Физик Владимир Кекелидзе — о шансах России во всемирной гонке коллайдеров

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне в скором времени начнет воспроизводить первые мгновения нашей Вселенной. О том, какие шансы у России во всемирной гонке коллайдеров, дойдут ли физики до торговли антивеществом и каким образом связаны свобода ученых и свобода кварков, «Огоньку» рассказал директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне Владимир Кекелидзе.

Беседовала Елена Кудрявцева

— Владимир Димитриевич, строительство 500-метрового кольца коллайдера NICA — по сути, первый российский мегапроект с середины XX века — подходит к концу. Что собой представляет установка?

— Это коллайдер протонов и тяжелых ионов. Он сможет воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, которое, возможно, существует только в ядрах нейтронных звезд. Такие установки называют гигантскими микроскопами, так как они позволяют все глубже проникать в материю и понять структуру вещества. Называют их и телескопами во времени — ведь чем выше энергия в эксперименте, тем ближе мы подходим к началу возникновения Вселенной. Чтобы понять, что же там происходило, нам нужно в минимальной единице объема сосредоточить максимум энергии.

— Для Дубны это далеко не первая стройка мегаустановок мирового класса. Как выбирали место для строительства синхрофазотрона? Известно, что, когда искали площадку для ускорителя в Протвино в 1970-е, объехали 40 площадок в поисках особой скальной породы. Здесь тоже какой-то особенный грунт?

— С одной стороны, скальная порода придает установке стабильность, с другой — она передает все колебания от незначительных землетрясений и даже от вибраций. Поэтому есть другой подход: ускоритель должен находиться на жесткой платформе, но в мягкой породе. Синхрофазотрон, запущенный в Дубне в 1957 году, имел относительно небольшие размеры и был построен на жесткой плите. На тот момент это был самый мощный ускоритель в мире, сегодня таковым является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, Швейцария. В 1950-е он был спланирован на энергию в 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ — это 1 млрд электронвольт.— «О»). Это знаковый рубеж для человечества, потому что за ним возможно всерьез изучать строение вещества.

— Предстоящие эксперименты на коллайдере NICA не предполагают столь высоких энергий, как на БАКе, где энергию и вовсе измеряют в ТэВах (тераэлектронвольтах — триллионах электронвольт). В чем же тогда их уникальность?

— Дело в том, что в Большом адронном коллайдере изучаются процессы, происходящие при крайне высоких энергиях.

Задача же нашего коллайдера — создать максимальную плотность ядерной материи, если говорить точнее — барионной материи. Барионы — это, прежде всего, протоны и нейтроны, из которых состоит весь окружающий нас мир. Когда-то, в начале Большого взрыва, ее плотность везде была нулевой, а сегодня обычная материя вокруг нас обладает «единичной» (нормальной) плотностью барионов, а в недрах нейтронных звезд эта плотность может быть на порядок выше. За счет большой гравитации материя так сжимается, что в их ядрах нуклоны (протоны и нейтроны.— «О») проникают друг в друга и в какой-то момент переходят в состояние кварков. Вот этот фазовый переход и будет изучать NICA. По сути, на этом коллайдере будут создаваться максимально возможные для лабораторных условий Земли плотности барионной материи.

— Что значит — максимально возможные?

— Это значит, что в лабораторных условиях невозможно создать состояние, в котором в единице объема будет больше барионов. В таком состоянии материи мы имеем дело уже не с нуклонами (протонами и нейтронами), а с кварками и глюонами. Если говорить упрощенно, то каждый протон или нейтрон содержит по три кварка.

Чтобы вырвать кварки у протона или нейтрона, нужно применить гигантские усилия. Та энергия, которую мы используем в ядерных реакторах и взрывах,— это лишь остаточные силы, связывающие кварки внутри нуклона.

— Как же тогда можно извлечь кварки, чтобы увидеть этот фазовый переход?

— Можно их или столкнуть, или применить способ, основанный на так называемом принципе асимптотической свободы. Это важное явление было открыто в конце прошлого века, в 2004 году за него получили Нобелевскую премию Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек. Оказалось, что если попытаться вытянуть кварк из нуклона, то нужно, как я сказал, приложить максимально известные человечеству силы. А вот если кварки сблизить, то в какой-то момент они перестают между собой взаимодействовать, становятся свободными, превращаясь в кварковую кашу — кваркглюонную плазму. Частицы в ней начинают свободно перемещаться, а когда все остывает, формируются в совершенно новые нуклоны и другие элементарные частицы.

