Николай Топилин: «Конкуренции между коллайдерами нет»

Главный конструктор проекта российского коллайдера NICA Николай Топилин рассказал «Новому проспекту» о том, для чего в России строится этот прибор и какой вклад он внесет в мировую науку, а также какое практическое применение будет у проведенных на коллайдере исследований.

На этой неделе порт «Бронка» провел уникальную операцию — перегрузку сверхпроводящего соленоида многоцелевого детектора MPD, который специалисты называют сердцем российского коллайдера NICA.

  Соленоид, который неспециалисты называют магнитом, произведен в Италии по техническому заданию российских ученых и в течение 10 дней будет переправлен водными путями в наукоград Дубна в Московской области, в Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ), который занимается созданием коллайдера.
Вес соленоида — 71 т, а общая масса перегруженной в порту «Бронка» детали коллайдера с упаковкой достигла 125 т. Грузовая операция производилась самым мощным в мире портовым краном Liebherr LHM 800 грузоподъемностью 302 т, по данным компании «Бронка Групп».

Существует Большой адронный коллайдер (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, ЦЕРН) около Женевы. Для чего нужен наш, российский коллайдер?

— Коллайдер в ЦЕРН, по сути, создан для того, чтобы подтвердить существование бозона Хиггса, который является одной из самых маленьких элементарных частиц. Чем крупнее объект (длина основного кольца ускорителя БАК — 27 км), тем более мелкие частицы он изучает.

  Ускорительный комплекс NICA будет изучать материю на более низких энергиях, нежели Большой адронный коллайдер. Наш коллайдер будет изучать структуру Вселенной примерно на десятой микросекунде после Большого взрыва, произошедшего около 13 млрд лет назад. По сути, мы будем исследовать плотную барионную материю, а также фазовые переходы кварко-глюонной фазы.

Как работает коллайдер и что он из себя представляет?

— В готовом виде NICA — это многоступенчатый каскад ускорителей. Перед тем как попасть в главное кольцо коллайдера, ионы предварительно разгоняются в других блоках установки. Затем происходит столкновение встречных пучков ионов, продукты распадов от столкновения регистрируют детекторы.

А почему нельзя такие же исследования проводить на уже работающем коллайдере в ЦЕРНе?

— Дело в том, что эти устройства решают разные задачи. Кроме того, можно провести такую аналогию: если, например, вам для обустройства небольшого огорода нужна машина песка, вы же не будете для этих целей заказывать карьерный самосвал, а закажете небольшую машину. Так и здесь. Для того чтобы понять, как происходят определенные процессы, далеко не всегда нужно использовать большое количество энергии. Академик РАН Алексей Сисакян приводил такой пример: если вы плеснете кружку воды на раскаленные камни, вы увидите, что была вода, появился пар. Но если вы начнете медленно и постепенно нагревать воду, вы увидите, какие процессы происходят в воде при нагревании: образование, схлопывание пузырьков и другие процессы, предшествующие кипению и образованию пара. В ускорительном комплексе NICA планируется изучать фазовые переходы материи: конкретно плазму, появившуюся в первые доли секунды после Большого взрыва, а для этого нужны пучки ионов сильно меньших энергий, чем на БАКе.

Расскажите, пожалуйста, о размере коллайдера NICA, его стоимости и сроках строительства.

— Стоимость соленоида MPD (тот самый магнит. — Прим. «НП») — около $17 млн. Стоимость всей установки около 5 лет назад, по нашим подсчетам, составляла около $147 млн. Сейчас цена, конечно, выросла, поскольку идет время, процессы инфляции, удорожание цен на материалы, поэтому точную цену сейчас сложно назвать.

  Длина укорительного кольца нашего коллайдера около 500 м. Пока это самый маленький из всех строящихся коллайдеров в мире. Зато сроки его ввода не за горами — в начале 2022 года ожидается запуск ускорителя. У нас есть ряд проблем в строительстве, нехватка кадров, но думаю, что мы уложимся в обозначенные сроки. Производство тяжелое — это же первый опыт в мире. Ничего, что строительство затягивается. Например, тот же БАК планировали запустить в 2005 году, а заработал он в 2008 году. 

Какие все-таки возникали проблемы при строительстве нашего коллайдера?

