Совершенно потрясающие впечатления оставил медиатур у журналистов Центрального федерального округа, посетивших Дубну в рамках проекта «Узнаем Россию вместе!» от Альянса руководителей региональных СМИ России (АРС-ПРЕСС). Объединенный институт ядерных исследований организовал для представителей средств массовой информации экскурсию в  Лабораторию ядерных реакций и Лабораторию физики высоких энергий, по окончании которой дирекция Института провела с журналистами пресс-конференцию.

Утром в Доме ученых Объединенного института ядерных исследований делегацию журналистов встречал пресс-секретарь Борис Старченко. Вкратце ознакомив гостей с деятельностью Института, Борис Михайлович вручил каждому юбилейный буклет, посвященный 60-летию ОИЯИ.

О  сверхтяжелых элементах, ускорительных комплексах и «острове стабильности»

Экскурсия началась с посещения одной из семи действующих лабораторий ОИЯИ – Лаборатории ядерных реакций. Следует отметить, что прибывшие журналисты – представители не специализированных научных изданий, а обозреватели обычных региональных СМИ. Тем не менее,  представленная доступным языком информация дала им возможность почувствовать настоящие масштабы проводимых в Институте научных экспериментов.

Александр Карпов, ученый секретарь Лаборатории, свою презентацию начал с рассказа о выдающемся ученом, одном из основателей ОИЯИ Георгии Флерове, который, еще будучи аспирантом ЛФТИ, участвовал  в открытии нового типа радиоактивных превращений – спонтанном делении урана. Известен он и своими письмами с фронта Сталину о необходимости создания атомного оружия. Именно по его инициативе была открыта  Лаборатория ядерных реакций, которой в следующем году исполнится 60 лет. Под руководством Георгия Флерова в Лаборатории были синтезированы несколько новых химических элементов, сделано множество важных научных открытий. Уже после смерти ученого его именем был назван один из открытых в этой Лаборатории элементов под номером 114.

Сегодня здесь работают около 400 сотрудников, 100 из них – ученые. Только за последние годы в Лаборатории было синтезировано 6 новых химических элементов и около 50 изотопов трансактиноидных элементов. Синтез и изучение сверхтяжелых атомов – одно из основных направлений исследований Лаборатории.

Долгое время в науке оставался открытым вопрос о существовании на Земле элементов тяжелее урана: считалось, что стабильных элементов с суммарным количеством протонов и нейтронов больше 180 нет, так как большой положительный заряд ядра  должен разрушать внутренние уровни электронов тяжелого атома. Однако впоследствии выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки, то есть устойчивость элемента зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Изотопы одного элемента могут характеризоваться сильно отличающимися периодами полураспада.

Активные эксперименты по получению искусственным путем новых элементов были начаты в 30-е годы прошлого столетия в США. С помощью ядерного реактора были открыты с 93 по 100-й химические элементы. В ядро тяжелого элемента внедряли дополнительный нейтрон, который в результате бета-распада образовывал протон, электрон и электронное антинейтрино. При этом заряд ядра увеличивался на единицу – получался новый элемент. Так синтезировали нептуний, плутоний и другие элементы до фермия. Каждый последующий имел существенно меньший период полураспада. Если у урана он – 4,5 миллиарда лет, то у фермия (изотоп 257) – всего 100 лет.

В ОИЯИ с 1964 по 1975 год были синтезированы 102, 103, 104, 105 (Dubnium), 106,107, 108 элементы. Период жизни каждого нового элемента продолжал уменьшаться по сравнению с предыдущим и достигал долей секунды. По существовавшей тогда теории, открытие еще нескольких элементов должно было завершить формирование периодической таблицы Д.И. Менделеева: предполагалось, что в определенный момент исследований возникнет ядро, которое распадется раньше, чем вокруг него образуются орбитальные электроны. Однако  именно в Дубне академиком Г.Н. Флеровым в конце 60-х годов впервые было высказано предположение о том, что времена жизни последующих открываемых элементов вновь станут  возрастать и примерно со 114 элемента будут составлять от тысяч до миллионов лет.

