Фантастическая реальность

Уникальное оборудование Института ядерной физики СО РАН позволяет делать открытия мирового уровня новосибирским ученым и их коллегам из других городов и стран

Что будет, если столкнуть две чашки с супом? Куда полетят брызги бульона и к чему это приведет в итоге? Ответ на этот вопрос ищут физики-ядерщики из США. Правда, при этом речь идет не о настоящем супе. Такие яркие образы ученые используют, чтобы описать строение составных частей электронов — адронов.

Построить коллайдер, в котором возможно будет провести такой глобальный эксперимент, зарубежным коллегам помогут новосибирские специалисты из Института ядерной физики (ИЯФ). По заказу американской стороны в Новосибирске создадут уникальные магниты для новой чудо-машины.

— Обычно сталкивают протоны с протонами, антипротонами, ионы либо электроны с позитронами. Мы же впервые будем сталкивать электроны с поляризованными протонами и ионами, — пояснил суть грядущего эксперимента Владимир Литвиненко, директор Центра ускорительных науки и образования университета Стони Брук, профессор Брукхэйвенской национальной лаборатории (США). — Строение электронов хорошо известно — это микроскопическая частица, в которой можно просмотреть адроны. Они, в свою очередь, состоят из кварков, ионов — этакий «суп» из частиц. И если столкнуть две такие «чашки с супом», то полетят брызги, и важно понять, что в итоге получится.

Время объединяться
Литвиненко, проработавший более 15 лет в ИЯФе СО РАН и уехавший из страны в конце 1990 года, отмечает, что Институт ядерной физики имени Будкера во всем мире пользуется заслуженным уважением, ведь здесь по-прежнему генерируется огромное количество гениальных идей.

— Ваши ученые создают то, чего никто не пробовал делать раньше, это типичный новосибирский подход!

Однако наш бывший соотечественник также отметил, что время, когда каждое государство работало исключительно на себя, уходит в прошлое.

— Сейчас большинство стран начинают работать вместе: в одиночку строить проекты стоимостью миллиарды долларов невозможно. И то, что Новосибирск также принимает участие в масштабных международных проектах, нормально и даже естественно, — заметил ученый, очевидно, напоминая о вкладе новосибирцев в создание Большого адронного коллайдера, недавнее подписание договора о сотрудничестве в сборке первого в мире промышленного термоядерного реактора и другие, не менее впечатляющие проекты с участием Сибирского отделения РАН.

Замедляя, выигрываешь
В Новосибирск Владимир Литвиненко прилетел как участник международного совещания «Ускорители и рекуператоры — 2013» (Energy Recovery Linacs 2013). Мероприятие посвятили специальному классу ускорителей заряженных частиц — рекуператорам, которые используются сейчас в основном в лазерах на свободных электронах. Впрочем, разрабатываются и другие, очень перспективные, по словам ученых, области применения этих ускорителей. В частности, в источниках рентгеновского излучения и в физике элементарных частиц.

Чтобы обсудить достижения в этом направлении науки, ученые со всего мира собрались в новосибирском Академгородке. Это место для проведения конференции было выбрано неслучайно: Институт ядерной физики знаменит не только лучшими в мире электромагнитами, но также и тем, что здесь имеется ускоритель-рекуператор — один из трех ныне действующих в мире.

Как поясняют физики, при работе с сильноточными пучками заряженных частиц большая часть их мощности остается в уже использованном пучке и «теряется», когда этот пучок направляется в поглотитель.

— Пока речь идет о низких вложениях энергии, можно не переживать о рациональном ее использовании, но как только мощности возрастают, вопрос экономичности становится все более актуальным. Мегаватт приложенной энергии ты просто так «в ведро с мусором» не выбросишь, — рассуждает Владимир Шильцев, директор Центра физики ускорителей Национальной ускорительной лаборатории имени Э. Ферми (США).

Для повышения экономичности использования заряженных частиц ученые придумали направлять использованный пучок элементарных частиц обратно в ускоряющую систему ускорителя, но так, чтобы пучок замедлится, выделив при этом изрядную порцию энергии. Явление назвали рекуперацией (от английского recuperated), а машину, которая не только разгоняет заряженные частицы, но и замедляет использованные, — ускорителем-рекуператором.

Четыре оборота — только у нас
Чем больше у такого агрегата рабочих линий, тем больше мощность получаемого лазера и диапазон его волн, а значит, тем шире спектр применения. Новосибирский ускоритель-рекуператор — единственный в мире с четырьмя оборотами. Конечно, в той же Америке планируют создать машину с шестью линиями, но пока это только проекты. А наш агрегат — вот он, действующий!

— Наш рекуператор оснащен двумя пользовательскими установками, на которых попеременно работают ученые из многих научных институтов: как новосибирских и российских, так и приезжающие издалека, — рассказал член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Николай Винокуров. — В конце этого года мы планируем запустить уже третий лазер на свободных электронах на этом же ускорителе-рекуператоре. Это позволит расширить пользовательские возможности нашей установки. Мы заинтересованы в том чтобы иметь как можно больше пользователей разного профиля: биологов, химиков, физиков твердого тела, которые получат интересные научные результаты мирового уровня. Почему именно мирового уровня? Потому что излучения, которое у нас есть, больше ни у кого нет, главное — правильно его использовать.

Реальность лучше фантазии
Конечно, битва на световых энергетических (читай — лазерных) мечах, как у джедаев, все еще из разряда фантастики, однако современное лазерное излучение поражает ничуть не меньше оружия из фильма «Звёздные войны».

Результатом работы новосибирского рекуператора является мощный пучок лазера терагерцового диапазона. Обычно под этой областью подразумевают излучение от 0,1 до 1 миллиметра. В последнее десятилетие, отмечают в ИЯФ СО РАН, наблюдается бурный рост применения терагерцового излучения. По оценкам экспертов, рынок разрабатываемых терагерцовых приборов, к которым, в частности, относятся медицинские сканеры, системы обеспечения безопасности и контроля качества продукции, в 2015 году может составить больше 25 миллиардов евро. Применение этого излучения позволяет разработать лекарства для спасения человека от ранее неизлечимых болезней, а также контролировать производство лекарств в генной инженерии и биохимии. Грамотное использование терагерцового лазера позволит России занять лидирующее положение в международных программах по протеомике человека, полагают новосибирские ученые.

ФАКТ
Ускорители-рекуператоры могут применяться не только в науке. С помощью лазеров на свободных электронах можно передавать в космос большие мощности для питания спутников связи, обрабатывать различные поверхности, воздействовать на химические реакции.