Подмосковный город физиков часто сравнивают с островом. Для такого сравнения есть основания: территорию окружают реки - Волга, Дубна и Сестра, а также канал им. Москвы. Но дело не только в географии. Объединенный институт ядерных исследований с самого своего создания оказался "островом открытой науки" среди многочисленных "почтовых ящиков".
К середине 50-х годов XX века стало ясно, что ядерная физика не может и не должна ограничиваться разработкой оружия в секретных лабораториях. Пришло понимание, что единственная гарантия мирного использования ядерной энергии - объединение ученых для работы над совместными международными проектами. Но мирные исследования требовали большой концентрации сил и средств, и страны Западной Европы объединились. В 1954 году в Швейцарии, неподалеку от Женевы, был создан ЦЕРН - Европейская организация ядерных исследований. А 26 марта 1956 года подписано соглашение об организации Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в 120 км к северу от Москвы. Учредителями института стали одиннадцать социалистических стран. Это был в некотором роде "восточный" ответ на создание "западного" ЦЕРНа. Однако ученые оказались мудрее политиков, и оба ядерных центра начали активно сотрудничать задолго до окончания холодной войны.
"Национальной науки нет, как нет национальной таблицы умножения", - процитировал слова Чехова директор ОИЯИ Алексей Сисакян во время разговора с журналистами. Модель международного научного взаимодействия, осуществленная в Дубне, доказала свою эффективность. Сейчас институт объединяет 18 стран-участниц; четыре страны, в том числе недавно присоединившаяся Южно-Африканская Республика, входят на правах ассоциированных членов. Институт поддерживает связи почти с 700 научными центрами и университетами в 60 странах мира. В ОИЯИ работают 5500 человек, из них 1200 научных сотрудников. Около 500 исследователей - представители зарубежных стран. Если статистикам вздумается посчитать число научных работников на душу населения, то Дубна наверняка будет иметь самый лучший показатель в России, а может быть, и в мире. К сожалению, этого нельзя сказать о бюджете института: он складывается из взносов стран-участниц и составляет 37,5 миллиона долларов в год. Для такого большого института это мало (бюджет ЦЕРНа раз в двадцать выше).
Международное сотрудничество не ограничивается совместными экспериментами, обсуждением и публикацией результатов - это еще и обмен технологиями. Зарубежные физики приезжают в Дубну не с пустыми руками, они привозят с собой новые приборы, оборудование. В свою очередь установки, созданные в Дубне, используются в ЦЕРНе, в том числе и на готовящемся к запуску в 2007 году большом адронном коллайдере.
Объединенный институт готов принять участие и в проекте международного линейного коллайдера. Научная программа этого проекта предусматривает изучение проявлений темной материи - загадочной субстанции, о существовании которой ученые заподозрили лишь на рубеже XX и XXI веков. Физики надеются, что если взять пучок электронов и пучок позитронов, разогнать их почти до скорости света и направить навстречу друг другу, то можно будет зарегистрировать процессы и частицы, которые не удавалось увидеть в других экспериментах. Возможности разгона частиц в циклических ускорителях ограничены законами физики: когда заряженная частица движется по кругу, она излучает, а раз она излучает, то теряет энергию. В линейном коллайдере потерь, связанных с излучением, практически нет. Но чтобы разогнать частицы до больших энергий, требуется соорудить очень длинный тоннель. Предполагается, что он будет состоять из двух участков длиной по 25 километров. Проект, стоимость которого оценивается в 6-8 миллиардов долларов, находится в стадии разработки. Естественно, что для его реализации потребуются совместные усилия многих стран. В ОИЯИ обсуждают возможность строительства линейного коллайдера в России: у нас есть для этого и свободные территории, и инфраструктура, и достаточные производственные мощности.
