 года конференция и презентуемые в рамках нее исследования в сфере ядерной физики во многом определяют научно-технологический прогресс и то, в каком мире мы с вами живем и что знаем о нем.

Когда великий английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, лорд Гладстон, в то время премьер-министр Великобритании, спросил его: «А какова практическая польза ваших исследований и электричества?» На что ученый ответил: «Я не знаю. Но что-то мне подсказывает, что однажды, сэр, вы обложите его налогом».

Фарадей был прав. Сегодня электроэнергетика — огромный сектор экономики.

Такая формула безусловно применима практически ко всем фундаментальным научным исследованиям и открытиям, и в особенности в области ядерной физики. Ежегодно на фундаментальные исследования в ядерной физике и физике частиц тратятся миллиарды долларов, строятся дорогостоящие экспериментальные установки, которые, казалось бы, сами по себе не имеют прикладного значения. Тем не менее все эти исследования не только являются двигателем научно-технологического прогресса, но и создают целые сектора экономики.

К примеру, стоимость одного лишь Большого адронного коллайдера (БАК) — самого мощного ускорителя частиц в мире — составляет несколько миллиардов евро. Но рынок, который сегодня развивается благодаря использованию технологий ускорения заряженных частиц, оценивается примерно в €700–800 млрд. Это и сами установки — разного рода ускорители частиц для промышленных целей, в основе которых те же принципы функционирования, что и в БАК, и продукция, полученная благодаря этим установкам.

Гигантский микроскоп

Ускоритель заряженных частиц — устройство, разгоняющее с помощью электромагнитного поля поток заряженных частиц (как правило, это электроны или протоны, имеющие отрицательный и положительный электрический заряд соответственно). Ускоритель — своего рода «микроскоп» в руках физиков, который позволяет изучать структуру микрообъектов, таких как атомные ядра, а также понимать свойства элементарных частиц. Для этого изучаемый микрообъект сталкивают с потоком ускоренных заряженных частиц предварительно разогнав до высоких скоростей — или, если по-научному, энергий — сами частицы, либо и частицы, и изучаемый объект, как это делается в коллайдерах.

Появились уникальные технологии и приборы, которые в отличие от установок для фундаментальных исследований работают на низких энергиях и применяются сегодня повсеместно. Они используются в медицине для генерации рентгеновских лучей, разрушения раковых клеток, создания радиофармпрепаратов, стерилизации медицинского оборудования, в сельском хозяйстве для обработки и дезинсекции продуктов, в промышленных целях для изменения и улучшения характеристик различных материалов, и даже для получения изображения на экране телевизора. Благодаря работам физиков-ядерщиков мы научились заглядывать внутрь человека без операционного вмешательства, расшифровали и смогли смоделировать молекулу ДНК.

В сельском хозяйстве активно используется гамма-излучение — для борьбы с насекомыми и контролем за их популяциями. Благодаря этому методу удалось успешно контролировать популяции американской тропической мясной мухи (Cochliomyia hominivorax), средиземноморской плодовой мухи (Ceratitis capitata), небезызвестной мухи цеце (Glossina) и прочих вредителей.

Ядерным технологиям нашлось применение и в археологии, где они помогают датировать находки, и в геологии при решении общегеологических задач и задач, связанных с поисками и разведкой полезных ископаемых. Не обходится без них и в производстве микропроцессоров. А с самой распространенной установкой, использующей -излучения радиоактивных изотопов, сталкивался практически каждый из нас — речь идет о досмотровых комплексах в аэропортах и на вокзалах.

Копилка знаний пополняется каждый год. И Международная конференция «Ядро: Физика атомного ядра и элементарных частиц» — одно из важнейших мероприятий, которые способствуют накоплению знаний и появлению новых идей в ядерной науке. С 1951 года конференция объединяет ученых ведущих мировых научных центров для обсуждения актуальных проблем теоретической и экспериментальной ядерной физики, ядерных и ускорительных технологий, ядерной медицины, а также нейтринной физики и физики высоких энергий. В этом году конференция состоялась при поддержке фонда Олега Дерипаска «Вольное дело».

На конференции было представлено около 400 докладов на самые разные темы — от экспериментальных и теоретических исследований ядерных реакций и структуры атома до ядерно-физических технологий в медицине. Можно не сомневаться, что все представленные проекты рано или поздно внесут свой вклад в прогресс науки и технологического развития.

В глубину материи

Одним из наиболее запоминающихся событий стало объявление сроков запуска российского коллайдера NICA, который строится в подмосковной Дубне на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). NICA — это один из восьми проектов класса «мегасайенс» в России, уникальных сверхмощных научных комплексов для исследований на мировом уровне. Они создаются благодаря национальному проекту «Наука и университеты» для решения ключевых задач современной науки.