— Были сложности технического характера, которые не зависели от действий нашего института. Например, одна из основных деталей магнита, так называемое ярмо, производил завод в Чехии. Мы заключили контракт в 2015 году, а в 2017 году чешский завод обанкротился, производство остановилось. Мы искали альтернативный вариант завершения изготовления ярма в России, но возник ряд сложностей. Например, для того чтобы провести опись всех деталей ярма (а это 800 т стали), потребовался бы как минимум год. К счастью, новое руководство чешского завода дало нам гарантию, что изготовление ярма завершат в 2018 году, и выполнило свое обещание в срок. 

Насколько я знаю, коллайдер, похожий на российский, планируют построить в Дармштадте, в Германии. 

— Да, и германский коллайдер FAIR будет работать примерно на таких же энергиях и изучать фактически те же процессы, что и наша NICA. Но сроки ввода установки в Дармштадте другие — чуть позже.

Не будет ли у вас конкуренции с коллайдером FAIR?

— Наоборот, мы планируем плотно сотрудничать! Например, при получении одних и тех же результатов исследований мы будем понимать, что да, вот примерно так и развивалась Вселенная через несколько секунд после Большого взрыва. А если результаты не совпадут, это уже гораздо хуже, тогда непонятно, где ошиблись теоретики, расчеты которых и призваны подтвердить или опровергнуть коллайдеры. 

  Могу добавить, что не будет конкуренции и между коллайдерами, которые изучают разные виды частиц. Ведь в конечном счете все подобные установки составляют и изучают общие, базовые законы мироздания.

Может ли быть какое-либо практическое применение работы коллайдера NICA помимо вклада в фундаментальную науку?

— Да, может. При проектировании нового ускорительного комплекса изучаются вопросы создания высокотемпературных проводников, создание в лабораторных условиях сверхглубокого вакуума.
Кроме того, мы рассчитываем на вклад работы коллайдера в развитие протонной терапии, которая используется для лечения онкологических заболеваний. Работа по программе «Энергия трансмутации» поможет создать устройства, которые позволят перерабатывать ядерные отходы и делать их безвредными, а полученную в результате переработки энергию использовать, так сказать, по назначению.

Работа коллайдера будет полезна и для тех, кто работает в космосе. Как мы знаем, в космосе есть радиация, опасная для всех живых организмов. Люди на МКС защищены от этой радиации магнитным полем Земли. А вот при путешествии к Марсу космонавты будут лишены такой защиты примерно полтора года. Пока непонятно, как можно в принципе уберечь космонавтов от космической радиации, какая требуется защита и так далее. Для этого нужны эксперименты, в которых космический радиационный фон будет имитироваться потоком заряженных частиц, созданных на ускорителе коллайдера NICA.

Мы говорили о том, что так называемое сердце коллайдера — его магнит — скоро будет доставлен к месту строительства. Какие еще важные детали осталось сделать и где они будут производиться?

— В России, то есть в нашем институте, мы сами спроектировали и изготавливаем сверхпроводящие магниты, у нас открыт свой завод по выпуску этих устройств. 160 подобных магнитов мы планируем поставить для коллайдера FAIR в Германии.

Николай Дмитриевич, расскажите, пожалуйста, где и какие еще коллайдеры планируется построить в мире, насколько они будут крупными и как выбирается территория для их строительства — ведь нужны очень большие площади.

— Во Франции, в ЦЕРНе, планируется построить еще один крупный коллайдер — FCC, диаметр кольца которого составит от 80 до 100 км. Его планируется расположить под землей — под Женевским озером и частично под Альпами. Есть планы по строительству коллайдеров у США и Китая. Добавьте сюда коллайдеры в Дубне и в Германии.
Коллайдер в Дубне — устройство наземного залегания, он будет расположен на поверхности земли, нулевая отметка которого находится на высоте 118 м над уровнем Балтийского моря. Весь коллайдер размещается на производственной площадке лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. Вблизи коллайдера планируется построить специализированное офисное помещение с конференц-залом для комфортной работы всех научных сотрудников, вовлеченных в проект.

Справка «Нового проспекта»:

Николай Топилин — заместитель главного инженера лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований. Он участвовал в таких проектах, как эксперимент SDC на сверхпроводящем суперколлайдере в Далласе (США), в проекте ATLAS на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Женева). Является главным конструктором проекта NICA.
Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) создана в 1956 году и базируется в Дубне, в Московской области. Это сообщество объединяет 18 государств, в том числе Кубу Вьетнам, Чехию, Польшу. Ассоциированными членами ОИЯИ являются Италия и Германия.

Фото: Александр Полунин