Со школьной скамьи всем нам знакома таблица Менделеева, в которой хорошо видны свойства элементов, физики же чаще пользуются Картой ядер, с которой познакомил журналистов Александр Карпов. На ней отображается не только количество протонов, но и нейтронов, от которых зависят свойства ядер элементов. На  карте отмечены стабильные – их всего 297,  и радиоактивные ядра – таких гораздо больше: около 8000, из которых на данный момент известны  примерно 3000. Образно можно представить символический «Архипелаг  стабильных элементов», окруженный «Морем короткоживущих изотопов». На главном острове архипелага наиболее стабильные элементы – кальций, олово и свинец, за «Проливом радиоактивности» – «Остров тяжелых ядер» с ураном, нептунием и плутонием. А далее – предсказанный Флеровым «Остров стабильности» сверхтяжелых ядер с центром вблизи элемента с числом протонов Z=114 и числом нейтронов N=184 с периодом жизни около 100 миллионов лет.

Несколько десятилетий ученые всего мира работали над тем, чтобы доказать или опровергнуть существование сверхтяжелых элементов. Неопровержимых доказательств их существования в природе нет. Попытки искусственно синтезировать такие элементы были безуспешными, и в дальнейшую удачу уже мало кто верил. Конкурирующие институты в какой-то момент прекратили эксперименты. Но дубненские ученые продолжали работы в этом направлении. В 2000 году в ОИЯИ был синтезирован 114 элемент, в 2002 – 116, в 2003 сразу три элемента – 113, 115, 118, и в 2009 – 117. Периоды жизни этих элементов уже дают возможность заняться исследованием их химических свойств.

Для того, чтобы открытие было официально признано, нужно, чтобы его кто-то повторил. На это порой уходят годы. Дубненские эксперименты повторили, получив те же результаты в Германии и Америке. Решение об открытии новых элементов и присуждении их названий выносит Международный союз чистой и прикладной химии «IUPAC». В 2011 году  им было признано открытие первых сверх тяжелых элементов – 114 и 116, через год получивших названия флеровий и ливерморий в честь сотрудничающих лабораторий ОИЯИ имени Г.Н. Флерова и Ливерморской национальной лаборатории в США.

В мире на сегодняшний день не так много лабораторий, которые занимаются синтезом новых элементов: в России (Дубна), США, Германии и Японии. Страсти в ядерной физике кипят нешуточные. Иметь право дать название новому элементу – событие грандиозное, за это право идет серьезная борьба. Исследования очень дорогостоящие,  в том числе и потому, что в них используются редкие вещества, обладающие уникальными свойствами, например, изотоп кальция (48) и калифорний (249) с большим количеством нейтронов в стабильных ядрах.

Японцам удалось повторить за немецкими учеными синтез 110-112 элементов, а также на полгода позже дубненских физиков они получили 113 элемент. По непонятным причинам приоритет со стороны «IUPAC» был отдан Японии, для которой это стало общенациональным праздником.

Открытие  элементов 113, 115, 117 и 118 было признано «IUPAC» 30 декабря 2015 года. 8 июня 2016 года были опубликованы предварительные  названия этих элементов, предложенные авторами открытий: нихоний (по-японски «нихон» – страна восходящего солнца), московий (в честь Московской области, где расположен Институт, или древней земли Московии), теннессин (от названия штата, где находится Окриджская национальная лаборатория, специалисты которой участвовали в эксперименте), и оганесон. 118 элемент назван в честь Юрия Оганесяна, второго директора, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций, академика с мировым именем. Это второй случай в истории, когда при жизни ученого его именем называют открытый химический элемент, первым был американский физик Гленн Сиборг. 8 ноября закончится период публичного обсуждения наименований, после этого новые элементы должны будут получить свои официальные названия, и состоится их инаугурация.

Синтез этих элементов  закроет 7-й период в таблице Менделеева и последние пропуски на момент открытия им периодического закона. Следует отметить, что за последние 60 лет в мире были открыты 18 новых химических элементов, из них 11 были синтезированы в Дубне – это те, по которым «IUPAC» признал полный или частичный приоритет ОИЯИ.

Журналистам рассказали, что в Лаборатории ядерных исследований занимаются не только синтезом и изучением свойств  сверхтяжелых атомов и химических свойств новых элементов. Объектами исследования являются и легкие экзотические ядра. В основные направления исследований входят также радиационные нанотехнологии и ускорительные технологии. Все исследования в Лаборатории проводятся с помощью ускорителей.