Проект ставит целью изучение свойств плотной барионной материи, или, проще говоря, нейтронов и протонов — двух главных составляющих атомного ядра, что позволит нам получить новые знания о строении ядерной материи. Коллайдер позволит практически «перенестись во времени» на миллиарды лет назад, когда формировалась наша Вселенная, и воссоздать процесс формирования протонов и нейтронов. Для этого будет необходимо в лабораторных условиях воссоздать температуры и плотности ядерного вещества близкие к тем, которые были на заре рождения Вселенной. Добиться этого на Земле будет возможно путем сталкивания ядерных элементов в строящемся коллайдере NICA.

Ожидается, что в ходе экспериментов на коллайдере удастся «растопить» ядерное вещество на составляющие его элементарные частицы — кварки и глюоны, зафиксировать этот переход из одного состояния в другое, а также исследовать принципы и процессы, согласно которым эти частицы будут вновь объединяться в нейтроны и протоны, как это было в первые мгновения зарождения Вселенной. Для наглядности это можно сравнить с изучением процессов таяния и образования льда.

Строительные блоки материи

Кварки — мельчайшие составляющие материи. Эти частицы никогда не существуют по отдельности и стремятся объединяться в составные частицы. Кварки — «строительные» блоки для протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, являются составляющими атомных ядер.

Глюон — как предполагает само название, образованное от английского слова glue («клей»), это элементарная частица, которая переносит сильное взаимодействие и служит связующей для кварков.

NICA приблизит фундаментальную науку к описанию процессов формирования элементарных частиц из кварков и глюонов, пониманию особенностей удерживающих их сил, а также поведения материи при экстремально высоких температурах и плотностях.

В эксплуатацию коллайдер будет введен в 2023 году. Это первый этап. Второй этап — выход на проектные мощности и эксперименты с набором данных — запланированы на 2024 год. Приступить к третьей стадии — работе с поляризованными частицами — планируется в 2027 году.

В планах института еще и обширная программа экспериментов в радиобиологии, связанная с исследованиями на лабораторных животных. Результаты экспериментов позволят эффективнее бороться со злокачественными заболеваниями. Не исключено, что установка будет также использоваться в космической программе. Сейчас на базе института проводят испытания на радиационную стойкость практически всей микроэлектронной техники отечественных спутников перед их запуском.

Самое яркое излучение

Другой интереснейший доклад, представленный на конференции, был посвящен другому проекту класса «мегасайенс» — Сибирскому кольцевому источнику фотонов, также известному как синхротрон четвертого-плюс поколения СКИФ. Синхротрон — одна из разновидностей кольцевых ускорителей заряженных частиц, которую используют для получения синхротронного излучения. Происходит это за счет того, что заряженные частицы (в данном случае электроны) двигаются по кругу со скоростью, близкой к скорости света, и отдают часть энергии в виде фотонов, которые и являются источником этого электромагнитного излучения, которое мы и называем синхротронным. По периметру от кольцевого ускорителя отходят специальные каналы — экспериментальные станции, куда пролетающие мимо пучки электронов и направляют излучение, используемое в дальнейшем для научных исследований и экспериментов. Чем больше фотонов излучается, тем выше яркость излучения и, соответственно, тем четче на выходе «картинка» облучаемых объектов.

Излучение это состоит в основном из рентгеновских лучей, очень мощных и сконцентрированных, благодаря чему на экспериментальных станциях можно просветить практически что угодно и заглянуть в структуру практически любого исследуемого объекта — от отдельных атомов до тканей или органов лабораторного животного. В свою очередь, знание строения объектов позволяет создавать вещества, способные взаимодействовать с ними. Это особенно важно при создании противовирусных, антибактериальных и прочих лекарственных препаратов.

С применением синхротронного излучения связывают будущие прорывы в том числе в борьбе с распространением биологических угроз, что особенно актуально сегодня. К примеру, в марте 2020 года британский синхротрон третьего поколения Diamond Light Source помог быстро расшифровать структуру поверхностного белка коронавируса SARS-CoV-2 и начать поиск лекарства, которое могло бы блокировать этот белок.

Кроме того, излучение это позволяет исследовать различные быстропротекающие процессы, которые невозможно зафиксировать другими способами. Это и взаимодействие вируса с лекарственными препаратами, разного рода химические реакции, распространение ударной волны при взрыве и т. д. Незаменима технология и в сканировании микропроцессоров на предмет их исправности. Синхротрон также расширяет исследовательские возможности для усовершенствования промышленных компаний собственной продукции и рождения новых технологий в микроэлектронике, нефтехимии, лесопромышленности и других отраслях.

