Что известно о российском синхротроне СКИФ

Сосновая аллея, высокие ступени - из бесчисленных институтов новосибирского Академгородка самое парадное крыльцо у Института ядерной физики, знаменитого ИЯФа. Подсветка изображает столкновение встречных пучков частиц. У входа барельеф - академик Будкер, основатель института, автор первого в мире исследования на коллайдере. В 1957-м, в год рождения Академгородка, он приехал сюда строить в тайге гигантские супермашины - коллайдеры и генераторы плазмы.

О новых институтах здесь уже полвека никто не заговаривал: прошло время титанов. Зато продолжают создавать новые мегамашины. В ИЯФ я иду расспрашивать об одной из них - будущем синхротроне СКИФ (Сибирский Кольцевой Источник Фотонов), который вот-вот начнут возводить в городе Кольцове под Новосибирском. Это один из семи объектов класса megascience, строительство которых в России предусматривает нацпроект "Наука": токамаки, ускорители, ядерные реакторы.

7 физических терминов, знание которых не повредит читателю

Ускоритель - устройство, разгоняющее с помощью электромагнитного поля поток заряженных частиц.

Коллайдер - ускоритель, в котором сталкиваются два потока частиц. Задача физиков - придать им как можно больше энергии и посмотреть, что получится в результате столкновения.

Синхротрон - ускоритель, в котором частицы движутся по кольцу в вакууме почти со скоростью света, а мощные электромагниты придают им энергию и задают траекторию движения.

Электрон - элементарная частица с отрицательным зарядом. Атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и электронных оболочек вокруг него.

Фотон - элементарная частица, не имеющая массы и заряда, мельчайшая порция (квант) света и любых других видов электромагнитного излучения.

Рентгеновское излучение - разновидность электромагнитного излучения с более высокой энергией фотонов и меньшей длиной волны, чем у света.

Сверхновая - явление, в ходе которого излучение звезды резко возрастает на несколько порядков, а потом постепенно затухает. Неизбежная часть жизненного цикла тяжёлых звёзд-гигантов.

Мечта и кошмар

Но в институте обнаруживается, что строить собираются не только установку. Совсем как во времена академика Будкера, здесь мечтают о целом новом институте. Правда, разговор начинается не с мечты.

- Иногда мне снится кошмар - что мы наконец построили СКИФ. Потрясающий, суперсовременный, с невероятными характеристиками. И все, кто работал на стареньких ускорителях здесь, в ИЯФе, ушли туда. Некому стало обслуживать коллайдеры, и не стало сибирской физики частиц.

Заместитель директора ИЯФа по научной работе, главный строитель СКИФа Евгений Левичев очень боится принести старый институт в жертву новому. Новый же неизбежно вырастет вокруг СКИФа. И чтобы он не обескровил ИЯФ, его нужно заселить новыми людьми. Физиками, которые сегодня ещё учатся в университетах, а может, даже готовятся к ЕГЭ. Только как заманить молодёжь в Сибирь? СКИФу потребуется много учёного народа, резерва Новосибирского университета точно не хватит.

- Идеальная наука - это когда учёным дают возможность заниматься тем, чем хочется, и не требуют ничего взамен. В таких условиях получаются потрясающие вещи! Но в современной науке это, к сожалению, уже невозможно. Везде давно навели скучный порядок, всё взвешено, измерено и указано в толстом отчёте. Это по-своему хорошо... Но мне кажется, что под этим грузом гибнет творческая мысль. Нам же для СКИФа больше всего нужны творческие идеи, - сетует Левичев.

Обещаю в ответ, что эту статью с призывом ехать в Академгородок прочитают студенты Москвы и других мегаполисов - и, чем чёрт не шутит, загорятся идеей. А мне рассказывают, что СКИФ сможет предложить молодым, кроме самого мебя.

Наука по-деревенски

Образец для подражания у строителей СКИФа - Швеция. Там под городом Лунд четыре года назад заработал синхротрон MAX IV. Вокруг "Макса" построили городок (шведы скромно зовут его научной деревней, science village). Там учёные живут, отдыхают, совещаются, проводят маленькие семинары и большие конференции. А ещё по-скандинавски ответственно используют энергию. Теплом, отведённым от ускорителя, греют водопроводную воду.

