Павел Логачёв: от ядерной физики к границам неизвестного
Тезисы доклада доктора физико-математических наук, члена-корреспондента РАН, директора ИЯФ СО РАН Павла Владимировича Логачёва на Общем собрании СО РАН 18 марта 2016 года
Фундаментальные эксперименты в области физики и астрофизики частиц определяют сегодня наши научные представления о мире и лежат в основе как уже признанных, так и только создаваемых физических теорий. Поэтому особенно важным становится поиск явлений и эффектов, выходящих за рамки существующих представлений. Именно они позволят сформулировать принципиально новые постулаты, которые и лягут в основу новых теорий.
Так, на рубеже XIX и XX веков на основании факта существования предельной скорости передачи взаимодействий (скорость света) родилась специальная теория относительности с релятивистскими преобразованиями координат пространства-времени. При последующем создании релятивистской теории гравитации было осознано фундаментальное отличие электромагнитного и гравитационного взаимодействия, заключающееся в том, что последнее изменяет геометрию 4-х мерного пространства-времени. Начало XX века ознаменовано погружением в физику микромира и созданием квантовой механики, основанной на корпускулярно-волновом дуализме, фундаментальном соотношении неопределенностей, понятиях тождественности и спина частиц. Это в действительности были новые теории, основанные на совершенно необычных для того времени экспериментальных фактах. Вторая половина XX века связана с бурным развитием как комплекса физических теорий, объясняющих взаимодействие элементарных частиц во всем доступном человеку диапазоне энергий, так и теории возникновения и развития нашей Вселенной. Именно основные идеи квантовой механики и специальной теории относительности привели к созданию релятивистской квантовой теории (квантовой теории поля), положенной в основу Стандартной Модели.
Так сложилось, что основной массив экспериментальных данных, на базе которого создавалась Стандартная Модель, был получен именно при помощи метода встречных пучков, в создание и развитие которого ИЯФ СО АН внес определяющий вклад. Эти эксперименты требуют не только значительных ресурсов, но и – в большей степени – создания совершенно новых областей науки и технологии. Кроме того, в ходе этих экспериментов рождаются новые физические методы исследований в самых разных науках. Именно благодаря коллайдерам появились такие научные и прикладные направления, как использование синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах, ядерная медицина, электронное охлаждение, ускорительная масс-спектрометрия, промышленные и технологические ускорители. Все это в последние 30 лет стало неотъемлемой частью деятельности ИЯФ СО РАН. К примеру, у нас был разработан и изготовлен источник синхротронного излучения «Сибирь-2» для Курчатовского института, создан и активно используется в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения, Сибирском центре фотохимических исследований уникальный лазер на свободных электронах. ИЯФ СО РАН разработал и изготовил для Большого адронного коллайдера больше оборудования, чем все другие организации в России. Около 6% всех промышленных ускорителей в мире сделаны в ИЯФ СО РАН. Технологии, разработанные в ИЯФ СО РАН для встречных пучков, позволили спроектировать и приступить к созданию перспективного рентгенографического комплекса с рекордными параметрами для Российского федерального ядерного центра ВНИИТФ, создать целую линейку уникальных электронных пушек для электронно-лучевых технологий, незаменимых на многих предприятиях ОПК России. На базе ускорителей ИЯФ СО РАН сегодня действует несколько центров коллективного пользования, на которых работают сотрудники многих институтов СО РАН, российских и зарубежных организаций. Все это было бы невозможным без уникального, глубоко интегрированного в исследовательскую систему Института экспериментального производства, которое обеспечивает в рамках одной организации полный цикл – от оригинальной физической идеи до создания готового работающего прибора.
Работа на переднем крае фундаментальной физики на протяжении последних 50 лет сформировала в Институте единый коллектив, объединивший все четыре наших научных направления: физику элементарных частиц, физику ускорителей, физику синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах, физику плазмы и УТС. В этой связи не удивителен и тот факт, что ИЯФ СО РАН – единственная лаборатория в мире, где с 1968 года постоянно работает хотя бы один коллайдер. Сегодня в Институте работают два коллайдера из шести, действующих в мире, включая Большой адронный коллайдер. Развитие и успешная работа наших коллайдеров, равно как и наше значительное участие во всех крупных зарубежных экспериментах говорит о том, что у нас действует одна из сильнейших в мире научных школ, способная внести заметный вклад как в экспериментальную физику элементарных частиц, так и во многие другие направления науки и технологии.
