В зеркале прессы

Дубна - остров стабильности

Журнал "Эксперт" опубликовал интервью журналиста Андрея Константинова с директором Объединенного института ядерных исследований академиком Григорием Трубниковым, который рассказал об основных направлениях прорывов в современной физике и о том, как ОИЯИ их штурмует.

- Как так получилось, что уже 65 лет ОИЯИ остается на переднем крае современной ядерной физики?

- ОИЯИ - это синергия нескольких элементов. Во-первых, международный состав ученых - здесь соединились разные национальные научные школы, разные культуры, даже разные системы образования. Во-вторых, изначально очень высокая планка на "вход" в Институт и для сотрудников, и для идеи, проекта. Первым председателем Ученого совета ОИЯИ был нобелевский лауреат по физике Густав Герц. Первым директором - Дмитрий Блохинцев, руководивший работой по созданию первой в мире атомной станции в Обнинске. Среди основателей и директоров Института - академик Николай Боголюбов, про которого думали, что свои труды создает не он один, а целая группа людей, настолько разные области они охватывали: гидродинамика и механика сплошных сред, сверхпроводимость, математика, физика элементарных частиц… Вспомним Бруно Понтекорво, работавшего в ОИЯИ, - великий физик, ученик Ферми, один из создателей нейтринной физики, предсказавший за сорок лет до открытия эффект осцилляции нейтрино - эта экзотическая частица настолько не похожа на все остальные, что способна на протяжении жизни менять свою природу.

В разные годы в Институте работали нобелевские лауреаты Лев Ландау и Илья Франк, ученик Курчатова и один из ключевых участников советского атомного проекта Георгий Флеров и многие другие крупнейшие ученые, научная элита мирового масштаба: Моисей Марков, Михаил Мещеряков, Владимир Векслер, Альберт Тавхелидзе, Александр Балдин, Ван Ганчан, Генрик Неводничанский и так далее - список завидный. Здесь было средоточие людей, которые задали направление развития физики как минимум на полвека вперед, - и это, конечно, формировало совершенно особую атмосферу. Но наше настоящее тоже очень яркое. Такие мировые звезды физики элементарных частиц и ядерной физики, как Юрий Оганесян, Виктор Матвеев, Алексей Старобинский, Валерий Рубаков, Геннадий Зиновьев, сейчас творят в нашем Институте. И много, очень много у нас яркой молодежи, у которой индекс Хирша зашкаливает и международная научная репутация на зависть.

Ну и сама Дубна - уникальное место. Мы называем ее "островом стабильности". Город окружен с четырех сторон водой: канал имени Москвы, Волга, река Дубна, река Сестра. Удаленность от суеты, прекрасная экология, шаговая доступность к любой социальной инфраструктуре. Рай для ученого!

- Даже для зарубежного?

- Для любого - в науке нет национальности. Рай не в смысле особо комфортных условий, а в смысле возможности сосредоточиться на сверхамбициозных задачах - это ведь как раз то, что манит самых амбициозных людей.

Эти возможности дает уникальная исследовательская инфраструктура. Первые строители высадились в Дубне в 1946 году, за десять лет до создания ОИЯИ, чтобы построить фазотрон (установку "Ф") - уникальный по мировым меркам ускоритель для советского Атомного проекта. Его соорудили в 1949-м - самый крупный тогда ускоритель в мире, с самой большой энергией. Потом построили синхрофазотрон, импульсный реактор ИБР-2, Флеровский комплекс циклотронов. Но мы гордимся и настоящим, и даже будущим. В наши дни заработала Фабрика сверхтяжелых элементов. Это установка, которая минимум лет на пятнадцать опережает все, что сейчас есть в мире. А еще у нас самый крупный в Северном полушарии нейтринный глубоководный телескоп на озере Байкал, семнадцатый в мировом рейтинге суперкомпьютерный кластер, строящийся уникальный коллайдер NICA. На сегодняшний день в мире работает шесть коллайдеров, из них в области высоких энергий только три. И наша NICA будет еще одной мировой научной установкой, работающей в весьма амбициозной для физики нише.

Зал нейтронного импульсного реактора ИБР-2.

Получается, главные элементы непотопляемости Дубны - высочайшая научная планка, международный состав исследователей, особая среда и атмосфера, передовая инфраструктура и сверхамбициозные научные задачи.

Открытая наука

- Слышал про сверхмощную сеть GRID, объединяющую научные суперкомпьютеры мира, помогающие обрабатывать данные с разных установок. То есть это даже больше чем просто открытость данных?