— Не случайно, видимо, Дэвид Гросс приезжал в Дубну, когда закладывался первый камень в фундамент коллайдера NICA. Хотел посмотреть на место, где кварки выпустят на свободу?

— Да, он приезжал в 2016-м и участвовал в церемонии закладки фундамента.

— Как же вы будете сжимать нуклоны с такой силой без нейтронных звезд?

— Это можно сделать, разгоняя и сталкивая два тяжелых ядра, например, золота и золота. Но если их разогнать очень сильно, как происходит в Большом адронном коллайдере, то хотя и образуется кварковый бульон, плотность барионов в нем будет минимальной. Чтобы достичь нужного нам эффекта, энергия должна быть около 10 ГэВ на каждый нуклон. Именно такие параметры мы заложили в NICA.

В начале начала

— Что мы знаем о начале Вселенной, когда возникла плотная барионная материя? Если бы тогда был некий сторонний наблюдатель, он бы действительно увидел большой во всех отношениях взрыв?

— В первое мгновение Большого взрыва большой плотности барионной материи не было. Там была большая плотность энергии. В равных пропорциях находились вещество и антивещество. Все это расширялось в пространстве с колоссальной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге, согласно теориям ведущих российских ученых, стали основой будущих звезд и галактик (подробнее — см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Отдельный вопрос: как же появилось вещество? Это одна из интереснейших задач современной физики. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это была совсем маленькая разница, из которой получилась вся наша Вселенная.

За возникновение разницы между веществом и антивеществом ответствен ряд процессов, происходящих во Вселенной, невозможных без нарушения некоторых симметрий, одно из которых в науке называют СР-нарушением. За его открытие в 1980 году дали Нобелевскую премию Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу. Само открытие они, кстати, сделали в 1964-м и впервые докладывали о нем у нас в Дубне в том же году.

— Почему именно у вас?

— В Дубне проходила крупнейшая в области физики высоких энергий так называемая Рочестерская конференция — это как Олимпийские игры для физиков, занимающихся высокими энергиями. На ней представляются все самые яркие достижения последних лет.

Но если возвращаться ко Вселенной, то с помощью NICA мы будем пытаться понять, как происходит переход вещества из состояния обычной материи, которую мы видим вокруг, в свободную — кварковую.

Чрезвычайно интересно понять, как кварки высвобождаются, а затем снова попадают в «тюрьму» при условиях, когда они максимально сжаты. NICA будет воспроизводить весь этот процесс: от создания бульона из кварков до формирования новых частиц.

— А можно ли будет каким-то похожим образом изучать антивещество? Часто пишут, что оно будет стоить баснословных денег…

— Антивещество как раз изучают в ЦЕРНе. Там делают очень интересные эксперименты, когда антипротон пытаются удержать в особой ловушке. Вообще же антивещество создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. По этой же причине вряд ли его когда-нибудь станет возможным создать в ощутимых количествах.

— Интересно, что у вашего коллайдера, рассчитанного под самые фундаментальные задачи, есть прикладной аспект. В чем он заключается?

— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшее время. Первый связан с облучением электронных схем, без чего невозможно создание революционной по характеристикам электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения. Это нужно для полетов в космос и для других целей. Ведь даже единичное попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. С помощью NICA будет нарабатываться статистика отказов, отрабатываться система защиты.

Второй проект связан с исследованием воздействия тяжелого космического излучения на живые организмы. Сейчас у нас тоже проходят такие работы, но условия для их проведения ограниченны. Тем не менее здесь нашими коллегами из лаборатории радиобиологических исследований уже были получены очень интересные результаты в экспериментах с обезьянами. Оказалось, что после небольшой дозы облучения их когнитивные способности повышались, а вот затем резко падали. Это чрезвычайно важно для будущих полетов человека на Марс, видимо, когнитивные способности и, кстати, зрение в условиях длительных полетов будут страдать сильнее всего. При этом если от заряженных частиц можно спастись каким-то защитным полем, то от нейтральных практически нечем. Вы же не повезете туда огромные бетонные блоки! Поэтому здесь для ученых большое поле деятельности.

Третье направление связано с медицинскими технологиями на основе наших магнитов. Это очень перспективная область, связанная с лечением онкологических заболеваний.

— NICA — не единственный проект, который изучает кварковый бульон?

— Да, у нас есть конкуренты. Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кваркглюонную плазму. Но барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности, как я говорил, нужно всего 10. Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость,— число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений.

Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году,— коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии. Поэтому нам так важно не сдвигать даты запуска.

Коллайдер размером с Землю

— Вы сказали, что самые крупные эксперименты в области физики высоких энергий сегодня проводятся в ЦЕРНе. Какую основную задачу собираются там решить физики и что будет, когда возможности коллайдера исчерпаются?

— Сейчас БАК будет детально изучать бозон Хиггса, а дальше, скорее всего, будет создан еще более крупный ускоритель, в разы превосходящий по энергии существующий. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на собрании управляющего комитета ЦЕРНа, куда входят представители 23 стран. Каждые семь лет он подготавливает стратегическую программу развития. На этот раз было решено изучать возможности реализации проекта — географию, технологические возможности и стоимость.

— Какой же будет размер этого гиганта?

— Если диаметр работающего сегодня Большого адронного коллайдера примерно 27 километров, то здесь речь идет о 100 километрах.

— Значит, ученые снова столкнутся с протестами местных жителей? Они ведь и в прошлый раз не хотели соседства с такой мощной научной установкой, как БАК.

— Да, причем выявились неожиданные коллизии, в том числе юридические. Нынешний коллайдер проходит, как известно, по территории Франции и Швейцарии. Когда для него копали туннель, оказалось, что на разных землях законы отличаются: где-то владелец имеет право только на почвенный слой, а где-то его права распространяются вглубь, вплоть до центра Земли! Иными словами, вы не можете просто прокопать у него под ногами ветку метро или нечто подобное. Поэтому пришлось проводить сложные согласования.

— У ученых есть какая-то конкретная задача для такой огромной и дорогой установки?

— В том-то и дело, что пока ясной физической цели нет, а без этого двигаться очень сложно. Никто не знает, какая нужна энергия, чтобы обнаружить явления так называемой новой физики (явления за пределами принятой сегодня Стандартной модели.— «О»). БАК строился исходя из представлений о том, при каких энергиях можно открыть бозон Хиггса, поэтому все и получилось. Правда, при этом ожидалось, что, возможно, подтвердится так называемая теория суперсимметрии, а этого пока не произошло. А нам важно понять, существует ли она в природе или только в головах теоретиков. Также было бы интересно разобраться с природой кварка: выяснить, является ли он точечной частицей или у него есть структура.

— А в принципе, есть ли предел развития ускорительной техники? Или коллайдеры вечно будут расти в размерах?

— По большому счету, предел — это размеры Земли, а может, и больше.

Дороги, которые мы выбираем

— Как сильно пандемия сдвинула сроки сдачи NICA?

— По нашей оценке, примерно на полгода, потому что многие работы за границей пришлось приостановить. Но пока мы не меняем планов запуститься в конце 2022-го.

— Что это за работы и где они проходили?

— В основном в Европе. Сейчас у нас очень напряженный момент, связанный с поставкой из Италии важнейшего компонента детектора MPD на коллайдере — сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь размером, с упаковкой, 8 на 9 метров, которая сама весит более 70 тонн плюс еще половину весит каркас, в котором ее везут. Это очень деликатный груз, который нужно везти со всеми мерами предосторожности, с шоковыми датчиками и т.п. Доставить такую объемную установку можно только по воде. Наш груз должен был доплыть из Генуи, где его сделали, до Санкт-Петербурга, а далее уже на речной барже по Волге прямо сюда, в Дубну. Но так как из-за пандемии весной работать было невозможно, сроки поставки сдвинулись. И теперь нам нужно успеть доставить до того, как на Волге закроется навигация. А оставлять катушку в Италии до весны нельзя, это и задержка проекта, и дополнительные большие расходы. В мире, кстати, вообще не так много компаний, которые могут сделать что-то подобное.

— В чем основная сложность?

— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен создать высокооднородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C.— «О»). Для Большого адронного коллайдера такие установки делали японская «Тошиба» и «АСГ Суперкондакторс» в Италии.

Когда нам потребовался такой магнит, то решили обратиться именно к ним, потому что для строительства наукоемких установок лучше пользоваться услугами компании, которая такие приборы уже делала. В мировой практике есть много отрицательных примеров, когда известная компания без опыта в изготовлении такого сложного оборудования берется за работу и через несколько лет сообщает, что ничего не получилось, и ученые остаются у разбитого корыта. Поэтому мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в полтора раза дешевле, чем японцев. А так как речь идет о десятках миллионов евро, это важно.

— Что самое главное в такой детали?