Недавние выдающиеся эксперименты по открытию бозона Хиггса и обнаружению гравитационных волн не дали напрямую новых физических идей, а стали давно ожидавшимся подтверждением наших представлений о структуре электрослабого взаимодействия и гравитации. Тем не менее, они позволили более конкретно поставить вопросы о глубокой природе понятий массы и гравитации, тесно связанных с нашим представлением о пространстве-времени. Сегодня можно уверенно говорить о том, что принципиальный прорыв в сфере понимания физического мира будет связан с раскрытием внутренней природы элементарных частиц, наверняка определяемой более сложной структурой пространства-времени, и с созданием квантовой теории гравитации. Но для этого нужны новые данные в колоссальном и практически недоступном нам сегодня напрямую диапазоне энергий (от 104 до 1019 ГэВ) и расстояний (от 10-19 до 10-33 см). Даже супер-коллайдер размером с Землю не дотягивает одиннадцати порядков до нужной максимальной энергии. Однако неизвестные частицы и физические закономерности могут проявить себя на более низких энергиях в крайне редких событиях. И это есть второе направление в экспериментах на коллайдерах: создание нового поколения супер-интенсивных электрон-позитронных фабрик, имеющих предельную производительность, для изучения крайне редких процессов, выходящих за рамки Стандартной Модели. Проект такого коллайдера разработан сегодня в ИЯФ СО РАН (Супер Чарм-Тау фабрика). Уже сегодня ясно, что создание в России Супер Чарм-Тау фабрики позволит не только выйти на самые передовые рубежи фундаментальных физических исследований, но и реализовать в нашей стране критически важные в ближайшей перспективе технологии: применение сверхпроводимости, создание новых быстрых и эффективных сцинтилляторов и фоторегистраторов. Нет никаких сомнений, что эти технологии очень быстро найдут применение в микроэлектронной промышленности и в ядерной медицине.
Ярким примером тесной связи космологических наблюдений и экспериментов в области физики элементарных частиц является исследование темной материи. Хотя космологические наблюдения дают нам однозначное указание на существование темной материи, только лабораторные исследования позволят нам раскрыть природу темной материи (структуру и взаимодействия частиц, составляющих темную материю). Методики таких экспериментов успешно разрабатываются в ИЯФ СО РАН совместно с НГУ, что является хорошим примером становления науки мирового класса в нашем университете.
Реализация таких уникальных проектов требует большого количества научных и инженерно-технических кадров, которые готовит ИЯФ СО РАН вместе с НГУ и НГТУ, обеспечивая преемственность в развитии научных школ. Работа с ведущими новосибирскими университетами всегда была очень важным для Института делом, в которое мы вносили новые идеи и подходы, так будет и дальше. Сегодня, помимо традиционной подготовки исследователей, очень важно сделать акцент на подготовке инженеров и технических специалистов высочайшего класса.
Физика пучков заряженных частиц развивалась в ИЯФ СО РАН рука об руку с физикой плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Успехи первого направления шли рядом с успехами второго, а соответствующие научные сообщества всегда помогали друг другу и усиливали друг друга. В последнее десятилетие наблюдается существенный прогресс в параметрах плазмы на открытых магнитных ловушках ИЯФ СО РАН. Этот прорыв стал возможным в результате развития в Институте технологий мощных ионных пучков для нагрева плазмы, а также высокопроизводительных систем вакуумной откачки. Дальнейший прогресс в параметрах открытых ловушек позволит значительно ближе подойти к созданию термоядерного реактора на малонейтронном топливе. Успехи в термоядерных технологиях позволили ИЯФ СО РАН успешно начать работу с собственным прототипом компактного ускорительного источника нейтронов для исследований по бор-нейтронзахватной терапии рака.
В заключении отмечу главное кредо ИЯФ СО РАН: ведущее участие в сложнейших фундаментальных научных экспериментах, основанное на оригинальных физических идеях, собственном уникальном научно-производственном комплексе и на создании новых высоких технологий.