Эксперименты длятся неделями, иногда месяцами. За это время можно успеть перезнакомиться со всей деревней, обсудить науку, получить совет, завести связи. Если всё получится, то вокруг СКИФа вырастет что-то похожее.

Стоит отметить, что если такую зелёную деревню-институт и создавать, то именно вокруг источника синхротронного излучения, а не какой-нибудь другой научной машины. Коллайдеры, например, нужны лишь физикам-теоретикам. Детекторы нейтрино интересуют только астрофизиков и физиков частиц, реакторы - ядерщиков. А синхротрон нужен всем: от вирусологов до историков.

Самый яркий в мире фонарик

Представьте, что вы ищете иголку на полу в комнате с тусклым освещением. Трудно найти? Намного проще будет с мощным фонариком: яркий свет отразится от иголки, и по блику вы её запросто найдёте.

Синхротронное излучение как фонарик, только светит не обычным светом, а рентгеновским. В таком свете видны крошечные объекты: живые клетки и их органеллы, молекулы и даже отдельные атомы. Рентгеновские волны такие короткие, что по сравнению с ними самые мелкие частички материи кажутся большими.

Синхротронное излучение состоит в основном из рентгеновских лучей, очень мощных и сконцентрированных, - могут просветить что угодно. Чем больше рентгеновских фотонов излучается с единицы поверхности вещества, тем выше яркость излучения. Чем больше яркость, тем чётче картина и тем быстрее её можно увидеть. Так вот, в мире нет источника синхротронного излучения с яркостью больше, чем будет у СКИФа.

Сверхновая на Земле

Синхротронное излучение испускают заряженные частицы, летящие по кругу со скоростью, близкой к световой. Сами по себе частицы летают по прямой, но в магнитном поле искривляют траекторию - и на вираже отдают энергию в форме электромагнитного излучения. В природе синхротронное излучение рождается только в космических катаклизмах.

Классический пример - Крабовидная туманность, остатки взорвавшейся семь тысяч лет назад сверхновой. В центре туманности находится нейтронная звезда - объект по земным меркам совершенно безумный. Шар из самой плотной во Вселенной материи 20 километров в поперечнике бешено крутится, выплёвывая в пространство потоки частиц, которые летят почти со скоростью света. Колоссальное магнитное поле звезды искривляет их траектории и заставляет испускать синхротронное излучение.

На Земле ничего подобного не происходило до тех пор, пока учёные не начали строить кольцевые ускорители частиц. Сперва излучение было побочным продуктом работы ускорителей, которые создавали для изучения самих частиц. Но скоро стало понятно, что иметь у себя ручную сверхновую, сияющую в рентгене, очень удобно. В восьмидесятые по всему миру принялись строить специализированные источники синхротронного излучения - ускорители, предназначенные исключительно для добычи рентгеновских лучей.

Кино в рентгене

Как получить синхротронное излучение? Нужно всего лишь запустить электроны по кругу на околосветовой скорости.

- Для электрона путешествие по кольцу - это сплошные расходы, - объясняет с экрана старший научный сотрудник ИЯФа Вячеслав Каминский. Говорит он очень просто. Оно и понятно: лекция в инстаграме, для неспециалистов. В ИЯФе вообще не любят секретничать, с публикой общаются часто, журналистов запросто пускают в институт без обычных в таких местах проверок безопасности. А для тех, кто не может прийти сам, снимают популярные видео. - С синхротронным излучением энергия электрона быстро тратится. Если он будет летать долго, то скорость упадает - и больше никакого излучения. Чтобы этого избежать, вместе с поворотными магнитами вдоль кольца ускорителя расставляют мощные акселераторы - они компенсируют электронам энергетические затраты. Пока акселераторы работают, пучок электронов крутится в кольце почти со скоростью света. За секунду он успевает облететь полукилометровое кольцо сотни миллионов раз.

