Узнать историю Вселенной и разгадать состав тёмной материи: установки класса мегасайенс в России, которые меняют науку

Установки класса мегасайенс — мощные научные комплексы для принципиально новых исследований. Идея создавать такие появилась во второй половине XX века. Приставка «мега» здесь не случайна: подобные проекты действительно гигантские и создаются при финансировании и участии специалистов из разных стран и отраслей науки. Мегасайенс‑структуры состоят из множества компонентов: как физических объектов, допустим огромных ускорителей частиц или телескопов, так и суперсовременных информационных систем для обработки данных.

Задача у комплексов тоже выдающаяся: заглянуть за рамки основ науки и ответить на фундаментальные вопросы. К примеру, понять, как появилась Вселенная и есть ли жизнь за пределами Земли. Но полезны они не только с точки зрения научного интереса. Открытия, совершаемые в процессе исследований, пригождаются в медицине, компьютерных технологиях и промышленности.

7 установок мегасайенс в России

1. Исследовательский реактор ПИК

Проект этой установки класса мегасайенс в Гатчине появился ещё в 1970‑х, но заработал лишь в начале 2021 года. Промедление было связано с аварией на Чернобыльской АЭС: после неё подобные комплексы начали заново проверять на безопасность, причём с участием международной коллегии экспертов. Процесс затянулся до 1991 года, но там появилась новая трудность — распад СССР, из‑за которого проект вообще на время заморозили. К работе вернулись в нулевых.

ПИК — это нейтронный реактор водо‑водяного типа. Так называют устройства, в которых обычная вода отводит тепло, а дейтерий, он же тяжёлая вода, замедляет ядерную реакцию. Задача установки — генерировать нейтроны. Сейчас на ней запущено пять исследовательских станций из 25, поэтому учёные пока просто изучают эти частицы. Заработать в полную мощность ПИК должен к концу 2024 года. Тогда там будут проводить эксперименты по изучению объектов микромира, особенностей поведения частиц и ядерных реакций, а также по созданию новых материалов, в том числе для биомедицины. Учёные предполагают, что с помощью этой установки мегасайенс удастся найти новый подход к лечению рака.

2. Коллайдер NICA

Сверхпроводящий коллайдер в Дубне создавался для исследований ядерной материи. В работе над ним участвовали 19 стран, и уже в этом году мегасайенс должен начать действовать в полную силу. С помощью такой установки учёные хотят понять, как Большой взрыв привёл к образованию протонов и нейтронов. По предположениям исследователей, коллайдер поможет воссоздать кварк‑глюонную плазму — это особое агрегатное состояние вещества в физике элементарных частиц. Считается, что именно в нём Вселенная пребывала в первые мгновения своей жизни.

Воспроизводить кварк‑глюонную плазму будут за счёт сталкивания пучков разных частиц, в том числе тяжёлых ионов невысоких энергий. Для поимки результатов этих опытов в ускорителе размещены две экспериментальные установки: MPD и SPD.

3. Токамак Т‑15МД

Токамак, он же тороидальная камера с магнитными катушками, — это особый вид реактора для создания термоядерного синтеза в горячей плазме. Установка Т‑15МД, в сравнении с другими мегасайенс, достаточно компактная. Она находится в Москве, в Курчатовском институте. Это модернизированная версия реактора Т‑15, который работал на базе учреждения ещё с 1980‑х. В новом формате его запустили в 2021 году, но будут улучшать и дальше, до 2024‑го.

Реакции, которые будут создавать в Т‑15МД, напоминают процессы в ядрах звёзд, сопровождаемые огромным выбросом энергии. И здесь как раз скрывается главное предназначение токамака. Учёные надеются, что эксперименты там помогут человечеству найти новый безопасный и практически неиссякаемый источник электроэнергии.