Дубна обладает уникальным комплексом реакторов и ускорителей. С их помощью можно проводить эксперименты со всеми видами излучений, с самыми разными частицами - и легкими и тяжелыми - в широком диапазоне энергий и интенсивностей. Такого набора одновременно работающих установок нет ни в одной лаборатории мира. Первый дубненский ускоритель - синхроциклотрон, способный ускорять заряженные частицы до энергии 680 Мэв, - старше института. Его строительство началось в 1947 году и было закончено в рекордные сроки. Запуск осуществили в декабре 1949 года к юбилею Сталина - таковы были реалии тех лет. К моменту создания института завершалось сооружение синхрофазотрона, рассчитанного на энергию 10 Гэв, рекордного для того времени значения. Сейчас на смену воспетому в песнях и стихах синхрофазотрону пришел нуклотрон - современный ускоритель на сверхпроводящих магнитах. Нуклотрон может разгонять любые ядра - от протонов до ядер урана. Одна из оригинальных разработок дубненских ученых - реактор на быстрых нейтронах ИБР-2 (см. "Наука и жизнь" № 1, 2005 г.), идея которого была предложена первым директором ОИЯИ Дмитрием Ивановичем Блохинцевым. Сейчас эксперименты на этом реакторе проводятся в рамках европейской программы исследований нейтронного рассеяния. Для работы с легкими частицами предназначен фазотрон: он используется не только для фундаментальных исследований, но и в медицинских целях, например для диагностики онкологических заболеваний методом позитронно-эмиссионной томографии (см. "Наука и жизнь" № 12, 2004 г.).
"Вы сможете увидеть ускорители своими глазами", - пообещал журналистам вице-директор института Михаил Иткис, и мы отправились в Лабораторию ядерных реакций.
Объединенный институт ядерной энергии состоит из восьми лабораторий, каждая из которых по мощности и размаху исследований сопоставима с научным институтом среднего размера. Лаборатория ядерных реакций, которая носит имя своего первого директора академика Г. Н. Флерова, основана в 1957 году. На стенах в вестибюле здания лаборатории - два больших панно: на одном изображена схема расположения циклотронов и движения ионных пучков, на другом - карта нуклидов с материком и знаменитым "островом стабильности".
В физике давно стоит вопрос: существует ли верхний предел в таблице Менделеева? Синтез искусственных элементов, следующих за ураном, начался в 40-х годах XX века. Первые 12 трансурановых элементов от нептуния (атомный номер 93) и до фермия (номер 100) получили американские физики в Беркли путем облучения урановых мишеней мощными потоками реакторных нейтронов. Но затем процесс застопорился. Казалось, что предел достигнут. В лаборатории Флерова нашли выход, предложив использовать для синтеза реакции с тяжелыми ионами. Этот метод привел к успеху, и в Дубне были синтезированы элементы с более высокими атомными номерами. Но время жизни трансурановых элементов очень мало, например, 106-й элемент живет всего несколько микросекунд. Теория, родившаяся в середине 1960-х годов, предсказывала существование "острова стабильности" сверхтяжелых элементов. Он должен располагаться вблизи магического ядра, состоящего из 114 протонов и 184 нейтронов. И хотя синтезировать ядро с таким содержанием нейтронов пока не удалось, "остров стабильности" все же был экспериментально обнаружен, когда научная группа под руководством академика Юрия Оганесяна синтезировала элемент с атомным номером 114, живущий не микро- и не миллисекунды, а несколько полновесных и вполне ощутимых секунд.
Нас привели в помещение, где находится циклотрон У-400М, предназначенный для ускорения тяжелых ионов, от лития до урана. Как происходит "типичный" эксперимент? Берется какое-то вещество, например изотоп лития, и переводится в состояние плазмы. При этом атом лития теряет два электрона и превращается в положительно заряженный ион. Ионы лития ускоряются в электрическом поле. Система синхронизации работает так, чтобы энергия все больше увеличивалась. Наконец разогнавшийся пучок попадает на мишень из атомов другого элемента, обычно более тяжелого. То, что происходит после этого - слияние ядер, деление, образование новых частиц, - и есть самое интересное для физиков. "Синтез очередного элемента не самоцель, - считает директор Лаборатории ядерных реакций Юрий Оганесян. - Гораздо важнее понять закономерности, которые существуют в природе, изучить физические и химические свойства новых изотопов".
Есть надежда, что сверхтяжелые элементы, образовавшиеся вместе с нашей планетой при высоких температурах и давлениях, еще остались в земной коре. Для их поиска в ОИЯИ создана специальная очень чувствительная установка. Она расположена в недрах Альп, в глубоком тоннеле. Гора служит защитой от космических лучей, поэтому регистрируются те радиоактивные распады, которые происходят в недрах Земли.