- Архитектура GRID когда-то была предложена в ЦЕРН и ОИЯИ. Петабайты данных, получаемые в эксперименте, например на Большом адронном коллайдере, одному компьютеру невозможно хранить и переварить. Поэтому они делятся на порции, большие кластеры, которые распределяются по этой сети сначала в одиннадцать центров первого уровня, оттуда в несколько десятков центров второго уровня, в несколько сотен узлов третьего уровня, где начинают обрабатываться. Потом по восходящей их отчеты сводятся воедино и выверяется общий итоговый результат.

Все компьютеры в Институте включены в одну общую сеть, подключенную к GRID, - возможно, сейчас на моем компьютере обрабатывается часть нейтринного эксперимента, проходящего на установках в ЦЕРН, в Италии или в Китае, в котором и мы участвуем. Или с нейтринного телескопа на Байкале.

Сейчас мы работаем по такой же модели в России и со своими странами-участницами. Наша сеть называется DIRAC, в честь великого физика Поля Дирака. Она, кстати, обрабатывает и первые данные экспериментов на физических установках первого каскада комплекса NICA, и данные с Фабрики сверхтяжелых элементов. Все эти данные собираются в нашем так называемом гетерогенном гиперконвергентном компьютерном кластере. Это название означает, что центр обработки данных (ЦОД) ОИЯИ связывает воедино несколько компьютерных архитектур - облачные вычисления, суперкомпьютер, ленточного робота, многопроцессорную машину и параллельные вычисления. Между ними в зависимости от характера задачи эффективно распределяются данные для анализа. Часть данных обрабатывается в этом здании, часть летит для обработки в Польшу, часть - в Чехию, Румынию, Китай, а сюда возвращаются результаты. Это такая единая система дирижирования обработкой данных. Наш суперкомпьютерный кластер - номер семнадцать в мировом топ-500 систем, которые быстрее и эффективнее всего обрабатывают данные.

Суперкомпьютер имени Н.Н.Говоруна.

А в прошлом году, поскольку часть экспериментов из-за ковида и закрытия границ была приостановлена, и часть ресурса нашего ЦОДа была свободна, мы предоставили его для обработки и хранения данных для Всемирной организации здравоохранения - ВОЗ создала такую же GRID-систему для сбора статистики со всех стран и моделирования распространения коронавируса.

Как создают новые химические элементы

- В Дубне создали уже десяток новых элементов, не существующих в природе. Как вы это делаете - бомбардируя одни тяжелые ядра атомов другими?

- Да, чтобы создать новый элемент, нужно иметь мишень из очень тяжелых трансурановых элементов и облучать ее пучком из как можно более тяжелых и нейтронноизбыточных ядер, но при этом стабильных. В девяностые годы в ОИЯИ был открыт эффект, что самым идеальным ядром для бомбардировки является изотоп кальция-48. Это дважды магическое ядро, с большим количеством нейтронов, его нарабатывают на электрохимпроизводстве. Грамм этого вещества стоит миллионы долларов. Он представляет собой порошок, его помещают в специальный ионный источник, в котором испаряют и ионизуют с помощью высокочастотного поля. А дальше ядра ускоряют электромагнитами, формируется пучок. Его, как вы уже знаете, нужно вывести на очень тяжелую мишень, сделанную из трансуранового элемента с порядковым номером в районе 100 в таблице Менделеева: берклий, калифорний и прочие. Эти элементы для мишени искусственно синтезируются на специальном реакторе - полгода нейтронный реактор работает на обогащение нейтронами определенного изотопа. Стоимость этой мишени тоже миллионы долларов.

А дальше вам нужно подобрать такие изотоп пучка и изотоп мишени, чтобы при столкновении они "слились" на какое-то время. Слияние бывает холодным и горячим - это целая наука. Важно, чтобы они не просто ударились друг о друга, раскололись и разлетелись, а чтобы два ядра на какое-то время объединились и пожили какое-то время как одна система - это и будет новым сверхтяжелым элементом.

Заглянуть за край таблицы Менделеева

- Недавно в ОИЯИ открылась Фабрика сверхтяжелых элементов. Почему "фабрика"?

- Раньше на открытие каждого элемента уходило по пять-десять лет работы. Сейчас самый тяжелый из открытых - 118-й, оганесон, названный в честь ныне живущего академика Юрия Оганесяна, нашего выдающегося ученого. Уникальная ситуация: твое имя в Таблице, это не сравнить ни с какой Нобелевской премией! Но чем дальше мы движемся по таблице Менделеева, тем это труднее и затратнее. Интересно, что чем тяжелее элемент в периодической таблице, тем больше его химические свойства начинают отличаться от закона Менделеева.

- Его положение в таблице больше не предсказывает его свойства?

