От квантовых эффектов до управления нанообъектами: физика XXI века в России.

XX век многие считают веком физики. Именно в этот период произошли ключевые открытия в области микромира, которые позволили освоить ядерную энергию, разработать микроэлектронику и создать уникальные источники излучения, такие как лазеры и рентгеновские аппараты. Тесная связь этих достижений с потребностями военной промышленности привела к буму в ядерной физике, физике плазмы и лазерной физике в середине века. Советский Союз также стал одним из мировых лидеров в этих областях. Высокий уровень советских физиков позволил им после распада СССР найти постоянные или временные рабочие места в научных центрах за границей. Многие из них поддерживали прежние связи, что способствовало сохранению мирового уровня исследований в ряде институтов и университетов России.

С улучшением финансирования науки в 2000–2010-е годы эти центры стали точками роста, а оставшиеся в России или вернувшиеся ученые смогли сформировать сильные коллективы. Физика XXI века открыла новые горизонты исследований, прежде всего в области сверхточного контроля микрообъектов и их состояний: наноструктурирование, квантовая информатика, генерация ультракоротких импульсов. Эти направления активно развиваются в современной России наряду с более традиционными.

Глубже в атомное ядро в поисках новых частиц и неоткрытых законов

Одним из основных направлений современной физики является исследование вещества на уровне его самых фундаментальных компонентов — субатомных частиц. Из школьного курса мы знаем, что все тела состоят из атомов, атомы из электронов и ядер, а ядра из протонов и нейтронов. Однако XX век принес открытия, показавшие, что этот мир намного более сложен и интересен. Протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц — кварков, которые могут объединяться в другие частицы: пионы, мезоны, каоны и так далее. Кроме того, существуют и частицы совершенно иного типа: почти неуловимые нейтрино, образующиеся в ядерных реакциях, и античастицы, которые являются аналогами обычных частиц, но имеют противоположный заряд. Например, если электрон имеет отрицательный заряд, то антиэлектрон, называемый позитроном, будет положительно заряжен. Позже были открыты частицы, которые похожи на привычные нам, но имеют большую массу: у электрона есть более тяжелые собратья — мюон и тау-лептон.

Все эти открытия стали возможны благодаря изобретению и развитию ускорителей — устройств, предназначенных для разгона частиц до высоких и сверхвысоких энергий. Ускоренные частицы сталкиваются друг с другом, и в результате таких ядерных реакций возникают новые частицы. Чем выше энергия ускоренных частиц, тем больше новых частиц образуется при столкновении. Поэтому ученые строили все более крупные ускорители. На сегодняшний день самым большим является Большой адронный коллайдер, построенный в Швейцарии Европейской организацией по ядерным исследованиям ЦЕРН. Размер этого ускорителя так велик, что ни одно государство в мире не могло бы осуществить его строительство самостоятельно, поэтому в его разработке и создании детекторов для него участвовали большинство развитых стран, включая Россию, которая сыграла одну из ключевых ролей.

Одним из самых ярких достижений России в области субатомной физики за последние годы и даже десятилетия стало открытие новых химических элементов в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. В 1950-х годах Георгий Николаевич Флёров организовал Лабораторию ядерных реакций (ЛЯР), которую после его ухода в конце 1980-х возглавил Юрий Цолакович Оганесян. На протяжении десятилетий ЛЯР оставалась мировым лидером в области синтеза ядер с рекордно высоким количеством протонов, то есть химических элементов с наибольшими номерами. К 1952 году были получены элементы с номерами до 100. В настоящее время их уже 118, и большинство из них было получено благодаря усилиям сотрудников ЛЯР. В знак признания их заслуг 105-й элемент получил название дубния, 114-й — флеровия, 115-й — московия, а последний на данный момент, 118-й элемент, был назван оганессоном в 2010 году. Это всего лишь второй случай в истории, когда элемент был назван в честь живого человека.

Сейчас ЛЯР работает над созданием фабрики сверхтяжелых элементов — важно не только создать новые элементы, но и изучить их свойства, для чего необходимы надежные методы их получения в достаточном количестве. В 2022 году ученые установили рекорд — было синтезировано более 238 атомов сверхтяжелых элементов. Удалось даже начать исследования химических свойств 112-го и 114-го элементов.

Однако ОИЯИ знаменит не только ЛЯР и синтезом сверхтяжелых элементов. Более 30 лет здесь функционирует ускоритель тяжелых ионов «Нуклотрон». В ядрах тяжелых ионов содержится много протонов и нейтронов, а значит и кварков, из которых они состоят. Столкновение таких ядер позволяет изучать не только рождение новых частиц, но и свойства ядерного вещества. В настоящее время на базе этого ускорителя создается новый, более мощный — NICA, который вошел в число шести мегасайнс-проектов, поддержанных правительством Российской Федерации. Ожидается, что NICA начнет работу в ближайшем будущем и станет уникальным объектом мирового уровня, на котором будут изучаться ядерные материи и их превращения в сильно сжатых состояниях, встречающихся в природе лишь в таких экзотических космических объектах, как нейтронные звезды или ядра сверхновых звезд.

Кроме NICA в число мегасайнс-проектов входят еще несколько ускорителей. Один из них, Супер чарм-тау фабрика, планируется построить в Новосибирске усилиями Института ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН). Это будет ускоритель электронов и позитронов, столкновения которых будут изучаться в этом проекте. Основная цель — получение и детальное изучение тау-лептонов, очень тяжелых «братьев» электронов, открытых еще в 1975 году, но до сих пор практически не исследованных.

В настоящее время в ИЯФ СО РАН действуют несколько меньших электрон-позитронных ускорителей, на которых иногда получают неожиданные результаты. Например, наблюдения за превращением сталкивающихся электрона и позитрона в другие ядерные частицы — пионы — показали, что вероятность такого превращения выше, чем измеряла другая группа. Почему так — еще предстоит разобраться. Возможно, причина кроется в каких-то пока неизвестных науке частицах.

Отдельным важным для приложений типом ускорителей являются электронные синхротроны — источники яркого рентгеновского излучения, с помощью которого можно исследовать атомную структуру материалов, биомолекулы и действующие вещества лекарств. В России нет синхротронных источников современного уровня. Крупнейший из действующих — Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) в Москве — был спроектирован еще в конце 1980-х. Поэтому одним из мегасайнс-проектов стал новый синхротронный источник СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов), строительство которого ведется в Кольцово под Новосибирском. Как и КИСИ, этот проект разрабатывается и реализуется в первую очередь усилиями ИЯФ СО РАН, ведущего российского центра в области электронных ускорителей.

Еще один крупный проект, в котором специалисты ИЯФ СО РАН играют ведущую роль, — комптоновский источник гамма-квантов с рекордной светимостью, планируемый к постройке в Национальном центре физики и математики (НЦФМ) под Саровом. Его открытие позволит изучать взаимодействие частиц света — фотонов — с атомными ядрами.

В Гатчине, в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ), который является частью Курчатовского института, планируется вскоре ввести в строй еще один мегасайнс-проект под названием ПИК. Это исследовательский ядерный реактор, предназначенный для генерации потоков нейтронов. Подобно