Если обратиться к истории мировых исследований, новые элементы получали в ядерном реакторе. В 1952 году 109 и 110 элементы были открыты с помощью ядерного взрыва. А далее элементы получали с помощью слияния при столкновении одинакового заряженных ядер (которые естественным образом отталкиваются!) на огромных скоростях – примерно  до 0,1 скорости света с помощью мощных ускорителей. Вероятность появления нового элемента при таком столкновении ничтожно мала – один успешный случай на миллионы:  это примерно 1 ядро в неделю и реже.

Александр Владимирович ознакомил присутствующих с принципом работы ускорителей, увидеть воочию которые участники медиатура смогли чуть позже, продолжив свою экскурсию по лаборатории. Здесь работают несколько ускорителей. Один из крупнейших проектов – строительство первой в мире «Фабрики сверхтяжелых элементов» на базе нового ускорителя ДЦ-280, на которой производительность будет выше до 100 раз. Здание уже практически готово, буквально на днях начнется монтаж мощного ускорителя. Этот комплекс будет использоваться для синтеза новых и более глубокого изучения уже открытых элементов. В комплекс войдут новые экспериментальные залы, новые физические и химические установки, появится возможность длительной круглосуточной работы.

В рамках совместного проекта РОСНАНО и ОИЯИ – создание специализированного корпуса для проведения прикладных исследований в области нанотехнологий, радиационной стойкости материалов и модификации поверхностей. В Лаборатории были созданы ускорительные комплексы тяжелых ионов для промышленного производства трековых мембран: циклотрон ДЦ-60 для Евразийского государственного университета в Астане (Казахстан), и циклотрон ДЦ-110 – для компании «Нанокаскад» Особой экономической зоны «Дубна». Трековые мембраны широко используются в медицине – в аппаратах для очистки крови и аппаратах искусственной почки. Большой объем экспериментов проводится в Лаборатории и по тестированию микросхем, применяемых в условиях космоса, в интересах  Федерального  космического агентства (Роскосмос).

Рассказ ученого секретаря Лаборатории и дальнейшая экскурсия на ускорительные комплексы произвели на журналистов сильное впечатление. Представители СМИ задали ему массу интересующих вопросов. На один из них: «Сколько же химических элементов должно быть в окончательном варианте таблицы Менделеева?» Александр Владимирович пояснил, что точного ответа на сегодняшний день не существует, но это число точно меньше 174 – такие прогнозы дает атомная физика, ядерная физика прогнозирует еще меньше.

Своими впечатлениями от посещения Лаборатории ядерных реакций поделился обозреватель «Липецкой газеты» Валерий Нипадистов: «Я бывал на многих передовых предприятиях и думал, что меня уже трудно чем-либо удивить. Но то, что я увидел сегодня, поразительно. Здесь многое делается того, что находится на грани науки. Наши ученые, действительно, идут в авангарде исследований, связанных со сверхтяжелыми элементами. И это вдохновляет. Российские СМИ должны откликаться на такие темы, чтобы наше национальное достояние знали все».

Легендарный синхрофазотрон, нуклотрон и мегапроект NICA – Вселенная в лаборатории

Далее журналисты отправились в Лабораторию физики высоких энергий, которая носит имя Владимира Векслера – первого ее директора, под руководством которого был построен синхрофазотрон, и Александра Балдина, руководившего строительством современного циклического ускорителя Нуклотрон-М.  Лаборатория была создана еще до открытия ОИЯИ – в 1953 году, сейчас здесь работают более  1000 сотрудников, деятельность которых направлена на исследования в области физики тяжелых ионов высоких энергий, спиновой физики, а также наиболее актуальных проблем физики элементарных частиц.

Проводил экскурсию научный сотрудник Лаборатории Дмитрий Дряблов, который сначала повел гостей к легендарному синхрофазотрону. Слабофокусирующий синхротрон, ускоряющий частицы до 10 миллиардов электрон-вольт,  заработал  17 марта 1957 года, в год запуска первого искусственного спутника Земли. В 1957-1960 годах он удерживал флаг  рекордсмена по энергии среди всех ускорителей в мире. Магнит ускорителя зарегистрирован в Книге рекордов Гиннесса как самый большой и тяжелый в мире – 36 000 тонн. Огромное сооружение синхрофазотрона в виде 208 метров в периметре и 60 в диаметре  состояло из большой вакуумной камеры и 4 гигантских электромагнитов, между которыми были установлены ускоряющие системы. Частицы здесь совершали несколько миллионов оборотов в секунду, достигая максимальной энергии, затем этот пучок частиц переходил в другое здание и использовался для различных физических экспериментов.