Пролетая мимо отходящего от кольца канала, пучок электронов отправляет туда порцию излучения - сотни миллионов раз в секунду. Ни одна кинокамера не снимает с такой частотой. Имея на конце рукава соответствующую оптику, в рентгене можно снимать не только статичные картинки, но и "кино" (правда, выглядит оно как графики с пляшущими кривыми). Такой кинематограф - важнейшее из искусств для учёных, которые хотят разобраться в неуловимо быстрых процессах. Помогла же кинокамера в своё время понять, в какой последовательности передвигает ноги скачущая лошадь! Сейчас, конечно, речь идёт о гораздо более быстрых процессах.

- Допустим, вы химик и хотите сделать новый катализатор - дожигатель, который будет превращать выхлопные газы в безвредные, - рассказывает один из разработчиков СКИФа Яков Ракшун. - Работать такому веществу придётся в заведённом моторе. Там горячо, там высокое давление и атмосфера - смесь токсичных газов. Чтобы проверить, как ваш дожигатель поведёт себя в этих условиях, вы помещаете образец в камеру, где на короткое время создаёте очень похожие условия, и направляете на камеру синхротронное излучение. Тогда вы увидите ход химической реакции, взаимодействие молекул. И всё это как в настоящем двигателе!

На СКИФе можно будет снимать рентгеновское кино в невероятном качестве. Сюжеты могут быть любыми, тут каждый исследователь сам себе режиссёр. В Академгородке уже успели на старых источниках синхротронного излучения рассмотреть такие неуловимые процессы, как сокращение мышечных клеток и взрывы. Но старых машин хватает не на всё. Так, например, в тайную жизнь вирусов можно будет заглянуть только с яркостью СКИФа.

Где еще пригодилось синхротронное излучение

▪ Внутри клетки. Синхротронное излучение позволило установить структуру рибосомы - "фабрики" живой клетки. Кстати, кристаллограф Ада Йонат, получившая за эту работу в 2009 году Нобелевскую премию по химии, приехала прочитать лекцию на Фестиваль NAUKA 0+ в этом году. На синхротронах изучают и отдельные биомолекулы: структуру 70% изученных белков "рассмотрели" именно на этих установках.

▪ Внутри опухоли. Разбивая пучок синхротронного излучения на много маленьких "иголок" толщиной в несколько тысячных миллиметра, его можно использовать, чтобы облучать раковые опухоли - так, чтобы здоровые клетки получали гораздо меньшую дозу радиации и оставались живы.

▪ На картине. В 2001 году талибы взорвали гигантские статуи Будды, украшавшие храм в афганском городе Бамиане. За развалинами обнаружились росписи VII века н. э. Анализ росписей, сделанный на французском синхротроне ESRF, показал, что их нанесли масляными красками. А ведь когда-то считалось, что масляные краски изобрёл голландский художник Ян ван Эйк, живший на семь столетий позднее древних афганских мастеров.

▪ В микрочипах. Луч синхротрона позволяет просветить микропроцессор и узнать, все ли детали собраны правильно, а ещё - не встроен ли в него секретный чип-шпион. Без синхротрона это можно сделать, лишь разобрав чип на отдельные детали, размер которых иногда не превышает нескольких нанометров.

Вирусы в движении

Синхротроны успели внести свою лепту даже в борьбу с пандемией ковида. В феврале - марте 2020 года британский синхротрон третьего поколения Diamond Light Source помог быстро расшифровать структуру поверхностного белка коронавируса SARS-CoV-2 и начать поиск лекарства, которое бы этот белок блокировало.

Исследование начали ещё раньше в Китае, но из-за эпидемии закончить не смогли и перепоручили дело британским коллегам. Те вырастили белковый кристалл и за пару недель работы на синхротроне получили его трёхмерную модель, которую затем отправили в центр разработки лекарств.

Можно было бы управиться и быстрее - львиную долю времени британские вирусологи потеряли, выращивая кристалл. Экспериментировали с соотношением белка и растворителя, температурой. Из тысяч образцов более-менее подходящими оказались только несколько. И даже это можно считать везением: некоторые белки нельзя кристаллизовать вообще, а без кристалла синхротроны прошлых поколений бесполезны.

