В институте сеанс!

Зачем в протвинском институте «ломают» атомы

Зачем в протвинском институте «ломают» атомы

С середины марта до конца апреля в Институте физики высоких энергий, что в 15 км от Серпухова, проходит весенний сеанс исследований на ускорителе У-70. В 1963 году институт собрал в Южном Подмосковье тысячи людей из разных уголков СССР для создания крупнейшей в стране и на то время в мире, установки для экспериментальных исследований строения Материи и фундаментальных сил природы. Благодаря ускорителю был сделан ряд важных научных открытий, а также построен новый город — Протвино. Корреспондент «МК» в Серпухове» побывал в самом сердце Института физики высоких энергий и узнал как бьется пульс протвинского ускорителя.

Понять, с какой целью и что конкретно исследует протвинский институт, человеку с гуманитарным образованием не так-то просто. Собираясь сюда, я вспомнила некоторые моменты из школьного курса физики и химии, а именно, что вещества состоят из атомов, которые в свою очередь делятся на положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны (ядро атома) и электроны. Также вспомнились некоторые химические реакции, ядерные распады. Одним словом, багаж знаний в этой области не велик. И вот я приехала в Институт физики высоких энергий, рядом со зданием вижу макет того самого атома, а также плакаты, где изображен Большой адронный коллайдер. Сразу становится ясно — протвинские ученые оставили свой след и в швейцарском проекте. Но речь у нас пойдет не о коллайдере, а об ускорителе. Более того, интересно, какой же термин более правильный — «ускоритель» или «коллайдер»? Ведь сегодня на слуху именно слово «коллайдер»: его муссируют СМИ, о нем говорят люди. На самом же деле, эти термины, как объяснили в институте, являются практически синонимами.

Физика для чайников

Прежде чем провести экскурсию по институту, мне прочитали двухчасовую лекцию, чему я была очень благодарна. Вел ее Михаил Николаевич Уханов — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института физики высоких энергий. Всю свою жизнь выпускник физфака МГУ посвятил исследованиям тайн природы, которые недоступны глазу человека.

— Помните свое детство? Вам дарили игрушки и было очень интересно узнать, что же там внутри, из чего они состоят. Вы ломали игрушки. То же самое делаем и мы, ученые — мы ломаем атомы и пытаемся разгадать, из чего состоит материя, как частицы взаимодействуют между собой, — с этих слов начал лекцию Михаил Николаевич Уханов.

После этих доходчивых фраз стала ясна цель и суть создания научно-исследовательского комплекса, включающего в себя крупнейший в мире ускоритель протонов У-70 и установок для физических исследований, где частицы дробятся на более мелкие и фиксируется их траектория и взаимодействие. При попытке рассказа о такой физике, мы с неизбежностью сталкиваемся с тем, что в естественных языках нет ни слов, ни понятий, приспособленных для описания явлений микромира. Для этих целей существуют математические формулы и специальные термины. Тем не менее, если очень постараться и включить воображение, то можно сформировать вполне содержательное представление о том, чем занимаются исследователи в протвинском институте. Самая общая постановка задачи состоит в том, чтобы узнать строение элементарных частиц, как они взаимодействуют друг с другом, как устроен вакуум, и как элементарные частицы с ним взаимодействуют. Эти знания являются фундаментом научных представлений об окружающем нас мире, его прошлом и будущем.

Забытое чудо СССР

Основной экспериментальный зал, в котором мне удалось побывать, напомнил мне интерьеры фантастического фильма «Сталкер». Извилистые коридоры и тоннели, набитые научным оборудованием, ведь институт физики высоких энергий наполовину под землей.

Боль института — незавершенный проект УНК (Ускорительно-накопительный комплекс), строительство которого было начато в 1983 году. Если объединить сегодняшний рабочий ускоритель У-70 с УНК, то получится комплекс не хуже именитого швейцарского коллайдера. Лихие 90-е помешали реализовать этот проект: из-за отсутствия финансирования строительство сооружения было брошено. УНК представляет кольцевой тоннель с помещениями разных размеров на глубине от 20 до 60 метров. Длина всего кольца более 21 км, по масштабам и затратам строительство УНК сравнимо разве что с кольцевой линией московского метрополитена. Астрономические финансы, затраченные на постройку, труд сотен рабочих, как и сама идея создания самого большого коллайдера СССР — забыты. В настоящее время сооружение находится на консервации. Отныне государство выделяет средства разве что на частичное поддержание удовлетворительного состояния.

