Від складних квантових ефектів до керування нанооб'єктами. Фізика XXI століття в Україні.

Багато хто називає XX століття століттям фізики. Саме в цей період відбулися фундаментальні відкриття в області мікросвіту, які дозволили використовувати енергію ядра, створювати мікроелектроніку та унікальні джерела випромінювання: від лазерів до рентгенівських апаратів. Завдяки тісному зв'язку цих відкриттів з інтересами військової промисловості справжній бум в середині століття пережили ядерна фізика, фізика плазми та фізика лазерів. Не став винятком і Радянський Союз, який став одним з світових лідерів у цих напрямках. Завдяки своєму високому рівню радянські фізики після розпаду СРСР знайшли постійне або тимчасове місце в наукових центрах за кордоном. Багато з них не розривали старі зв'язки, що дозволило зберегти світовий рівень досліджень в деяких інститутах і університетах Росії.

З покращенням фінансування науки в 2000–2010-х роках це дозволило їм стати точками зростання, а залишившимся в Росії або вирішившим повернутися вченим зібрати сильні колективи. Фізика XXI століття відкрила нові горизонти досліджень, пов'язаних насамперед із супертонким контролем мікрооб'єктів і їх станів: наноструктуруванням, квантовою інформатикою, генерацією ультракоротких імпульсів. І ці напрямки активно розвиваються в сучасній Росії нарівні з більш традиційними.

Вглиб атомного ядра на пошуки нових частинок та не відкритих законів

Одне з головних напрямків у сучасній фізиці — дослідження речовини на рівні найфундаментальніших складових його частин — субатомних частинок. З школи ми знаємо, що всі тіла складаються з атомів, атоми з електронів і ядер, а ядра з протонів і нейтронів, однак у XX столітті фізики відкрили, що цей світ значно багатший і цікавіший. Виявилося, що протони та нейтрони складаються з ще більш дрібних частинок — кварків, які можуть об'єднуватися в інші частинки: піони, мезони, каони тощо. Але крім того існують і частинки зовсім іншого типу: практично невловимі нейтрино, що народжуються в ядерних реакціях, античастинки, які абсолютно аналогічні нашим звичайним частинкам, але мають зворотний заряд. Наприклад, якщо електрон негативно заряджений, то антиелектрон, його називають позитроном, — позитивно заряджений. Трохи пізніше були відкриті й частинки, які у всьому схожі на звичні нам, але більш важкі: так, у електрона є більш важкі побратими — мюон і тау-лептон.

Усі ці відкриття були пов'язані з винаходом і розвитком прискорювачів — пристроїв, призначених для розгону частинок до високих і надвисоких енергій. Прискорені частинки потім зіткнуться одна з одною, і в ініційованій таким чином ядерній реакції народжуються нові частинки. Чим вища енергія прискорених частинок, тим більше нових частинок можна отримати при зіткненні. Тому вчені будували прискорювачі все більших і більших розмірів. Найбільший прискорювач на даний момент — Великий адронний колайдер, побудований у Швейцарії Європейською організацією ядерних досліджень ЦЕРН. Розмір цього прискорювача, однак, настільки великий, що його будівництво не змогло б потягнути жодне державу в світі, тому в його розробці та створенні детекторів частинок для нього взяли участь більшість розвинутих країн світу, в тому числі і Росія, яка грала одну з головних ролей.

Найбільш яскравим російським досягненням в області субатомної фізики за останні роки і навіть, напевно, десятиліття стало отримання нових хімічних елементів в Об'єднаному інституті ядерних досліджень (ОИЯИ) в Дубні. Тут у 1950-ті роки Георгієм Миколайовичем Флёровим була організована Лабораторія ядерних реакцій (ЛЯР), яку після його відходу в кінці 1980-х очолив Юрій Цолакович Оганесян. Протягом десятків років ЛЯР залишалася світовим лідером в області синтезу ядер з рекордно високою кількістю протонів, тобто хімічних елементів з найбільшими номерами. До 1952 року були синтезовані елементи з номерами до 100. Зараз їх вже 118, і велика частина була отримана зусиллями співробітників ЛЯР. В знак визнання їх заслуг 105-й елемент отримав назву дубнія, 114-й — флеровія, 115-й — московія, а останній з синтезованих на даний момент 118-й у 2010 році був названий оганессоном. Це всього другий випадок в історії, коли елемент отримав назву на честь ще живої людини.

Зараз ЛЯР працює над створенням фабрики надважких елементів — мало створити нові елементи, хотілося б також і вивчити їх властивості, а для цього потрібні надійні методи їх отримання в досить великій кількості. У 2022 році вчені встановили рекорд — понад 238 синтезованих атомів надважких елементів. Вдалося навіть розпочати дослідження хімічних властивостей 112-го і 114-го елементів.

Але ОИЯИ знаменитий не тільки ЛЯР і синтезом надважких елементів. Уже більше 30 років тут працює прискорювач важких іонів «Нуклотрон». У ядрах важких іонів багато протонів і нейтронів, а отже, і кварків, з яких вони складаються. Столкнення таких ядер дозволяє вивчати не народження нових частинок, а властивості ядерної речовини. І зараз на базі цього прискорювача створюється новий ще більш потужний — NICA, який увійшов до числа шести мегасайнс-проектів, підтриманих урядом Російської Федерації. NICA, початок роботи якої очікується в найближчому майбутньому, стане унікальною установкою в світовому масштабі, на якій буде вивчатися ядерна матерія та її перетворення в сильно стиснутому стані, яке в природі зустрічається тільки в таких екзотичних космічних об'єктах, як нейтронні зірки або ядра наднових зірок.

Окрім NICA до числа мегасайнс-проектів увійшли ще кілька прискорювачів. Один з них, Супер чарм-тау фабрика, планується побудувати в Новосибірську силами Інституту ядерної фізики Сибірського відділення РАН (ИЯФ СО РАН). Це буде прискорювач електронів і позитронів, зіткнення яких і збираються тут вивчати. Головна мета проекту — отримання і детальне вивчення тау-лептонів, дуже важких «братів» електронів, відкритих ще в 1975 році, але до сих пір практично не досліджених.

Зараз