Синхрофазотрон успешно отработал до 2002 года на физические эксперименты более 100 000 часов. В настоящее время он почти полностью демонтирован, а корпус этого исторического объекта будет использоваться в проекте NICA в качестве защиты от радиации –  новый ускоритель построят внутри него. По-настоящему оценить масштабы сооружения гости смогли, поднявшись на самый верх корпуса.

Слабофокусированный пучок частиц в синхрофазотроне удерживался в вакуумной камере размером 2 метра на 40 сантиметров. Огромный магнит ускорителя нужен был для того, чтобы удерживать пучок внутри кольца. Уже во время строительства синхрофазотрона в 50-х годы прошлого столетия физики научились жестко фокусировать пучок ионов до гораздо меньших диаметров, что дало возможность значительно уменьшить габариты и массу следующих ускорителей. Работа базовых установок требует огромных энергозатрат, поэтому для электропитания корпуса была построена отдельная подстанция.

Более компактный и эффективный Нуклотрон-М построили в 1993 году прямо в подвале здания под синхрофазотроном, разместив   его по кольцу, потеснив проложенные ранее кабели. Сейчас можно увидеть, что размер отверстия внутри нуклотрона – несколько сантиметров, что несоизмеримо меньше  огромного проема  в синхрофазотроне, где вполне может пройтись человек. В периметре нуклотрон – сильнофокусирующий синхротрон 251 метр, и состоит из череды 96 дипольных магнитов и квадрупольных магнитов. На сегодняшний день это второй по мощности сверхпроводящий ускоритель в Европе после Большого  адронного коллайдера. Все конструкторские разработки, испытания и монтаж полностью выполнены сотрудниками Лаборатории, магнитные элементы произведены в центральных экспериментальных мастерских Института. На счету сотрудников ускорительного отделения ЛФВЭ – целый ряд оригинальных решений задач ускорительной техники, ими создана уникальная технология сверхпроводящих магнитов, широко востребованная в крупнейших ускорительных центрах мира.

Дмитрий Константинович, рассказывая о принципе работы ускорителя – настоящего чуда техники – отметил, что, согласно  исследований, в том числе и ЮНЕСКО, по сложности, количеству и управлению подсистем ускоритель гораздо сложнее космического спутника.

Конечно, отдельной темой разговора стал международный мегапроект NICA, строительство которого ведется в Дубне. Уже сейчас в создании различных подсистем и разработке научной программы участвуют физики, инженеры и конструкторы из  более  чем 100 институтов 31 страны мира, и география участников постоянно расширяется. Проект NICA вошел в Дорожную карту Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам, что существенно расширит возможности Института, привлечет сюда  большой потенциал европейских ученых.

Комплекс  будет состоять из  трех крупных  блоков: ускорительного, научно-исследовательского и инновационного. Ускорительный включает в себя уже функционирующие источники ядер, линейный ускоритель и кольцевой ускоритель Нуклотрон-М. В научно-исследовательском блоке предусматривается развитие экспериментальной базы на пучках Нуклотрона – установка BM@N, и создание детекторов для коллайдера NICA – многоцелевой детектор MPD и детектор для экспериментов с поляризованными ядрами SPD. При их создании будет использоваться опыт, накопленный в ведущих научно-исследовательских лабораториях мира. Инновационный  блок включает в себя существующие зоны, которые будут доработаны и дополнены новыми для проведения прикладных исследований  в различных областях: медицины и пучковой терапии, радиобиологии, электроники, исследований по тематике программ Роскосмоса, утилизации и переработки радиоактивных отходов, создания новых безопасных источников энергии, криогенной техники. Экспериментальная программа на комплексе NICA также предусматривает исследование свойств барионной материи, изучение природы спина нуклона и поляризованных явлений, инновационно-исследовательские работы в области материаловедения и создания новых материалов. Немаловажно и то, что комплекс будет потреблять электроэнергии на порядок меньше, чем существующие на сегодняшний день.

Проект NICA авторы называют «Вселенной в лаборатории». С помощью него действительно можно в лабораторных условиях воссоздать мини Большой взрыв, чтобы исследовать, что произошло в  первые миллисекунды после него, и попытаться понять, как проходило формирование нашего мира в условиях ранней Вселенной, почему эволюция пошла по тому или иному пути.

Евгения ШТАЙН

Фото автора

Продолжение в следующем номере «Встречи»