Максим Либанов: наука всегда окупается и не требует больших затрат

Директор института ядерных исследований РАН Максим ЛибановДзен

– Что представляет собой Московская мезонная фабрика (ММФ) института ядерных исследований РАН?

– Наша фабрика – это уникальный линейный сильноточный ускоритель ионов водорода. Это единственный в России, а по ряду параметров до настоящего времени единственный в Евро-Азиатском регионе ускоритель такого класса. Его аналоги существуют или создаются сейчас в Америке, Китае, Японии и Европе. Также некоторые страны планируют построить фабрику подобную нашей у себя, так как именно она позволяет проводить эксперименты при относительно низких энергиях, но при очень высокой интенсивности, что способствует развитию как прикладных, так и фундаментальных исследований.

Вообще, ускорители частиц имеют две ключевые характеристики. Первая – это энергия частиц, а вторая – интенсивность. Первая характеристика важна тем, что чем выше энергия разогнанных частиц, тем меньшие расстояния могут «прощупать» ученые с помощью них и, соответственно, узнать новые или уточнить известные фундаментальные законы, лежащие в основе мироздания. Вторая характеристика – это число частиц, принимающих участие в столкновениях в единицу времени. Она говорит о том, как быстро мы можем проводить исследования на данной машине: чем больше интенсивность, тем быстрее происходит набор данных, полученных в результате эксперимента.

– Любой ускоритель должен обладать максимальным значением этих характеристик?

– По техническим причинам невозможно наращивать обе эти характеристики одновременно. В частности, ясно, что полная энергия, потребляемая ускорителем, будет пропорциональна произведению этих двух характеристик, а она ограничена. Но такое наращивание в большинстве случаев и не нужно: в обыденной жизни у нас совершенно нет необходимости использовать рентгеновское, более высокоэнергетическое, чем видимый свет, излучение, чтобы разглядеть и изучить какой-либо предмет, а необходима достаточная освещенность, то есть интенсивность. Поэтому ученые соблюдают баланс между этими характеристиками, создавая машины либо с высокой интенсивностью, но относительно малой энергией, либо ускорители с относительно низкой интенсивностью, но огромной энергией. К примеру, у Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного в Швейцарии, рекордная в мире энергия – около десяти тераэлектронвольт. Это соответствует десяти тысячам массам протона в энергетическом эквиваленте, то есть массам ядра атома водорода. При таких энергиях можно изучать, как устроен мир на расстояниях порядка 10-20 метра, то есть в триллион раз меньших, чем расстояния, на которых «работают» современные нанотехнологии. Однако интенсивность у БАК сравнительно низкая. Именно поэтому потребовалось три года работы БАК, чтобы открыть новую частицу – бозон Хиггса. Наш ускоритель относится к первому классу. Его энергия весьма скромна по сравнению с БАК – всего около половины массы протона, что соответствует расстояниям порядка 10-15метра – это характерный размер ядер веществ. Но интенсивность огромна. Поэтому мы быстро – характерное время эксперимента составляет несколько дней – можем изучать, что происходит с веществом на ядерном уровне.

– Какого рода исследования проводятся на ММФ?

– На базе нашего ускорителя в институте создан центр коллективного пользования «Ускорительный центр нейтронных исследований структуры вещества и ядерной медицины ИЯИ РАН». В его состав входят комплекс нейтронных источников, радиоизотопный комплекс и комплекс лучевой терапии. Начну с комплекса нейтронных источников. В результате работы ускорителя разогнанные протоны (ионы водорода) взаимодействуют с мишенью и порождают поток нейтронов, которые наряду с протонами входят в состав ядер вещества. Нейтроны практически идентичны протонам, но не имеют электрического заряда. Это, с одной стороны, не дает возможности разогнать нейтроны сами по себе (поэтому и необходим пучок ускоренных протонов), а с другой стороны, позволяет нейтронам проникать глубоко в вещество. Поэтому полученный пучок нейтронов можно использовать также, как используется рентгеновское излучение, – для изучения внутренней структуры вещества, что необходимо как для фундаментальных исследований в области физики конденсированных состояний, так и для прикладных исследований. На установках радиоизотопного комплекса разрабатываются новые технологии получения радиоизотопов, находящих свое применение как в ядерной медицине, так и в других отраслях. Работы на комплексе лучевой терапии направлены на разработку новых методов лечения с помощью высокоинтенсивных пучков заряженных частиц.