4. Гамма‑обсерватория TAIGA

В состав этого комплекса входят несколько атмосферных телескопов, больше сотни широкоугольных оптических детекторов и ещё множество компонентов. Занимает это всё внушительную территорию — несколько квадратных километров. Находится обсерватория на астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета в Тункинской долине: место прекрасно подходит для наблюдения за небесными телами, потому что оно отдалено от городов и там редко бывает пасмурно.

Центр управления TAIGA заработал в 2021 году. Главная задача этой установки — поиск излучения гамма‑квантов сверхвысоких энергий. Подобные реакции производят взрывы галактик или слияние чёрных дыр. Улавливать гамма‑кванты с помощью датчиков учёным нужно, чтобы разобраться в природе Вселенной. А ещё чтобы узнать больше о происхождении внеземных объектов с самой высокой энергией, например сверхновых звёзд и блазаров — активных ядер галактик.

5. Baikal‑GVD (Байкальский глубоководный нейтринный телескоп)

Ещё одна мегасайенс‑обсерватория. Кстати, находится она неподалёку от TAIGA — на глубине озера Байкал — и начала работу тоже в 2021 году. В её создании участвовали учёные и инженеры из 11 международных научных центров. Визуально установка не особенно похожа на классический телескоп: это сеть из тросов, на которые нанизаны шарообразные стеклянные детекторы, ловящие нейтрино — так называют частицы без заряда с крошечной массой и огромной скоростью, приближающейся к скорости света. Они практически не взаимодействуют с другими элементами и летают повсюду. Кстати, пока вы читали статью, рядом с вами и даже через вас пролетела не одна сотня миллиардов нейтрино.

Ценность этих частиц — в уникальной информации. Учёные предполагают, что нейтрино помогут узнать о процессах, происходящих где‑то очень далеко во Вселенной, а ещё проследить за эволюцией целых галактик и формированием чёрных дыр огромной массы — 10⁵–10¹¹ масс Солнца. И Байкальский телескоп уже ловил такие частицы. Например, в 2021 году он одновременно с другой похожей установкой класса мегасайенс — IceCube, которая размещена на Южном полюсе, — зафиксировал нейтрино из ядра далёкой галактики. Это был первый случай, когда нейтринные телескопы в разных точках планеты уловили сигнал из одного источника.

6. Синхротронный излучатель «КИСИ‑Курчатов»

Этот комплекс класса мегасайенс открыли ещё в 1999 году. Уже в XXI веке его модернизировали: сейчас проект включает целых 16 станций, на каждой из которых можно вести параллельные исследования. Кстати, на «КИСИ‑Курчатов» ежегодно проводят около 200 экспериментов, над которыми работают порядка 60 групп учёных — и отечественных, и зарубежных.

Главный механизм этого комплекса мегасайенс — источник синхротронного излучения. Оно помогает детально, вплоть до атомарного масштаба, изучать различные материалы и объекты как живой, так и неживой природы. Синхротронное излучение используется в разных областях науки — от физики и медицины до археологии. Например, с помощью «КИСИ‑Курчатов» можно отслеживать происхождение древних артефактов и проверять, как противораковые препараты взаимодействуют с клеточной мембраной человека.

7. СИЛА

Этот мегасайенс пока только готовится. Он появится в подмосковном городе Протвине и будет включать два компонента: источник синхротронного излучения четвёртого поколения и рентгеновский лазер на свободных электронах. Учёные предполагают, что эта комбинация поможет узнать, как появились атомы, молекулы, кварки и другие частицы. А значит, понять, как рождалась и развивалась Вселенная.

Основная задача проекта СИЛА — получение новых знаний и создание новых технологий на их основе в различных областях науки и техники, например в медицине, материаловедении, сельском хозяйстве, энергетике, IT. Всего на площади в почти 190 тысяч квадратных километров будет 52 экспериментальные станции и центр для обработки данных. Проводить исследования там смогут около 200 научно‑образовательных организаций и 50 предприятий реальных секторов экономики — к примеру, машиностроительные, металлургические и химико‑биологические.