Но только не синхротроны четвёртого поколения, только не СКИФ! По словам Александра Рыжикова, вирусолога из научного центра "Вектор", источники синхротронного излучения четвёртого поколения позволяют изучать белки и другие биомолекулы без кристаллизации. Яркий пучок рентгеновского излучения способен показать структуру вирусной частицы в нормальных условиях, а главное - показать вирус и его белки в динамике.

Кто последний на синхротрон?

На стройплощадку СКИФа журналистов пока не зовут: нечего смотреть. Сейчас там только строительная техника и времянки. Но скоро начнётся стройка - будут вбивать мощные сваи для фундамента. Он должен быть очень устойчивым, ведь любое колебание изменит траекторию электронов, и эксперимент пойдёт наперекосяк.

- Приборы у синхротронов такие чувствительные, что регистрируют любые сотрясения в радиусе десятков километров. Недалеко от СКИФа проходит железная дорога - мы легко сможем по своим данным узнать расписание электричек. От этого не спастись, поэтому придётся делать поправки на поезда, грузовики и погоду, - рассказывает Левичев.

Пока в ИЯФе готовили проект ускорителя и расставляли сооружения на плане, на СКИФ успела выстроиться длинная очередь. Источников синхротронного излучения очень не хватает. В России есть всего два места, куда можно приехать поработать на синхротроне: это подмосковная Дубна и Академгородок. На огромную страну этого мало, и российские учёные ездят за рубеж.

Но и в мире таких установок маловато, всего несколько десятков. Рабочее время на них расписано на год вперёд. Да и шанс занять место в очереди мал, особенно у начинающих учёных, которые пока плохо знакомы с нюансами научной бюрократии. К тому же не так-то много времени выделяют нашим учёным на заграничных синхротронах. И хорошо еще, если вы собираетесь изучать, например, горную породу. А если вы биолог и везёте нежные или опасные препараты? Тогда вам предстоит ещё и масса приключений в международных аэропортах.

Поэтому рождения СКИФа ждет множество народа. Случайные знакомые в Академгородке, чуть заходит разговор, тут же припоминают друзей, которые бы с радостью поставили там эксперимент. И в компании фитогенетиков я встречаю радостный отклик - кто-то из них собирается посмотреть рентгеновское кино о том, как соки путешествуют по стеблям…

Только вот археологи или ботаники, с нетерпением ожидающие запуска СКИФа, вряд ли найдут время, чтобы разобраться в тонкостях работы синхротрона. Одних только методов использования излучения существует несколько десятков, и в каждом своя математика. Одни лучше подходят для съёмки взрывов, другие - для изучения структуры белков, третьи - для пока не поставленных задач. Знать все нюансы и постоянно придумывать новые станет задачей физиков-синхротронщиков. Тех, которым ещё предстоит здесь работать.

Археологический детектив

Даже старые, неспециализированные источники излучения в ИЯФе успели принести науке пользу, иногда в самых неожиданных местах. Однажды они, например, помогли алтайским археологам разгадать загадку двухтысячелетней давности. В то время на Алтае жили люди, умевшие ткать ковры, плавить железо и хоронившие своих мёртвых под высокими курганами. Они известны как люди пазырыкской культуры. В одном из курганных комплексов археологи обнаружили захоронения людей, умиравших подозрительно рано - раньше, чем их соседи. Что было причиной, историки не догадывались, пока не обратились в ИЯФ.

В институте с помощью синхротронного излучения исследовали химический состав останков. Оказалось, что в волосах некоторых людей из курганов было аномально много меди. В волосах детей и собачьей шерсти она содержалась в нормальных количествах, и только у взрослых меди было опасно много. Медь и навела историков на догадку. Взрослые представители пазырыкской культуры проводили особые ритуалы - воскуривали в медных чашах травы и дышали дымом. Соединения меди через лёгкие попадали в организм, копились и с годами всё сильнее разрушали его.

P. S.: Сестра, здесь белки!

Этот текст я написала не только для "Кота Шрёдингера", но и для моей младшей сестры. Она учится на третьем курсе МФТИ и пока не знает, какой областью науки ей выпадет заниматься. Лера, твоя светлая голова может пригодиться здесь! Тут сосны и рыжие белки, а памятники ставят учёным и зверям. Говорят, что тут слишком много работы… Но иногда это не так уж и плохо.