– Какие результаты были получены благодаря Московской мезонной фабрике в XXI веке?

– ММФ в первую очередь нацелена на проведение прикладных исследований. Среди множества полученных за время работы комплекса результатов хотелось бы отметить следующие. Сотрудники радиоизотопного комплекса разработали целый ряд технологий получения изотопов различных элементов, используемых в первую очередь в ядерной медицине. Многие из таких изотопов можно получать на ядерных реакторах, однако некоторые по определенным причинам эффективнее получать на ускорителях. В частности, нами разработана технология получения радиоизотопа актиния-225 – перспективного альфа-излучателя для терапии онкологических заболеваний. Кроме того, мы разработали технологию получения стронция-82 и стронциево-рубидиевый генератор, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

– Как ММФ позволяет развивать медицину?

– Благодаря высокоинтенсивному пучку протонов мы можем исследовать возможности так называемой флэш-терапии и, в частности, суперфлэш-терапии. Флэш-терапия – это лечение онкологических заболеваний высокоинтенсивным пучком протонов. При этом, в отличие от обычных методов протонной терапии, требующих нескольких сеансов облучения, терапевтический эффект при использовании флэш-терапии может быть достигнут за один-два сеанса. Особенно это касается суперфлэш-терапии, где за счет очень высокой интенсивности эффект может быть достигнут за один сеанс. В настоящее время мы активно исследуем этот подход и уже получили ряд результатов, указывающих на эффективность суперфлэш-терапии.

Разработанные нами и опробованные на нашем ускорителе системы контроля пучка, необходимые для эффективной работы ускорителя, широко используются не только у нас в стране, но и во многих ускорительных комплексах за рубежом.

– Какие еще результаты были получены на вашей фабрике?

– На нашем ускорителе был измерен целый ряд сечений рассеяния протонов и нейтронов на различных ядрах. Величины этих сечений вошли в справочник Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и необходимы для исследований в области ядерной физики, в частности, для разработки и контроля ядерных реакторов.

Также сотрудниками комплекса нейтронных исследований получен ряд важнейших фундаментальных результатов по изучению различных фазовых переходов в веществе. Нашими учеными совместно с коллегами из других институтов была обнаружена и исследована сверхпроводящая фаза в обычном сероводороде при температуре всего -70 градусов по Цельсию. По состоянию на 2016 год столь высокая температура перехода в сверхпроводящую фазу была рекордом. Однако давление, при котором происходит такой переход в сероводороде, очень высоко. Поэтому говорить о практическом применении такого рода сверхпроводников пока еще рановато. Тем не менее такое открытие позволяет продвинуться в понимании возникновения феномена сверхпроводимости, что в итоге поможет создать материалы, являющиеся сверхпроводниками при более-менее нормальных условиях.

– Разве ваш институт не занимается космическими разработками?

– Непосредственно космическими разработками наш институт не занимается, но на ММФ имеется стенд для проведения радиационных испытаний радиоэлектронной аппаратуры. Он позволяет проводить эксперименты в условиях, приближенных к космическим. Проблема для спутников заключается в том, что в космосе есть космические лучи, состоящие в основном из протонов. Они, разумеется, могут навредить электронной аппаратуре космических аппаратов. Поэтому необходимо проводить испытания здесь, на Земле, как поведет себя аппаратура в космосе. И наш стенд дает такую возможность.

– Как ваш институт сотрудничает с зарубежными коллегами, в частности, с Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН)?