- Точно! Например, элемент, который должен вести себя как газ в силу своего расположения в клетке таблицы, а ведет себя как металл. Мы не знаем, какими химическими свойствами будут обладать 119-й или 120-й элементы. Это из-за того, что ядра становятся очень тяжелыми - в каждом порядка трехсот протонов и нейтронов и десятки электронов на окружающих орбитах. Чем тяжелее и больше ядро, тем электронам на дальних орбитах нужно быть энергичнее, чтобы не покинуть притяжение ядра. Выше энергия - выше скорость, ближе к околосветовой. А значит, начинает работать теория Эйнштейна и проявляться релятивистский эффект: для наблюдателя масса тела возрастает, а размер сокращается. Для электронов, конечно, как точечных частиц едва ли это применимо в буквальном смысле, но одно очевидно: они точно будут вести себя по-другому. А химические свойства элемента зависят как раз от заполнения электронами оболочек вокруг ядра и от их свойств. Поэтому, чтобы прогнозировать свойства новых элементов, нам нужна большая статистика по элементам, которые находятся на строчку выше них (над ними). Например, оганесон, закрывающий седьмой период таблицы, по свойствам должен быть похож на элемент, который над ним в таблице, - это радон (благородный газ), закрывающий шестой период.

Значит, чтобы предсказать свойства нового сверхтяжелого, нужно получить много атомов, и нужно много времени, чтобы провести измерения. Но сверхтяжелые элементы живут миллисекунды, а некоторые вообще микросекунды. Ну какие химические свойства можно обнаружить за микросекунду? Да еще и с одиночным атомом, когда ты производишь один атом, скажем московия или дубния, в полгода - ну какой эксперимент ты с ним успеешь сделать?

Поэтому академик Оганесян предложил сделать установку, которая синтезировала бы не один атом сверхтяжелого в полгода, а несколько атомов в день, чтобы набрать статистику и прогнозировать, что будет дальше в таблице. И фабрика работает - за месяц сейчас синтезировано столько же сверхтяжелого московия (номер 114 в таблице), сколько за восемь лет работы перед этим.

- А что дальше?

- Конечно, и нам сейчас гораздо интереснее смоделировать, что дальше, нежели рутинно заниматься открытием новых элементов. И здесь мы делаем неожиданный кульбит! Сейчас наш Институт создал большую группу - это интернациональный межлабораторный проект, который занят созданием квантового алгоритма для моделирования границы стабильности ядерной материи - фактически пределов таблицы Менделеева.

Квантовые алгоритмы сейчас применяют фактически только в криптографии - для разложения больших чисел на простые множители. Больше пока задач нет. Первые квантовые компьютеры уже появились, проблема в другом: человечество не придумало задач, которыми их можно загрузить. А мы в Дубне в прошлом году сумели сформулировать абсолютно нужную задачу, а потом подключили коллег из Германии, Израиля, Соединенных Штатов. Вместе мы сейчас создаем квантовый алгоритм для расчета границ стабильности периодической таблицы. Это очень нетривиальный алгоритм расчета взаимодействия нескольких сотен тел - протонов, нейтронов и электронов, связанных электромагнитными и ядерными взаимодействиями.

- Вы будете создавать свой квантовый компьютер?

- Квантовый компьютер нам создавать неинтересно. На мой взгляд, в гонке за квантовыми компьютерами мы опоздали: дешевле и проще купить. Через три-четыре года они будут более чем доступны. Да уже сейчас вы можете через интернет-портал загрузить в гугловский квантовый компьютер свои задачи.

Думаю, через несколько лет начнется соперничество не квантовых компьютеров, а квантовых алгоритмов - задач, которыми вы можете эти компьютеры загрузить и в жизнь земную внедрить. Это гораздо интереснее!

Например, прогнозирую, что через три-пять лет квантовые компьютеры позволят моделировать новые материалы. Это будет такая цифровая химия. На мой взгляд, это один из важных прорывов, который ждет человечество в ближайшие годы. Сейчас, чтобы найти, допустим, материалы, обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, делают сложные сплавы, то есть химическим способом перебирают разные сочетания элементов. Квантовые алгоритмы смогут совершенно преобразить этот поиск. Есть еще более масштабные задачи - расчеты и прогнозирование изменений глобального климата. Задачи моделирования работы человеческого мозга - тоже необыкновенно амбициозная и неотвратимая проблема.

Зачем нужны коллайдеры

- Вы достраиваете коллайдер NICA. Но зачем нужны еще коллайдеры, если Большой адронный коллайдер все равно самый мощный?

Строительная площадка коллайдера NICA.

