Итоги года в ИЯФ СО РАН: от проекта «коллайдера будущего» и термоядерного реактора до поисков темной материи

Основная цель Российского научного фонда – помощь в реализации перспективных научных проектов, которые могут дать значимые результаты как для мировой науки, так и для российской экономики и общества. Комплексная программа ИЯФ СО РАН стала одним из 16 проектов-победителей, получивших финансирование в 2015—2018 гг. (еще одним победителем из Сибири стал проект новосибирского Института археологии и этнографии СО РАН).

Программа ИЯФ СО РАН включает 4 направления исследований: «Технологии пучков заряженных частиц для фундаментальных и прикладных применений», «Развитие и использование источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков», «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего», «Развитие калориметрических методов и разработка на их основе новых детекторов для фундаментальных исследований, медицины, систем безопасности и других высокотехнологичных применений».

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера – крупнейший академический институт РФ, один из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Многие годы институт широко сотрудничает с рядом крупных зарубежных и международных научных центров, такими как Европейский центр ядерных исследований в Женеве. В рамках этого сотрудничества ИЯФ СО РАН разработал, изготовил и поставил в ЦЕРН уникальное высокотехнологичное оборудование для Большого адронного коллайдера.

За первый год работы по проекту ИЯФ потратил 260 млн. рублей из средств РНФ и 65 млн рублей из собственных внебюджетных средств. Как объяснил директор института, чл.-корр. РАН П.В. Логачев, одним из условий получения гранта РНФ является возможность софинансирования проекта: «Когда мы оформляли этот грант, была надежда, что наш учредитель, ФАНО, поможет нам в выполнении этого условия. По крайней мере, они планировали внести часть суммы – около 20 млн рублей. В итоге жизнь сложилась иначе. Дополнительно вложенные в проект 65 млн руб. – это те деньги, которые мы сами заработали и не потратили на зарплату сотрудников. Их можно считать вкладом нашего коллектива в эту работу, своего рода гарантией выполнения наших обязательств перед РНФ». В целом же, как отметил директор ИЯФ, прошедший год стал успешным для института, в том числе в отношении выполнения комплексной научной программы по всем направлениям.

I. «Технологии пучков заряженных частиц для фундаментальных и прикладных применений»

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, д.ф.-м.н. Е.Б. Левичев:

«В рамках гранта РНФ мы обязались разработать специальный алгоритм исследования движения частиц в циклических ускорителях сверхвысоких энергий. Результаты этой работы предназначены для наших коллег из Европейского центра ядерных исследований (CERN), занимающихся разработкой циклических «коллайдеров будущего» (Future Circular Collider FCC).

Ученые задумались о новых перспективных установках уже тогда, когда на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса. Программа FCC, стартовавшая в 2014 г., – это очень амбициозный проект, предполагающий создание комплекса циклических коллайдеров, окружность одного из которых будет составлять 100 км (для сравнения: периметр Большого адронного коллайдера составляет 30 км). Таким образом, эта мегаустановка станет беспрецедентной в истории науки. В комплекс будет входить электрон-позитронный коллайдер для изучения свойств бозона Хиггса («хиггсовская фабрика») с периметром 100 км и максимальной энергией пучка 175 ГэВ; протон-протонный коллайдер с энергией пучка 50 ТэВ; а также электрон-протонный коллайдер, объединяющий возможности двух предыдущих установок.

Когда этот проект только начинался, мы долго дискутировали и решили предложить свой вариант. В результате именно наш проект электрон-позитронного коллайдера был выбран как базовый. В 2018 г. будет готов концептуальный проект, на основе которого и будет принято окончательное решение.

Предложенный нами новаторский способ встречи пучков элементарных частиц мы будем использовать для создания собственной коллайдер-фабрики «Супер чарм-тау». Метод, названный нами не очень по-русски Crab-Waist (от анг. «краб» и «перетяжка»), позволяет увеличить производительность ускорителя в cто раз, не меняя при этом его размеры и другие характеристики. Так что можно сказать, что ноги нового проекта ЦЕРНа растут из Сибири».

Сейчас ИЯФ очень активно участвует в реализации проекта FCC: целая команда ученых занимается решением фактически полного спектра задач, от управления пучками до конструирования оптики и других сложных элементов. Конечно, нельзя сказать, что все наши результаты были получены в течение лишь одного прошедшего года: в их основе лежит многолетний опыт сотрудников ИЯФ, посвятивших не одно десятилетие исследованиям в этой области. Но работу по созданию алгоритмов исследования движения частиц в циклических коллайдерах нам удалось сделать именно благодаря финансированию РНФ».

II. «Развитие и использование источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков»

Заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ СО РАН, чл.-корр. РАН Н.А. Винокуров:

«Когда мы говорим, что отчитываемся за год, то на самом деле имеем в виду более долгий срок: сегодня мы пожинаем плоды того, что было «посеяно» 10, а то и 20 лет назад. Ведь чтобы достичь хороших результатов, нужно построить свой уникальный прибор – работа на покупных установках не даст ничего нового. Хорошие же установки делаются долго, в них вложено много идей, которые, однако, не являются предметом отдельных публикаций. И сегодня в институте ведется много работы, результаты которой еще впереди. В этом смысле год – небольшой срок, тем не менее свои обязательства перед фондом мы выполнили.

