Установки класса “мегасайенс”
Для решения фундаментальных научных задач в России по национальному проекту «Наука и университеты» создаются уникальные научные установки класса «мегасайенс» (от англ. megascience — меганаука) – сверхмощные, дорогостоящие научные комплексы, используя которые, ученые могут проводить исследования на мировом уровне. Сейчас в России создается сеть таких установок, которая должна обеспечить создание прорывных технологий на основе синхротронных и нейтронных исследований. Основные векторы развития установок класса «мегасайенс» задаются Федеральной научно-технической программой развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы. Рассказываем о таких установках.
Ускорительный комплекс NICA
На базе Объединенного института ядерных исследований реализуется проект класса «мегасайенс» NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility), нацеленный на воссоздание и исследование в лаборатории ядерной материи в экстремальных условиях, возникавших в природе на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд.
Создание комплекса NICA началось 27 апреля 2016 г. с выходом распоряжения Правительства Российской Федерации от № 783-р «О подписании Соглашения между Правительством Российской Федерации и международной межправительственной научно-исследовательской организацией Объединенным институтом ядерных исследований о создании и эксплуатации комплекса сверхпроводящих колец на встречных пучках тяжелых ионов NICA». Основной пик развития пришелся на 2021 год: в июле в Дубне приступили к основному этапу сборки детектора коллайдера NICА, а в сентябре провели тестовый пуск бустера. Запуск коллайдера с неполной интенсивностью запланирован на 2022 год, а в полную силу он заработает в 2023 году.
Запуск коллайдера NICA может помочь воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, — кварк-глюонную плазму (КГП).
Благодаря комплексу NICA появится возможность воссоздавать и исследовать материи в экстремальных условиях её фазовых переходов. Такое состояние материи может быть достигнуто путем столкновения тяжелых ионов не очень высоких по современным понятиям энергий, гораздо меньших, чем на Большом адроном коллайдере в ЦЕРН или на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории. Важнейшие фундаментальные проблемы в этой области включают: поиск и изучение новых, не наблюдавшихся ранее форм барионной материи; понимание причин связанности кварков в нуклонах; поиск причин нарушения симметрии, объясняющих механизм формирования мира, состоящего только из вещества, при полном отсутствии антивещества в нашей части Вселенной.
Комплекс NICA включает в себя уникальный коллайдер тяжелых ионов и поляризованных легких ядер на базе Дубненского сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон», который станет источником пучков для коллайдера. Это кольцевой ускоритель (циклотрон), способный разгонять и сталкивать пучки протонов и тяжелых ионов (вплоть до очень массивных ионов золота). Планируемая кинетическая энергия ионов достигнет 4,5 ГэВ/нуклон, протонов – 12,6 ГэВ. В двух точках столкновения встречных пучков будут размещены экспериментальные установки: MPD (Multi-Purpose Detector), которая предназначена для проведения экспериментов в области релятивистской ядерной физики при столкновениях пучков ядер тяжелых элементов, ядер тяжелых элементов с протонами и протон-протонных столкновениях, а также SPD (Spin Physics Detector), которая предназначена для проведения экспериментов по физике спина при столкновениях пучков ядер лёгких элементов.
Гатчинский реактор ПИК
Еще одна установка класса «мегасайенс», предназначенная для проведения исследований в области ядерной физики, — это Гатчинский ядерный реактор ПИК. Его запустили 11 лет назад, 28 февраля 2011 года, в Гатчине, на площадке входящего в Курчатовский институт Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова. Помимо изучения ядерной физики реактор используется для проведения исследований в области физики фундаментальных взаимодействий, молекулярной биофизики, физики конденсированного состояния, материаловедения, производства изотопов, для изучения нейтронов, нейтронного излучения, изучения объектов микромира, к примеру, узлов кристаллической решётки, объектов, расположенных на расстоянии нескольких ангстрем (10-8 см) друг от друга, а также многих других фундаментальных и прикладных научных исследований.