Возрождение

К счастью, кризис 90-х миновал, и сегодня институт возрождается, словно Феникс из пепла. Протяженность кольцевого тоннеля с синхрофазотроном — полтора километра, что делает его самым мощным ускорителем протонов в России. Электромагниты, подогнанные друг к другу с точностью до долей миллиметра, удерживают в своем поле исследуемые частицы. В тоннеле протоны разгоняют до невероятной скорости, практически до скорости света. Столкновение с мишенью порождает вторичные частицы, свойства и конфигурация которых позволяет проникнуть в строение микромира. Но чем выше скорость в установке, тем более мелкие детали становятся доступны для анализа, при этом высокой скорости можно добиться только в мощных ускорителях длиной до 30 километров (вот почему в 80-е годы так рьяно строили УНК). К примеру, длина Большого адронного коллайдера, построенный недалеко от швейцарской Женевы, составляет 26 км.

На сегодняшний день БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч ученых и инженеров порядка из 100 стран, в том числе и ученые из Протвино. В частности, в ИФВЭ для CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям) была разработана и построена сложнейшая аппаратура. Однако вернемся к нашему отечественному ускорителю.

Весенний сеанс

Когда говорят: «в институте сеанс», — многие понимают, что начался очередной этап научных исследований в ИФВЭ. Но далеко не все осознают масштаб и значение этого, казалось бы обыденного, планового для института события. Запуск ускорителя для исследований на выведенных пучках происходит два раза в год, весной и осенью. Когда проводится сеанс, сердце института бьется, и ритм этого биения можно ощутить в вибрациях вращающихся многотонных роторов силовых установок, в гуле систем охлаждения стоек электроники, в столкновении пучков с мишенями. До тех пор, пока звучит слово «сеанс», Протвино по праву носит гордое имя наукограда. И, наконец, пока звучит слово «сеанс», все мы — россияне, имеем уникальную возможность держать руку на пульсе фундаментальной науки мирового уровня, ставящей перед собой вопросы об устройстве мироздания. Как мы отметили, «сеанс» напрямую связан с экспериментальной работой на ускорителе У-70.

Но что представляет собой ускоритель? В состав ускорительного комплекса ГНЦ ИФВЭ входят четыре установки — два линейных ускорителя (И-100, УРАЛ-30), быстрый протонный синхротрон бустер У-1.5 и уже упомянутый большой синхротрон У-70. Еще один линейный ускоритель УРАЛ-30М используется в автономном режиме и не участвует в процессе получения пучков высоких энергий. В каждом сеансе пуск установок ускорительного комплекса происходит поэтапно, «по ходу пучка». Прежде чем весь каскад ускорителей выйдет на рабочий режим и будет готов предоставить пучок для проведения физических экспериментов, проходит не менее трех недель подготовительных работ. Во время сеанса ускорители работают в круглосуточном режиме, поэтому персонал, обслуживающий их, трудится в сменном режиме. К слову, общее количество специалистов, непосредственно задействованных во время сеанса на каскаде ускорителей, на каналах транспортировки пучков частиц и экспериментальных установках, на объектах специального инженерного обеспечения (подготовка воды для систем охлаждения, энергетическое снабжение, криогенные системы), составляет примерно 500 человек. Однако фактически в проведении сеанса работы ускорительного комплекса напрямую или косвенно задействован практически весь персонал института (всего в штате около 1800 человек, для сравнения ― в советское время в институте трудилось порядка семи тысяч специалистов). Да, любопытная деталь: за сеанс ускорительный комплекс института потребляет столько же электроэнергии, сколько потребляет весь г. Протвино в зимние месяцы при пиковых нагрузках на электросеть.

Цели и задачи

Во время этого весеннего сеанса институт должен выполнить две задачи. Первая — протестировать новую систему питания. В прошлом году в ИФВЭ была проведена работа по замене основного оборудования системы питания ускорителя У-70. Необходимость этого была обусловлена главным образом физическим износом энергетического оборудования, эксплуатируемого без малого 50 лет (!). Вторая задача, которая стоит перед институтом во время проведения весеннего сеанса, — вывод пучка углерода в рамках программы Стратегии развития медицинской науки в РФ на период до 2025 года. А именно комплексные предклинические биомедицинские и физико-дозиметрические исследования пучка ионов углерода на канале 25 ускорителя У-70.