— Качество магнита определяется качеством магнитного поля, которое он создает. Поле должно быть очень однородным, чтобы в нем можно было с высокой точностью восстанавливать траектории частиц в детекторе. А это определяется как катушкой, так и самим магнитным ярмом — железом, которое нам пришлось делать в другом месте, так как итальянцы не захотели брать это на себя.

— Где вы его взяли?

— Это отдельная и тоже очень интересная история. Для детектора нужно не литое, а кованое железо очень хорошего качества. Речь идет о балках длиной 9 метров и кольцах диаметром 8 метров, и, чтобы их ковать, нужен огромный молот. Считалось, делать такие могут лишь в США и Китае, ни России, ни Европе это не по плечу. Но мы совершенно неожиданно недалеко от Милана нашли маленькую компанию. У них есть огромная рука-манипулятор, которая может взять кусок железа в несколько сот тонн, положить на молот и затем отковать.

При этом заготовки самого железа мы брали в России, предварительно обрабатывали в Новокраматорске на Украине. Оттуда отвезли в Италию, а уже затем — в Чехию для высокоточной обработки и сборки на большом заводе, который специализируется на том, что делает огромные металлические конструкции, в том числе шестерни для переноса барж из одного канала в другой. Затем это все разобрали и на 42 грузовиках привезли сюда. Это лишь один из эпизодов большого проекта.

— Получается, что каждый раз приходится искать буквально штучных специалистов по миру.

— А здесь по-другому нельзя. Если при создании уникального проекта вы где-то понизите планку качества или ответственности, то никогда не сможете достичь требуемых результатов. Вот мы и ищем только тех, кто делает то, что нам требуется, лучше всех в мире.

— А что лучше всех в мире делает Россия?

— Многое, например в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Будкера делают лучшие в мире системы электронного охлаждения. Все существующие сегодня ускорители используют их системы.

Нигде не делают лучше, чем у нас, в Дубне, быстроциклирующие сверхпроводящие магниты. За четыре года было создано уникальное в мировом масштабе производство, где собираются, испытываются и сертифицируются сверхпроводящие магниты для NICA и для наших партнеров-конкурентов — FAIR. Это основные элементы нашего коллайдера.

Наука для всех

— Можно сказать, кто придумал NICA? Чьи идеи тут стали ключевыми?

— Идея изучения столкновения ядер при этих энергиях принадлежит Александру Михайловичу Балдину, чье имя носит наша лаборатория. Он был инициатором создания «Нуклотрона», который функционирует с 1993-го и который сейчас — в основе NICA.

А вообще, к началу нашего века идея изучать плотную барионную материю витала в воздухе. В состав ученого совета Объединенного института ядерных исследований входит много ученых со всего мира — в обсуждениях с ними она обрела конкретные черты. И рождение проекта происходило благодаря дискуссиям на ученом совете института, директором которого тогда был Алексей Норайрович Сисакян. Он понимал, что нам нужен именно такой флагманский проект, и сделал все возможное, чтобы инициировать его реализацию.

— Интересно, почему именно физика высоких энергий с самого начала была площадкой для активного международного общения? Даже в 1950-е, в разгар Холодной войны, наши физики ездили в национальные исследовательские лаборатории США…

— Потому что иначе она бы не развивалась. Если вы замкнетесь в рамках одной страны, проект не получится. У вас не хватит ни образования во всех требуемых направлениях, ни технологий, ни знаний, ни ресурсов. Чтобы сделать что-то стоящее, у вас должен быть большой набор различных методов и технологий, широкий спектр образованных специалистов и даже разнообразие менталитета участников проекта. Сегодня нет страны, которая могла бы сказать, что обладает, предположим, 90 процентами технологий в данной сфере. Не случайно, что ОИЯИ, созданный в 1956 году, с самого начала был задуман как международная организация. Изначально в состав института вошли 12 стран-участниц.

— Непонятно, почему в составе нет Китая.

— Изначально он был, но в 1965 году из-за политических разногласий китайское правительство в течение нескольких дней отозвало всех своих сотрудников на родину. С тех пор КНР не входит в состав ОИЯИ. Сегодня в его составе 18 стран и 6 ассоциированных членов. Кстати, еще в 1950-е устав нашего института был зарегистрирован в ООН и хранится в ее Секретариате. В том числе это и помогло нам отстоять статус института в сложные 90-е годы.