Реактор ПИК, который представляет собой пучковый исследовательский комплекс, – один из самых мощных в мире высокопоточных источников нейтронов. Основная схема реактора, а именно охлаждаемая легкой водой активная зона и тяжеловодный отражатель, впервые примененная в проекте, признана теперь наиболее эффективной и технологичной. В дальнейшем схема проекта реактора стала использоваться практически во всех пучковых реакторах с тяжеловодным отражателем в мире. Его проект начал создаваться еще в начале 1970-х. Однако из-за аварии на Чернобыльской АЭС нужно было переработать проект на предмет безопасности и дождаться международной экспертизы, а в дальнейшем после распада СССР строительство фактически заморозили. На тот момент реакторный комплекс был готов на 70%. К счастью, проект обрел вторую жизнь, когда Петербургский институт ядерной физики вошел в состав участников пилотного проекта по созданию НИЦ «Курчатовский институт».
ПИК представляет собой реактор водо-водяного типа, в котором обычная вода используется для отвода тепла, а «тяжелая» вода — для замедления ядерной реакции. Пучки нейтронов, вылетающие из зоны ядерной реакции, выводятся в специальные каналы различной конфигурации. Каждый из них — отдельная исследовательская станция, которые различаются набором оборудования и задачами. Реактор ПИК отличается от большинства аналогичных зарубежных проектов увеличенными нейтронными потоками в отражателе за счет большей мощности, наличием нейтронной ловушки с очень высоким нейтронным потоком и возможностью облучения материалов в активной зоне.
8 февраля 2021 года, в День российской науки, в национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» был осуществлен торжественный пуск Гатчинского реактора ПИК. Реактор вывели на энергетический режим работы. Это событие стало знаменательным не только для российского научного сообщества, но и для ученых во всем мире.
В настоящее время к реализации проекта «Создание приборной базы реакторного комплекса ПИК» готов коллектив для эксплуатации станций, создана инженерная инфраструктура, наработаны механизмы взаимодействия со службами технической поддержки, — то есть создан научно-технический, а также технологический задел. Проект планируется завершить до конца 2024 года.
Байкальский глубоководный нейтринный телескоп
Создание установок класса «мегасайенс» направлено на решение амбициозных задач современной науки. Далее рассмотрим такие комплексы, которые предназначены для исследования в не менее важных научных отраслях.
Одной из таких установок является Baikal–GVD — байкальский глубоководный нейтринный телескоп. Установка предназначена для регистрации слабых вспышек света (черенковского излучения), которые возникают в результате взаимодействия частиц, приходящих из космоса (нейтрино), с водой. Природный поток нейтрино несет в себе богатейшую, и во многих отношениях уникальную, информацию об окружающем нас мире. Исследование этого потока в различных энергетических диапазонах способно дать ключ к пониманию ранних стадий эволюции Вселенной, процессов формирования химических элементов, механизма эволюции массивных звезд и взрывов Сверхновых, пролить свет на проблему темной (невидимой) материи, на состав и внутреннее строение Солнца сегодня и в достаточно удаленном прошлом, и даже продвинуться в понимании проблемы внутреннего строения планеты Земля.
Байкальский глубоководный нейтринный телескоп расположен в Южной котловине озера Байкал на расстоянии 3,5 км от берега на глубине 750–1300 метров. Это один из трех нейтринных телескопов в мире и, наряду с телескопами IceCube на Южном полюсе и ANTARES (ныне KM3NeT) в Средиземном море, входит в Глобальную нейтринную сеть (Global Neutrino Network, GNN).
Baikal-GVD был запущен силами международной коллаборации, возглавляемой Институтом ядерных исследований РАН и Объединенным институтом ядерных исследований. Всего в проекте принимают участие более 70 ученых и инженеров из одиннадцати научных центров России, Германии, Польши, Чехии, Словакии и Казахстана.
