Два из шести существующих в мире коллайдеров находятся в нашем Академгородке

Давайте наконец разберемся, что же собираются строить в Академгородке, на что государство выделяет баснословные миллиарды рублей и зачем нам это все нужно?

Коллайдер — это ускоритель элементарных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Примерно этот процесс можно описать так: в трубе с огромной скоростью несется поток электронов, навстречу ему — поток позитронов, при встрече этих частиц возникают новые, которые и предстоит изучить.

Сегодня в мире работает всего шесть коллайдеров. Самый знаменитый из них, Большой адронный коллайдер, находится в Швейцарии. Кстати, ученые Института ядерной физики СО РАН в свое время приняли самое деятельное участие в его создании. В Америке, в Брукхейвенской национальной лаборатории, есть релятивистский коллайдер тяжелых ионов, начавший работу в 2000 году. В 1999 году был запущен коллайдер DAFNE в лаборатории Фраскати в Италии. Он был одним из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это DAFNE окрестили фабрикой частиц, или Ф-фабрикой. В 2006 году собственный коллайдер запустил Китай.

Рекордная точность
В России сегодня есть два действующих коллайдера, и оба находятся в ИЯФе. Речь идет об уникальной научной установке — комплексе электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-4 — ВЭПП-2000. Его используют для проведения экспериментов по физике высоких энергий, ядерной физике и экспериментов с использованием синхротронного излучения. Стоит отметить, что комплекс является единственной в России установкой со встречными пучками. Его физико-технические параметры таковы, что позволяют осуществлять постановку экспериментов, уникальных не только для России, но и для всего научного мира. Установка из двух коллайдеров дает возможность с рекордной точностью измерить массы элементарных частиц. Что, в свою очередь, можно использовать для описания фундаментальных свойств матери. Иными словами, в ИЯФе изучают, как устроен мир, в котором мы живем.

Депутаты Законодательного собрания Новосибирской области знакомятся с уникальными научными установками ИЯФа. Фото Юрия Хомича

Разные коллайдеры работают на разных энергиях: больших, малых и промежуточных. По словам сотрудников ИЯФа, коллайдер ВЭПП-2000 действует в сфере малых энергий, и в этой области у него самая большая производительность в мире. Именно здесь рождаются новые методы фун­даментальных исследований. Например, для знаменитого СКИФа (Сибирского кольцевого источника фотонов), который еще только предстоит построить в Кольцово, понадобятся очень тонкие электронные пучки. Технологию их получения отработали как раз на коллайдере Института ядерной физики.

Что интересно, «прародитель» нынешних коллайдеров был построен в ИЯФе еще в семидесятых годах прошлого века. Естественно, со временем возникли новые научные задачи, которые он уже не мог решить. В 2000–2001 годах исходная установка была полностью модернизирована, фактически построена заново, причем все работы были оплачены из бюджета института.

Ловушка для плазмы
Еще одной уникальной научной установкой Института ядерной физики является комплекс длинных открытых ловушек для удержания плазмы. В его состав входят специализированные открытые плазменные ловушки ГОЛ-3 и ГДЛ, предназначенные для создания и магнитного удержания высокотемпературной термоядерной плазмы. Плазма — это ионизированный газ, одно из четырех агрегатных состояний вещества. Почему исследования плазмы так важны? Дело в том, что одним из возможных решений энергетической проблемы считается управляемый термоядерный синтез — энергия, получаемая при слиянии легких ядер. Наибольшие успехи в этой области были достигнуты при помощи нагрева плазмы, удерживаемой в магнитном поле. Тем не менее электростанция на основе управляемого термоядерного синтеза пока не построена.

Институт ядерной физики занимается изучением проблемы управляемого термоядерного синтеза более шестидесяти лет. Сложность в том, что для термоядерных реакций нужны огромные температуры — речь идет о миллионах и миллиардах градусов. На Земле, да и во всей Солнечной системе, таких температур нет. С точки зрения физиков, звезда по имени Солнце — не слишком эффективный реактор. Проблема еще и в том, что при очень высоких температурах, как при термоядерном взрыве, частицы вещества стремятся разлететься. Как же «поймать» их? Основатель Института ядерной физики академик Андрей Михайлович Будкер первым предложил использовать магнитное поле, для того чтобы удерживать плазму.

Общий вид открытой плазменной ловушки ГОЛ-3. Фото Юрия Хомича

Одно из направлений исследований — взаимодействие плазмы с электронным пучком. В настоящее время для генерации такого пучка используются мощные источники излучения. Но расчеты показывают, что со временем можно будет построить источник излучения, скажем, размером с письменный стол. Другой способ получения плазмы — с помощью инжектора нейтральных атомов. Сегодня ученые изучают воздействие плазмы на различные вещества. Вопрос имеет в том числе и прикладное значение: если придется строить термоядерный реактор, из чего делать его стенки, чтобы они выдержали контакт с плазмой? Что сможет выстоять при таких температурах? Исследования со временем дадут ответ на этот вопрос.

Генератор электронного пучка установки ГОЛ-3. Фото Юрия Хомича

Куда исчезла антиматерия?
Сегодня ученые Института ядерной физики СО РАН работают над двумя важнейшими проектами класса мегасайенс. Всего в рамках реализации нацпроекта «Наука» таких объектов в России планируют построить шесть, и два из них будут в Новосибирске. Об одном из них, знаменитом СКИФе, создание которого курирует Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, написано уже немало. О втором проекте, который носит название «Супер чарм-тау фабрика», известно несколько меньше. Это целиком и полностью разработка ИЯФа. По мнению экспертов, реализация проекта подтолкнет развитие технологий, поспособствует решению мюонной проблемы и, возможно, поможет разгадать загадку антиматерии.

— В нашем коллайдере, я имею в виду «Супер чарм-тау фабрику», будут сталкиваться электроны и позитроны. Ученые надеются, что с ее помощью смогут узнать, почему Вселенная состоит из материи, но в ней совсем нет антиматерии, хотя известно, что на начальном этапе возникновения Вселенной и той, и другой было поровну. Ответ на  вопрос, куда же исчезла антиматерия, до сих пор неясен, — говорит заместитель директора Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН доктор физико-математических наук Евгений Левичев. — Предварительный проект «Супер чарм-тау фабрики» был готов в 2010 году. К концу 2019 года мы должны представить проект и технико-экономическое обоснование, по которому руководство страны примет решение о финансировании коллайдера. Отношение к «Супер чарм-тау фабрике» весьма позитивное. Оценочная стоимость составляет 30–40 миллиардов рублей.