— Тогда физика высоких энергий как наука недешевая пострадала особенно сильно. Строительство в Протвино коллайдера УНК пришлось остановить…

—Да, и я считаю это ошибкой. По масштабам он был близок к современному Большому адронному коллайдеру. Туда было вложено очень много ресурсов, метростроевцы полностью построили 20-километровый туннель, были разработаны уникальные криогенные технологии и множество другого.

— Немало российских специалистов из Протвино затем поехали работать в ЦЕРН.

—Да, так и было. Но здесь мы опять же возвращаемся к вопросу международного сотрудничества в науке. Национальные проекты такого масштаба закрывались не только у нас. Примерно в то же время остановили строительство еще более масштабного коллайдера SSC в Техасе. В 1992 году как раз в Техасе проходила Рочестерская конференция. Я помню, как техасский таксист с гордостью рассказывал мне, что у них строится огромный сверхпроводящий суперколлайдер, который перевернет всю мировую науку. Но когда в проект уже вложили несколько миллиардов долларов, его вдруг закрыли из-за разногласий между организациями разного уровня. Это, конечно, оказало большое негативное влияние на всю физику высоких энергий. В этом отношении ЦЕРН более устойчив, так как в его составе более двух десятков стран, и даже если одна из них решит проект покинуть, он все равно будет реализован.

Криптон, и не только

— Вы пришли в науку в то тяжелое время. Не было желания уехать из страны в 1990-е?

— Нет, так получилось, что в те годы мы вели очень интересный проект в Протвино: на нескольких установках изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелой массой.— «О») и искали новые кварковые резонансы.

Кроме того, именно в 90-е годы у нас началось сотрудничество с ЦЕРНом в эксперименте NA-48, где как раз уже с нашим участием было открыто прямое СР-нарушение, о котором я говорил, объясняя разницу между веществом и антивеществом. Разумеется, участие в таком престижном эксперименте — предмет гордости для любого коллектива. Однако попасть туда было непросто. Когда я познакомился с лидерами этого проекта, то нам предложили войти в состав участников эксперимента при условии, что мы поможем создать жидкокриптоновый калориметр. Это уникальный прибор, без которого не было бы открытия. Его основа — гигантский криостат (цистерна), наполненный жидким криптоном. Этот прибор был необходим для регистрации гамма-квантов от распадов нейтральных пионов.

— Боюсь, что многие сегодня знают Криптон только как родную планету Супермена из комиксов DC…

— Это химический элемент с атомным номером 36. Сложность в том, что для эксперимента нужно было найти 23 тонны чистого криптона, а этот объем сравним с объемом мирового производства. Криптон был побочным продуктом сталелитейного производства и применялся в основном для выпуска лампочек. Для наших же целей требовался криптон тщательной очистки. Мы обратились в Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники Минатома, где владели технологиями очистки газов, с просьбой помочь организовать такое производство. Финансировала завод (а речь шла о миллионах долларов) голландская компания. В итоге в закрытом городе недалеко от Екатеринбурга был запущен завод по очистке сжиженного криптона, качество которого превысило требования эксперимента. Полученный газ мы заправляли в баллоны и на грузовиках везли прямо в Женеву.

Затем на грант Международного научно-технического центра, который финансировал конверсионные программы в СНГ, мы сделали на лучшем космическом предприятии России — НПЦ им. Хруничева — очень хороший криостат из алюминия. И так получили входной билет в проект NA-48, который сегодня в пятерке самых успешных экспериментов ЦЕРНа. Молодых ученых из Дубны, которые в нем участвовали, тут же стали приглашать работать по всему миру. Это стало для них отличным стартом. Кстати, сегодня под наш проект в Дубну тоже приезжает много молодежи: каждый год мы берем на практику примерно 40–50 студентов и конкурс весьма напряженный. В прошлом году было много ребят из Польши, недавно подписали контракт с пятью мексиканскими университетами.

— Можно ли говорить, что в физике высоких энергий сохранилась российская школа?

— Мне трудно ответить на этот вопрос. Развитие российской физики высоких энергий, по большому счету, закончилось, когда закрылся проект УНК в Протвино. С тех пор интересные работы были, но масштаб их не дотягивал до мирового. Поэтому мы с такой надеждой ждем реализации не только проекта NICA, но и других российских мегапроектов. Например, создания синхротрона «СКИФ» в Новосибирске. Дело в том, что большие научные проекты формируют высокопрофессиональную научную среду — большие коллективы ученых, инженеров, специалистов, а если у страны нет своих базовых проектов и мы работаем только на выездных экспериментах, говорить о возрождении науки преждевременно...