В марте 2021 года состоялся торжественный пуск установки. Мероприятие прошло под эгидой Года науки и технологий в России и празднования 65-летия образования Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).
В 2021 году телескоп Baikal-GVD стал самым большим в Северном полушарии и вторым по размеру в мире. Сегодня детектор имеет 8 кластеров, они находятся на расстоянии 300 метров друг от друга. Каждый кластер состоит из 8 вертикальных гирлянд, на которых расположены стеклянные оптические модули: по 36 штук на каждой. Сейчас эффективный объем телескопа для регистрации астрофизических нейтрино с энергией в области одного ПэВ составляет 0,4 куб. км. По проекту объем установки к 2027 году должен составить порядка одного кубического километра.
В конце 2021 года два крупнейших в мире нейтринных телескопа — IceCube в Южном полушарии и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD в Северном — обнаружили нейтрино от одного возможного источника. Первый нейтрино был обнаружен 14 декабря нейтринной обсерваторией IceCube на арктической станции Амундсен-Скотт, и спустя четыре часа после пойманного в Антарктике нейтринного сигнала, российскими учеными было найдено взаимодействие другого нейтрино, пришедшего из того же направления.
В феврале 2022 года на озере Байкал начала работать очередная экспедиция по строительству глубоководного нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD. В течение примерно двух месяцев коллаборация Baikal-GVD планирует установить два новых кластера оптических модулей, провести модернизацию уже установленных и продолжить работы по развитию системы передачи данных по оптическим линиям внутри установки.
Проект «Байкальский глубоководный нейтринный телескоп» будет развиваться и дальше — в его основе лежит модульная система, поэтому к установке можно добавлять новые кластеры и тем самым увеличивать мощность телескопа.
Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ)
Одним из крупнейших за последние десятилетия российских проектов в области научно-исследовательской инфраструктуры принято считать Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). Работа над ним ведется в рамках нацпроекта «Наука и университеты» с целью развития современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения.
Строительство источника синхротронного излучения «Центр коллективного пользования «СКИФ» стартовало в июле 2021 года в наукограде Кольцово в Новосибирской области. ЦКП «СКИФ» — уникальный по своим характеристикам источник СИ поколения «4+» с энергией 3 ГэВ. Он позволит проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках. Также СКИФ поможет решить актуальные задачи инновационных и промышленных предприятий.
«СКИФ» станет первым звеном современной российской сети источников синхротронного излучения нового поколения. Масштабный проект развернут на земельном участке площадью 30 га, периметр основного кольца ускорителя составляет 476 м. Это большой научный центр из 27 корпусов, в их числе основные здания ускорительно-накопительного комплекса – здание инжектора, накопителя и экспериментальные станции. Все это будет оснащено инженерным и технологическим оборудованием, которое обеспечит выполнение научных исследований на пучках синхротронного излучения. Проект и архитектурный облик центра коллективного пользования «СКИФ» разработал Центральный проектно-технологический институт Госкорпорации «Росатом».
ЦКП «СКИФ» с рекордным на сегодняшний день эммитансом в 75 пм∙рад – с самым ярким и интенсивным пучком рентгеновского излучения – станет флагманом научных экспериментов не только в России, но и в мире.
В марте 2022 года было объявлено о том, что ЦКП «СКИФ» и лаборатория информационных технологий им. М. Г. Мещерякова Объединенного института ядерных исследований (ЛИТ ОИЯИ) начали сотрудничество в сфере создания IT-инфраструктуры ЦКП «СКИФ» и профессиональной подготовки специалистов для обеспечения ее работы. В рамках сотрудничества стороны уже разработали технические требования к Центру обработки данных экспериментальных станций ЦКП СКИФ, состоящего из высокопроизводительного вычислителя и системы хранения информации. Также для ЦКП СКИФ актуально направление суперкомпьютерного моделирования: суррогатного, математического, имитационного, статистического. Это станет еще одной темой сотрудничества с ОИЯИ.