Какое новое знание собираются получить ученые на установках класса Мегасайнс СКИФ и NICA, которые были построены в России в 2025 году? Как протонная терапия может помочь в борьбе с онкологическими заболеваниями? Правда ли, что чистые алмазы, вкусные бананы и даже интернет — все это подарили нам ускорители частиц? Эти и другие темы в программе «Время науки» на Радио «Комсомольская правда» (97,2 FM) обсуждали, радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ); — их гость — академик РАН, специальный представитель директора Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) по сотрудничеству с международными и российскими научными организациями, председатель научно-технического Совета Национального центра физики и математики, профессор, доктор физико-математических наук Борис Шарков.
ЧТО ОБЪЕДИНЯЕТ УСТАНОВКИ КЛАССА МЕГАСАЙНС И АРМЯНСКИЙ КОНЬЯК
Александр Сергеев:
— Прошедший 2025 год, ознаменовался двумя замечательными событиями в российской науке. В России построены две новых установки класса Мегасайнс (на них делается большая наука — Ред), это ускорители СКИФ в Новосибирске и NICA в Дубне. Мне хочется, поздравить с этим событием нас всех, и персонально Бориса Юрьевича, который долгие годы проработал над созданием ускорителей, и является одним из главных специалистов в этой области у нас в стране.
Мария Баченина:
— Звучит так, что хочется поискать бутылку шампанского. Кстати, мы знаем, когда корабль сходит со стапелей, об его борт на счастье разбивают бутылку шампанского. А есть ли какая-то традиция, в отношении установок Мегасайнс? Извините, за ненаучный вопрос…
Борис Шарков:
— Совершенно правильный вопрос. В большой науке тоже существуют свои традиции. В Институте теоретической экспериментальной физики (ИТЭФ) ее заложил первый директор института, знаменитый академик Алиханов. Когда в ИТЭФ запускали ускоритель У-10, он пришел на открытие с бутылкой армянского коньяка. Когда я запускал ускоритель ИТЭФ ТВН (это было в конце 90-х годов прошлого века), то решил эту традицию не ломать и пришел с двумя бутылками армянского коньяка. Удача в научном поиске никогда не бывает лишней.
Александр Сергеев, Мария Баченина и Борис Шарков в выпуске программы "Время науки"РЕВОЛЮЦИОННАЯ НАУЧНАЯ УСТАНОВКА ИЗ КОНСЕРВНОЙ БАНКИ
Мария Баченина:
— Давайте объясним простому слушателю и читателю — что такое ускорители СКИФ и NICA? Зачем они нужны?
Борис Шарков:
— Первые ускорители появились менее чем 100 лет назад, чтобы исследовать физику ядра. После открытия Резерфорда (он доказал существование плотного ядра в атоме — Ред.) требовалось понять, как устроено это ядро, какова его структура. И физики стали ускорять электроны, протоны или тяжелые ионы — то есть, заряженные частицы.
Александр Сергеев:
— Для физиков очень часто исследовать что-то неизвестное — это значит его сломать и посмотреть, из чего оно состоит. И когда Резерфорд открыл ядро атома, нужен был ускоритель для того, чтобы разрушить ядро и изучить полученные фрагменты. То есть на первом этапе ускорители были связаны именно с развитием ядерной физики.
Борис Шарков:
— И да, и нет, потому что существуют два подхода. Первый подход, как вы справедливо заметили, это разрушение: берется ядро, в него стреляют другим ядром, они сталкиваются, распадаются, и по обломкам ученые пытаются понять, что там было внутри изначально. Второй подход не связан с разрушением: там берется ядро и облучается, допустим, электронами. И по его тени, по взаимодействию с электронами, можно понять распределение заряда, распределение массы внутри ядра и так далее.