- Мощь - не всегда эффективность. У современной физики в последние лет пятьдесят-шестьдесят несколько супербольших задач. Не побоюсь сказать, что глобальная задача физики - это создание теории глобального объединения четырех известных нам взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. У нас уже есть Стандартная модель - теория, объединяющая три взаимодействия, кроме гравитационного. На мой взгляд, за несколько тысяч лет своего существования человечество ничего более гениального, чем Стандартная модель, пока не создало. Только представьте себе: модель, объединяющая микро- и макромир, объясняющая все законы существования материи. Стандартная модель - это красивое элегантное уравнение всего из четырех комбинаций слагаемых и очень наглядная таблица, в которой представлены все кирпичики мироздания - поколения элементарных частиц (кварков и лептонов) и переносчиков взаимодействия (бозонов): всего семнадцать клеточек. Это все, что строит наблюдаемый нами мир, нас самих, ядерную материю, происходящие явления. Правда, это только четыре процента окружающей нас Вселенной. Все остальное - это темная материя и темная энергия, которых мы не видим и не знаем, как они сформированы.

Физикам, и не только, очень интересно, что лежит за границами Стандартной модели. Есть ли частицы, которые не входят в эту таблицу? Кварк - это элементарная частичка материи или есть что-то меньше? Дополнительные измерения - мы можем о них говорить? А наблюдать? Суперсимметричные частицы? Посредством каких частиц или полей взаимодействуют видимое вещество и темная материя, что есть темная энергия?

- А мы еще не вышли за пределы Стандартной модели? Если почитать научно-популярные новости, складывается впечатление, что она уже трещит по швам…

- С точки зрения физики она все еще не поколеблена. Но да, всю свою жизнь в профессии (четверть века уж точно) я читаю, что вот-вот - и чуть ли не в этом году мы выйдем за пределы Стандартной модели. Но нет, что-то пока не вышли, хотя задача Большого адронного коллайдера - как раз попробовать понять, что за границами Стандартной модели, обнаружить новые частицы, нарушения Стандартной модели, а значит - новую физику. Похоже, для этого нам все же нужно достичь гораздо более высоких энергий. Мы сейчас исходим из того, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, и в самую раннюю свою стадию (так называемую планковскую эпоху) ее размер был масштаба 10^-33 см, и плотность была совершенно гигантской - 10¹⁰⁰ г/см³. Что было до этого, мы не знаем, но знаем, что в этот короткий момент, всего за время 10^-24 секунды, Вселенная начала расширяться, образовались кварки, электроны и все другие элементарные частицы. Большой адронный коллайдер должен был ответить на вопрос: есть ли новые частицы, есть ли частицы - свидетели темной материи, есть ли что-то за пределами Стандартной модели? Тем не менее заслуги коллайдера нельзя приуменьшать - не случайно Нобелевская премия была дана за объяснение механизма возникновения массы у элементарных частиц, экспериментально обнаружен бозон Хиггса.

Энергия в момент рождения Вселенной была гигантской - выше примерно в сто миллионов раз, чем энергия прилетающих к нам из космоса частиц и в тысячу миллиардов раз больше, чем энергия Большого адронного коллайдера. Это означает, что нам еще очень далеко до того, чтобы на Земле смоделировать условия Большого взрыва. Но есть не менее интересные загадки. Один мой коллега - замечательный физик-ускорительщик Анатолий Сидорин - говорит, что время динозавров (читай: гигантских ускорителей и установок) ушло - они обречены на вымирание, наступает время юрких и умных млекопитающих - относительно небольших универсальных ускорителей. Мы довольно уверенно можем сказать, что примерно через десять микросекунд после Большого взрыва свободные кварки и глюоны (кварк-глюонная плазма) сгруппировались в протоны и нейтроны. Почему-то они объединились именно в тройки (в протоне и нейтроне по три кварка), а не в четверки или пятерки. А дальше из них начали образовываться атомы, от водорода до урана, а из них звезды, галактики и все остальное - эту историю мы уже более достоверно понимаем. Как произошел переход от свободных кварков к ядерной материи, из которой мы состоим? На эти вопросы Большой адронный коллайдер не ответит - энергии здесь слишком низкие и невозможно достичь нужной плотности ядерной материи. Вот изучать фазовый переход от кварк-глюонной плазмы к ядерной материи как раз и будет наш дубненский коллайдер NICA. А всего в мире сейчас ведутся четыре эксперимента, изучающих этот переход, - и Нобелевская премия будет у того, кто успеет первым, конечно. Это безумно интересно - узнать, как мы произошли и куда мы эволюционируем!

По материалам журнала "Эксперт",
10 мая 2021 года