– До недавнего времени мы активно сотрудничали с ЦЕРН. Наши сотрудники входили в состав трех из четырех крупных экспериментов на Большом адронном коллайдере – это CMS, ALICE и LHCb. В частности, мы делали детекторы для этих экспериментов, поставляли их туда и работали на них. В рамках этих экспериментов мы участвовали в открытии бозона Хиггса. Кроме того, сотрудниками нашего института был предложен эксперимент по поиску темной материи на ускорителе SPS, являющемся предускорителем для БАК. Этот эксперимент был одобрен научным комитетом ЦЕРН и получил название NA64. Впервые в истории ЦЕРН руководителем эксперимента стал российский ученый – сотрудник нашего института. К сожалению, пока темная материя не найдена, но на NA64 был получен целый ряд важнейших ограничений на ее параметры, существенно сужающий область поиска.

Помимо ЦЕРН мы также входим в состав еще около двух десятков международных экспериментов и коллабораций. Например, мы активно работаем в проекте H2K и в создании проекта Hyper-K в Японии. Эти эксперименты направлены на изучение свойств осцилляций нейтрино. Особенно хотелось бы отметить наше бурно развивающееся сотрудничество с китайскими коллегами. Мы участвуем в проектах JUNO и LHASSO – экспериментах по изучению нейтрино и космических лучей – направлений, где наш институт является одним из мировых лидеров. С другой стороны, и китайские коллеги проявляют огромный интерес к нашему проекту Baikal-GVD – Байкальскому нейтринному телескопу, создаваемому нами на Байкале совместно с коллегами из Дубны (Объединенным институтом ядерных исследований, ОИЯИ) и из других институтов.

– На ваш взгляд, ЦЕРН – ценный проект мировой науки?

– ЦЕРН является очень выгодным проектом за достаточно маленькую плату для государств-спонсоров. По официальным данным затраты на создание БАК составляют от 10 до 15 миллиардов евро. Не будем сильно доверять этим данным и умножим эту сумму на два, то есть будем считать для ровного счета, что затраты составляют 25 миллиардов. На первый взгляд, это огромная сумма, и одному государству ее не потянуть. Но учтем, что проект уже реализуется 25 лет, поэтому сумма получается гораздо скромнее – один миллиард в год. Это уже по карману одному государству с достаточно мощной экономикой. Учтем еще, что в БАК участвуют около 100 стран, то есть в среднем на страну-участницу приходится десять миллионов евро в год – на мой взгляд, очень скромная сумма. Более того, эти средства в основном идут на развитие высокотехнологичных производств, необходимых для создания БАК, в тех государствах, которые их выделяют. Так, например, необходимость в создании сверхпроводящих магнитов, необходимых для БАК, в итоге привела к существенному снижению цены на МРТ-диагностику. Еще один пример – это Всемирная паутина, созданная в ЦЕРН из-за необходимости в быстром обмене данными, а Всемирная паутина – это прародитель интернета. Поэтому фундаментальная наука – это не только цивилизационные ценности: новые знания, образование и культура, но и вполне конкретные новые высокие технологии, получаемые заодно.

Представьте, только наша Московская мезонная фабрика позволяет разрабатывать несколько научных направлений, а если вообразить, какие результаты дает Большой адронный коллайдер, то становится понятно, почему наука всегда окупается и не требует больших затрат со стороны государства. И я считаю, что Россия, как лидирующая мировая держава, должна уделять особое внимание развитию фундаментальных исследований.

– Как, на ваш взгляд, можно внедрять фундаментальные разработки в жизнь?

– Необходимы люди с хорошим образованием и предпринимательской жилкой. Например, если человек учится на физическом факультете и понимает, что это не совсем то, что его привлекает в качестве постоянного занятия, и ему хочется реализовываться в чем-то другом, то он может применить свои знания и навыки, полученные в ходе изучения фундаментальной науки, такой как физика или математика, в бизнесе и реальной жизни. То есть человек должен понимать, что представляет собой наука, и зачем она нужна, также он должен тянуться к реализации научных достижений и иметь мотивацию монетизировать их. Поэтому нормальный механизм внедрения достижений фундаментальной науки в жизнь должен выглядеть следующим образом: сначала должны разрабатываться фундаментальные исследования, затем идут инженерные и технические изобретения и нововведения, и только после этих двух этапов предприниматели могут взять на вооружение достижения науки и внедрить их в жизнь.