Если же говорить о том, что уже ˮдозрелоˮ, то в первую очередь надо упомянуть результаты экспериментов с использованием мощного терагерцового излучения нашего ЛСЭ – лазера на свободных электронах. Необычные параметры пучков этого излучения позволили проводить тонкую оптическую работу с микро- и нанообъектами.

Еще одна часть нашей деятельности – разработки в области микропучковой терапии. Врачи утверждают, что если раковую опухоль облучать большим числом очень маленьких и тонких рентгеновских пучков, то ее уничтожение будет идти гораздо эффективнее и менее болезненно для человека. Сейчас мы проводим исследования, направленные на испытание этого метода. Направление это новое, «ненакатанное», поэтому и публикаций пока немного.

III. «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего»

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, д.ф.-м.н. А.А. Иванов:

«Наш отдел работает в направлении, которое должно увенчаться созданием коммерчески успешного термоядерного реактора. Как известно, сейчас во Франции при участии России ведется сооружение международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Примерно к 2025 г. этот реактор должен быть запущен. Фактически, это будет означать, что ключевая проблема, связанная с горением термоядерной плазмы, решена.

Пока еще совершенно неясно, является ли используемый в проекте ITER токамак (тороидальная камера для магнитного удержания плазмы) наилучшей установкой для коммерческого термоядерного реактора. Существуют и альтернативные варианты, например, наши открытые магнитные ловушки, которые могут стать основой создания реактора, более привлекательного в коммерческом отношении. Сейчас наша главная цель – создать задел для сооружения в ИЯФ газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ), что станет последним этапом перед созданием демонстрационного реактора.

Для достижения этой цели нужно решить ряд задач. В первую решить проблему с потерей плазмы, что характерно для открытых ловушек. Во-вторых, решить ряд технологических проблем, например, проблему взаимодействия плазмы с поверхностью установки, создать инжекторы для нагрева и поддержания плазмы и т.п. Ведь температура плазмы достигает 1 млрд градусов, и если не принимать никаких мер, то при взаимодействии с ней стенка реактора может просто испариться. Мы планируем исследовать процесс взаимодействия плазмы с поверхностью в динамике, чего еще никто в мире не делал, а контролировать состояние поверхности при облучении мощным потоком плазмы – при помощи излучения лазера на свободных электронах.

Еще одна задача связана с проблемой разделения двух видов топлива (трития и дейтерия). Эти два вида топлива вводятся в реактор независимо, но то, что выходит из системы – это уже их смесь. Для того чтобы решить эту задачу, нужно придумать систему разделения, но стоимость подобной установки может превышать стоимость самого реактора; к примеру, для реакторов масштаба ITER она составит около 500 млн долларов. Если же появится возможность вводить топливо в виде смеси, то затраты на создание реактора уменьшатся на сотни млн долларов.

Конечно, установка ГДМЛ относится к классу «мегасайенс», и финансирования РНФ, безусловно, недостаточно для реализации этого проекта. Сооружение этой установки должно вестись в коллаборации с другими странами, и сейчас мы занимаемся тем, что готовим для этого технологический и научный базис.

Но, как добавил директор ИЯФ СО РАН П.В. Логачев, в рамках гранта РНФ будет окончательно оформлен технический проект и технико-экономические основания для проекта, которые позволят начать привлекать средства на его реализацию.

IV. «Развитие калориметрических методов и разработка на их основе новых детекторов для фундаментальных исследований, медицины, систем безопасности и других высокотехнологичных применений»

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, д.ф.-м.н. Ю.А. Тихонов:

«В любом детекторе элементарных частиц калориметр является ключевым и самым дорогим, но при этом и самым «долгоиграющим» элементом – его можно не менять десятки лет. А так как у ускорителей появляется множество приложений, от лазера на свободных электронах до детекторных медицинских технологий, то необходимо, чтобы эти калориметры подходили для разных экспериментов.

Поскольку у нас уже имелись серьезные успехи в создании кристаллических (на основе кристаллов германата висмута, йодистого цезия, йодистого натрия) калориметров и калориметров на основе сжиженных благородных газов (криптона и ксенона), мы использовали грантовую поддержку для развития этих двух направлений.

Калориметры на кристаллах имеют лучшие параметры, лучшее временное разрешение, лучший световыход, что позволяет решать более серьезные физические задачи. Поэтому вместе с Институтом неорганической химии СО РАН мы отрабатывали технологию получения перспективных сцинтилляционных кристаллов нового поколения со структурой ортосиликатов. В свое время мы первыми разработали технологию выращивания германата висмута для калориметрии, так что и в этом случае должны достигнуть успеха. Что касается калориметрии на основе сжиженных газов, то нам удалось существенно улучшить параметры наших калориметров в детекторах КМД-3 и КЕДР.

Еще одно интересное направление – поиск темной материи с использованием детектора на сжиженном газе. Наши результаты по созданию детектора на жидком аргоне общепризнаны, и мы надеемся, что уже в ближайшие год-два прототип такого детектора будет создан. В 2015 г. нас пригласили участвовать в международном проекте по поиску темной материи DarkSide, основными организаторами которого являются Национальная лаборатория Гран-Са́ссо (Италия) и Принстонский университет (США). Будущий детектор, содержащий 20 т сжиженного аргона, будет построен примерно за 5—7 лет в шахтах, а примерно в 2023—2025 гг. ученые намереваются обнаружить до сих пор неуловимые частицы темной материи».