Но вернемся к ускорителям. Они бывают нескольких типов. Самые первые ускорители — линейные, устроены просто: на входе мы запускаем какие-то частицы — электроны, протоны или ионы, дальше идет ускоряющая структура и на выходе стоят мишень и измеряющий прибор. Я должен сказать, что история создания линейных ускорителей — это красивая история развития человеческой мысли. Авторы многих идей получили за свои работы Нобелевские премии.
Но со временем линейные ускорители становились все длиннее и длиннее. И толковые люди подумали: а давайте траекторию движения частиц сделаем кольцевой, так, чтобы частица проходила по кольцу много раз и с каждым кругом ускорялась. Так возник первый циклотрон. Его изобрел Эрнест Лоуренс, ему тогда было 32 года. Первый циклотрон помещался у него на ладони, он его сделал из банки, которую взял от каких-то рыбных консервов и поместил в магнитное поле. Но на этом научная мысль не остановилась. Можно ли частицы еще больше ускорить? В циклотроне магнитное поле практически постоянное. Возникла идея: давайте вдоль траектории движения частиц расставим магниты, и будем изменять магнитное поле и частоту ускоряющего электрического поля так, чтобы на каждом обороте энергия увеличивалась.
«ЗАНИМАЮСЬ НА ТРУДЕ СИНХРОФАЗАТРОНОМ…»
Александр Сергеев:
— То есть держащее магнитное поле тоже увеличивается, синхронно с этим ускорением частиц?
Борис Шарков:
— Да. И получается очень просто: у вас есть некое кольцо — полая труба, по которой бегают частицы и постепенно ускоряются, магнитное поле тоже растет и вот на этом принципе основан синхротрон. Это сейчас основной метод работы больших ускорителей. Ускоритель СКИФ и NICA тоже являются синхротронами. Только СКИФ для электронов, а NICA — для тяжелых ионов.
Мария Баченина:
— Синхрофазотрон — это слово из моей любимой песни…
Борис Шарков:
— Синхрофазотрон до сих пор в качестве памятника стоит в Дубне. Он имеет вес 100 тысяч тонн совершенно замечательного железа и до сих пор является рекордсменом Книги рекордов Гиннесса, как уникальная научная установка. А самый большой на сегодняшний день ускоритель построен в Женеве, в ЦЕРН — это Большой адронный коллайдер (БАК), он имеет длину 27 километров, и находится на глубине 100 метров под землей. БАК — это самое сложное фантастически красивое и насыщенное интеллектом создание человеческого разума.
Александр Сергеев:
— Надо сказать, что строили его всем миром. Потому что это не просто установка, которая принадлежит швейцарцам или европейцам — это для всех.
Борис Шарков:
— Да. Такие установки создаются усилиями всего международного сообщества. И я должен сказать, что в создание Большого адронного коллайдера очень весомый вклад внесли российские ученые.
Но возвращаясь к NICA и СКИФу, я хочу добавить, что где-то лет 40 в нашем отечестве установки такого класса не строились. Были лихие годы, тяжелый период в истории страны, последний приличный ускоритель — сверхпроводящий «Нуклотрон» — был построен в Дубне в конце 80-х — начале 90-х годов. И все! После этого ничего серьезного в стране не строилось. А в 2012 году были определены шесть проектов Мегасайн, два из которых состоялись — это как раз NICA и СКИФ. Сейчас идут пусконаладочные работы и в Новосибирске, и в Дубне, и думаю, что уже в ближайшие месяцы там начнутся научные эксперименты.
БАНАНЫ ИЗ ЭКВАДОРА, ИНТЕРНЕТ, АЛМАЗЫ И ДРУГИЕ ДАРЫ УСКОРИТЕЛЕЙ ЧАСТИЦ
Мария Баченина:
— А для чего их построили? В чем польза?
Александр Сергеев:
— Продуктом работы таких крупных научных установок является не только новое знание, но и основанные на нем новые технологии, которые, человечество применяет в практических целях. Каждая такая установка в прямом смысле слова окупает себя, это не деньги, выброшенные на ветер.