Событие по физическому выводу пучка ионов углерода с заданными радиобиологическими параметрами в биомедицинский каньон ускорительного комплекса ГНЦ ИФВЭ трудно недооценить. В настоящее время в мире насчитывается более 30 центров, которые проводят протонноионную терапию. Уже в ближайшее время ионная терапия, судя по всему, постепенно начнет вытеснять традиционное рентгеновское облучение. Основное преимущество ионной лучевой терапии в сравнении с протонной связано с радиобиологическими свойствами, позволяющими эффективно разрушать даже резистентные к традиционным видам излучения опухоли. Протонная и ионная терапии применяются в лечении таких заболеваний, как опухоли головного мозга, детская онкология, меланома глаза, онкология в области головы и шеи, печени, рак легких, гипофиза, простаты, опухоли спинного мозга, опухоли в области основания черепа. Клинические исследования показывают, что имеются показания к использованию такой терапии в лечении и других опухолей: рака мочевого пузыря, молочной железы, шейки матки, пищевода, лимфома, рака поджелудочной железы, саркомы мягких тканей.

— Ионы движутся в веществе по практически прямолинейным траекториям и останавливаются на определенной глубине. При эквивалентной дозе в области опухоли пучок углерода в отличие от протона существенно меньше задевает здоровые ткани. Как для протонных, так и для ионных пучков важным обстоятельством является то, что выделение энергии растет с глубиной, достигая Брегговского максимума, и затем резко уменьшается на расстояниях порядка миллиметра. Любое уменьшение лучевой нагрузки на здоровые ткани позволяет поднять дозу в мишени, что резко повышает вероятность локального контроля опухоли, — рассказывает Михаил Уханов.

Произошедшее событие позволит приблизить начало клинических испытаний этого способа терапии онкологических заболеваний в России и оправдать ожидания более 50 000 пациентов, которым показано такое лечение.

О кадрах

Перспективы вырисовываются у института вроде бы вполне радужные. Но все же есть одна проблема, которую многие ученые института считают основной — кадры. Средний возраст сотрудников — 54 года. Нынешняя молодежь желает больше заниматься бизнесом, увлекается гуманитарными науками, все это, безусловно, сказывается на кадрах в Институте физики высоких энергий.

— Порой из ведущих вузов страны (МГУ, МФТИ и др.) к нам приходят очень хорошие молодые люди с отличным потенциалом и стремлением к серьезной и трудной работе. С другой стороны, таких молодых специалистов немного, а по некоторым направлениям нашей работы катастрофически мало, — высказал свое мнение по этому поводу Николай Прокопенко, ученый секретарь ФГБУ ГНЦ ИФВЭ.

Младший научный сотрудник 28-летний Евгений Волков окончил серпуховский филиал МАИ (специалист по защите информации). Сюда, в Институт физики высоких энергий, пришел работать сначала ради интереса, набраться опыта, а теперь ставит перед собой более грандиозные цели, а именно, погрузиться с головой в науку.

— Нам в институте очень много давали сырых теоретических знаний, ощущения, что ты конкретно умеешь что-то делать — не было, а тут сразу много практики. Когда начальник показал установку, больше всего запомнилось, что все было непонятно и куча, куча проводов. Меня посадили за компьютер, я первый раз в жизни увидел Линукс. Включили какое-то оборудование, показали несколько команд, которые я ввел и потом в тишине ангара загудели двигатели. Очень громко… Простым нажатием клавиши я заставил двигаться огромный 13-тонный детектор, стоящий на шпалах в конкретную позицию. Для меня происходящее показалось невообразимо потрясающим. Еще одно достоинство работы в институте — это огромный спектр задач и ты можешь выбрать любую, которая тебе по вкусу. После распада Союза в 90-х финансирование ужали и остались практически одни фанаты своего дела. У этих людей особый взгляд, с ними интересно, они вызывают уважение, — делится своими впечатлениями Евгений.

Так что после этих слов убедилась, что у крупнейшего ускорительного комплекса России У-70 — большое будущее. И это не может не радовать…

Нина Стрелкова