Ожидается, что на момент запуска СКИФ станет источником самого яркого синхротронного излучения в мире и первым в мире синхротроном поколения 4+. Первый электронный пучок на СКИФе должен быть получен уже в этом году. Важен СКИФ еще и потому, что является одним из флагманских научных проектов в Сибири, который обеспечит регион и страну в целом современной исследовательской инфраструктурой, позволяющей проводить исследования мирового уровня.

Помочь голодающим

Наконец, третий интереснейший проект — работа молодого поколения физиков из Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, посвященная облучению еды. Пусть он далеко не столь масштабный, как NICA и СКИФ, но он напрямую повлияет на жизнь каждого без исключения.

Сельское хозяйство и продовольственный сектор — третий по величине сегмент рынка радиационного облучения. Радиационная обработка пищевых продуктов позволяет не только уничтожать практически любые болезнетворные бактерии, но и приводит к удлинению срока хранения продуктов, к дезинсекции зерна и фруктов, стерилизации мясных продуктов и т. д. При этом исследования показывают, что радиационная обработка не оказывает какого-либо вредного воздействия на продукты. Подобная обработка применяется в более чем 40 странах. Для нее используется преимущественно -излучение с использованием радиоизотопов.

Рабочая группа же трудится над разработкой методов и инструментов повышения эффективности технологии обработки продуктов питания с ускоренными электронами, что само по себе эффективнее, чем использование радиоизотопов. Информация, полученная в ходе исследований, позволит выявить наиболее оптимальную дозировку облучения электронами и в перспективе может стать базой для формирования нормативов для регламентирования процедуры радиационной обработки продуктов питания. Работы ведутся в том числе на базе одного из первых в России ускорителей для промышленной радиационной обработки продуктов питания ускоренными электронами, созданном НИИЯФ МГУ совместно с АО НПП «Торий».

Польза от подобной технологии вполне очевидна. В 2019 году потери от поставок еды потребителям составили 1,3 млрд тонн, или 30% от всех продуктов. Одновременно с этим, по статистике Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в мире около 800 млн людей голодают. Технология не только даст возможность увеличить срок хранения пищевой продукции, что, в свою очередь, позволит сохранить ее при длительных перевозках, но и значительно снизит количество заболеваний пищевыми инфекциями. К слову, уже сегодня практически вся сельхозпродукция, поступающая в Россию из стран Юго-Восточной Азии, предварительно проходит подобную обработку от инфекций, против которых у нас нет иммунитета.

О конференции «Ядро-2022. Физика атомного ядра и элементарных частиц»

72-я Международная конференция «Ядро-2022. Физика атомного ядра и элементарных частиц» — одна из старейших и известнейших в мире конференций по ядерной физике. Проводится ежегодно с 1951 года. Ее тематика посвящена обсуждению актуальных проблем теоретической и экспериментальной ядерной физики, ядерных и ускорительных технологий, ядерной медицины, а также нейтринной физики и физики высоких энергий. Ежегодно в конференции принимают участие сотни специалистов и молодых ученых из российских и зарубежных научных центров.

В разные годы здесь выступали с докладами выдающиеся физики: лауреаты Нобелевской премии Лев Ландау и Павел Черенков; первооткрыватель несохранения четности в слабых взаимодействиях Ву Цзяньсюн, а также Бруно Понтекорво, Яков Зельдович и многие другие.

С первых лет ведущая роль в организации этих совещаний принадлежит Московскому университету. В этом году МГУ имени Ломоносова принимал конференцию у себя в 16-й раз. Фонд Олега Дерипаска «Вольное дело» выступил соорганизатором конференции в рамках многолетнего сотрудничества с МГУ.

Фонд поддержки социальных инноваций «Вольное дело» основан промышленником и общественным деятелем Олегом Дерипаской. Фонд решает социально значимые проблемы, поддерживает отечественное образование и науку, содействует сохранению культурно-исторического наследия России. При поддержке фонда реализовано 500 проектов в 50 российских регионах, его благополучателями стали 90 тыс. учеников, 4 тыс. учителей, 8 тыс. студентов вузов и техникумов, 4 тыс. ученых, 1,2 тыс. учреждений образования, науки, культуры, здравоохранения, спорта и других организаций.

На протяжении более 20 лет фонд выплачивает стипендии студентам и гранты преподавателям МГУ, поддерживает запуск новых учебных программ и курсов, помогает в обновлении материально-технической базы. В период пандемии фонд обеспечивал преподавателей и студентов МГУ продуктами, медикаментами и средствами индивидуальной защиты, в марте прошлого года оборудовал общежития МГУ новыми мощными роутерами.