Борис Шарков:
— Александр Михайлович правильно сказал, что даже на этапе создания и разработки таких ускорителей в качестве побочного продукта возникает огромное количество прорывных технологий. Достаточно вспомнить, что тот же Интернет был изобретен в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) для того, чтобы ученые, которые работают на Большом адронном коллайдере, обменивались научной информацией. Или взять такие простые вещи, как стерилизация и обеззараживание медицинских изделий. Все наши бинты, шприцы и прочие расходные материалы очень эффективно обеззараживают с помощью компактных ускорителей. А самый наглядный пример — это обработка продуктов питания. Все знают, что бананы, которые мы с вами любим, в основном приезжают в Россию из Эквадора. И если их не обработать перед загрузкой на пароход, то половина бананов сгниет по пути. Поэтому, когда бананы проходят по транспортировочной ленте, их тихонечко облучают электронами. Это совершенно безопасно. Но при этом погибают бактерии, которые питаются этими бананами по пути через Атлантику. В результате до нас доезжают нормальные, вкусные и спелые бананы, которые мы с удовольствием едим.
Я просто видел эти установки — маленькие электронные ускорители для обработки продуктов. В свое время Росатом помогал нашим зарубежным друзьям создавать такие системы.
Кроме того, маленькие ускорители стоят на таможенных пунктах пропуска и таможенники просвечивают грузы, чтобы увидеть, нет ли там чего-то запрещенного — взрывчатых веществ, например, или делящихся материалов. В общем, применений множество. Одно из самых удивительных — это обработка алмазов и других драгоценных камней. Облучая алмазы электронами, можно очистить камни от посторонних примесей, повысить чистоту и прозрачность, в результате цена алмаза становится значительно дороже. Я знаю, ювелиры очень любят эту технологию, она позволяет из достаточно непривлекательных алмазов делать совершенно потрясающие бриллианты высочайшей чистоты.
КАК ПРОТОННАЯ ТЕРАПИЯ БОРЕТСЯ С ОНКОЛОГИЕЙ
Александр Сергеев:
— Борис Юрьевич, давайте к медицине перейдем, поговорим про радиофармпрепараты, про протонную терапию. Это сейчас огромное и очень серьезное поле применения ускорителей.
Борис Шарков:
— Где-то в конце 50-х годов ученые догадались, что, если ускорить протоны до правильной энергией, то их можно использовать для облучения и уничтожения злокачественных опухолей. В чем преимущество заряженных частиц, таких, как протоны или ионы углерода? Дело в том, что они не повреждают окружающие ткани, в отличие от гамма-излучения и электронов. Они выделяют свою энергию ровно там, где нужно облучить и уничтожить злокачественную опухоль. Это совершенно фантастическое свойство тяжелых заряженных частиц!
Александр Сергеев:
— Я тоже в свое время был очарован тем, как эта идея была реализована. А суть дела достаточно простая: когда у вас тяжелая частица летит через некую среду, то оказывается, что длина ее пробега тем больше, чем больше энергия частицы. Очень быстрые частицы пролетают насквозь, ничего не теряя по дороге. Но, как только мы уменьшаем энергию частицы, она начинает где-то цепляться за ткани и терять свою энергию. А дальше абсолютно простой и удивительный момент, который нужно понять. Когда частица один раз отдала свою энергию, она замедлилась и уменьшила энергию. И тогда следующий промежуток дистанции, которую она пролетает, будет меньше. То есть, идет цепная реакция. Получается, что частица очень быстро тормозит внутри очень малого пространства. И в отличие от рентгеновского и гамма-излучения, которые по дороге облучают здоровую ткань, эта терапия имеет великолепные преимущества.
Борис Шарков:
— То, о чем мы сейчас говорим, называется адронная терапия. В мире существует уже несколько десятков таких центров. Такая терапия особенно хороша там, где до злокачественной опухоли добраться тяжело. Например, внутри черепной коробки или для терапии глазных опухолей этот метод очень хорошо работает.