Но не только сверхтяжелые элементы представляют интерес для науки. В Дубне научились синтезировать и экзотические легкие ядра, например водород, который содержит четыре, пять или шесть нейтронов (напомним, что ядро обычного водорода состоит из одного протона, ядро дейтерия включает протон и нейтрон). Это можно назвать нейтронной материей.
Фундаментальные исследования, какими бы отвлеченными они ни казались, имеют замечательное свойство давать неожиданные "побочные" результаты, и эти результаты находят применение в самых разных областях человеческой деятельности. Один из примеров прикладного применения ускорителей - изготовление ядерных фильтров (трековых мембран). Полимерную пленку облучают тяжелыми ионами (ядрами), ускоренными примерно до одной десятой скорости света. Пролетая сквозь пленку, ионы разрывают связи между молекулами. Остается скрытый след - его называют латентным треком. Затем такую пленку подвергают химической обработке, и на месте латентных треков образуются отверстия - узкие длинные поры. Таких пор может быть от миллиона до миллиарда на квадратный сантиметр, причем все поры одного размера. В результате получается сито субмикронного размера, которое можно использовать как фильтр для очистки воздуха, воды, разделения химических веществ, стерилизации биологических сред, а изменяя параметры облучения - получать фильтры с диаметром отверстий от одной сотой до нескольких десятков микрометров. Поскольку длина пор может быть в тысячу раз больше диаметра, фильтр обеспечивает очень высокую степень очистки. В Лаборатории ядерных реакций производится около 100 тысяч квадратных метров такой пленки в год. Разработана новая технология, позволяющая пробивать в полимерной пленке поры в форме конуса, сигары, песочных часов. Подобная технология дает возможность выращивать фрактальные структуры с увеличенной площадью поверхности. Это важно для процессов, в которых протекают поверхностные химические реакции, например в электрической батарее.
Как это ни удивительно, но для Объединенного института ядерных исследований не характерна проблема утечки мозгов. Здесь сложилась обстановка, которая позволяет реализовать научные идеи, а для ученого - это очень сильная мотивация. Конечно, люди уезжают, чтобы поработать в других научных центрах, но потом снова возвращаются. Относится это не только к российским исследователям. "Мы, как музыканты, играем то в одном оркестре, то в другом", - заметил профессор из Словакии Ян Климан. Он впервые приехал в Дубну студентом в 1975 году, а сейчас занимает выборную должность заместителя директора Лаборатории ядерных реакций. В студенческие годы здесь начал научные исследования и чешский физик Рихард Ледницкий, ныне вице-директор ОИЯИ. Существует даже такое понятие, как "дубненская диаспора", - это те ученые, что прошли школу Дубны, а сейчас работают в других научных центрах.
"Совместное стремление к получению новой информации о том, как устроен мир, является сильнейшим магнитом, который сближает народы и вызывает доверие друг к другу, - сказал Владимир Георгиевич Кадышевский, научный руководитель ОИЯИ. - Наука имеет дело с законами природы, а они универсальны. Важен результат, один на всех. Поэтому лучше, выгоднее, эффективнее, когда этот результат получен сообща. Принцип работы международных организаций, таких, как наш институт или ЦЕРН, как раз в том, чтобы объединить ресурсы и самым быстрым, самым экономным путем продвинуться к цели. А наша цель - открытие новых законов природы, получение новых сведений о структуре материи, об окружающем нас мире, понимание того, как образовалась и развивается вселенная, в которой мы живем, - то, что всегда интересовало человечество".
Опубликовано в "Науке и жизни":
Губарев В. Поиски 118-го элемента. - 2002, № 9.
Губарев В. Нейтронный скальпель. - 2005, № 1.
Дубна - город открытий. - 2002, № 9.
Дубна сегодня. - 1976, № 6.
Оганесян Ю. В поисках сверхтяжелых ядер. - 1973, № 10.
Оганесян Ю. Как создавался циклотрон. - 1980, № 4.
Побожий Ю. Сверхтяжелые элементы с полуострова Челекен. - 1978, № 3.
Побожий Ю. Сто седьмой. - 1977, № 4.
Флеров Г., Оганесян Ю. Сто шестой. - 1975, № 2.
См. в номере на ту же тему
В. ГУБАРЕВ - Профессор Алексей Сисакян: физика и химия определили судьбу цивилизации.