Александр Сергеев:
— Надо сказать, что в области протонной терапии Советский Союз был впереди планеты всей.
Борис Шарков:
— Абсолютно точно. Такие центры были в ИТЭФ, в Дубне, в Гатчине. Сейчас все переместилось в Обнинск. У нас это направление тоже развивается, может быть, не так бурно, как в Китае, но на самом высоком мировом уровне.
Александр Сергеев:
— Надо сказать, что по радиофармпрепаратам, по изотопам Россия тоже занимает лидирующее положение в мире.
Борис Шарков:
— Да. И я знаю, что наши партнеры, члены ОИЯИ, обращаются с запросами: сделайте нам циклотрон, чтобы производить радиофармпрепараты и лечить людей во Вьетнаме, Египте, Южной Африке и других странах.
Что очень важно — с увеличением числа ускорителей, которые делают эти препараты, процедура становится дешевле. Значит, лечение становится более доступным для широких слоев населения. Это не десятки людей, а уже тысячи. На западе, а сейчас и в России (в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры в Петербурге) начинают выпускаться специальные небольшие сверхпроводящие ускорители, которые можно использовать и обслуживать прямо в клиниках.
Александр Сергеев:
— Наверное, мы можем сказать и о диагностических возможностях ускорителей в медицине?
Борис Шарков:
— Начнем с того, что все компьютерные томографы, которые сейчас используются широко, имеют внутри маленький электронный ускоритель.
Александр Сергеев:
— Когда мы проходим КТ и другие похожие процедуры, где получается изображение внутренних органов человека с высочайшим разрешением — это все работа электронов и ускорителей.
ЧТО УСТАНОВКИ МЕГАСАЙНС ПРОИЗВОДЯТ ПОМИМО НАУЧНОГО ЗНАНИЯ?
Мария Баченина:
— А какие задачи ждут физику высоких энергий и мегаустановки в ближайшем будущем? Давайте пофантазируем.
Александр Сергеев:
— Это тема целой передачи. Борис Юрьевич у нас является руководителем Научно-технического совета Национального центра физики и математики, и в этом центре будет реализован еще один мегапроект. Все, что мы сейчас обсуждаем, будет использоваться, чтобы изучать микромир на более детальном уровне. А применение нового знания, которые эта установка даст народному хозяйству, будет совершенно фантастическим.
Борис Шарков:
— Я могу только добавить, что перед физиками сейчас стоят задачи космического масштаба. Как известно, 13,5 миллиардов лет назад Вселенная появилась в результате Большого взрыва. Почему так получилось, что мы состоим из материи, а антиматерии нету? Куда она девалась? Другое захватывающее направление это поиски темной материи. Вы знаете, что видимая материя, из которой состоит наш мир — это всего лишь несколько процентов от того, что есть во Вселенной. С помощью ускорителей физики пытаются понять: какие частицы или какие взаимосвязи между частицами могут объяснить, что такое темная энергия и темная материя. Иными словами, есть задачки, которые действительно не дают спать спокойно, но я бы хотел упомянуть еще очень важное свойство физики вокруг ускорителей. Дело в том, что при создании ускорителей и работе на них, у вас рождается не только новое знание — у вас вырастает поколение высококвалифицированных, интеллектуальных профессионалов. Эти люди являются тем связующим звеном, благодаря которому передовая физика в виде новых технологий проникает в наше общество и делает окружающий нас мир лучше. Простой пример: вокруг моего института в Дубне у нас существует особая экономическая зона, ее основу составляют компании, которые организовали бывшие сотрудники нашего Объединенного института. Эти компании производят передовое медицинское оборудование, высокотехнологичные решения для космоса и многое другое.
Александр Сергеев:
— Борис Юрьевич намекает, на то, что специалистов по ускорителям надо холить и лелеять. Поскольку даже если они не построят какой-то новый суперколлайдер, то изобретут для вас Интернет.