Теория Большого взрыва: как российский мегасайенс помогает разгадать тайны Вселенной

Научно-техническая революция, произошедшая благодаря буму исследований прошлого века, привела к появлению технологий, качественно изменивших жизнь людей. Однако не меньше, чем создание материальных благ, ученых интересует поиск ключей к пониманию существующей картины мира. Узнать больше о тайнах Вселенной специалисты активно стремятся и в XXI веке. Внимание к этим фундаментальным вопросам проявляют исследователи из разных государств, включая Россию. Как в РФ развивают мегасайенс-проекты и какую пользу они принесут для страны и мира — в материале «Известий». Ключ к пониманию Вселенной В активной исследовательской деятельности отечественных ученых сегодня заметно выделяются два мегасайенс-проекта — комплекс NICA в Дубне и Байкальский нейтринный телескоп. Оба они направлены на изучение процессов, происходящих в космическом пространстве. Просто первый позволяет заглянуть в прошлое, узнав больше о рождении Вселенной, а второй дает возможность исследовать уникальные частицы из далекого космоса, долетающие до Земли в настоящем. По современным представлениям ученых, существующая в нашей Вселенной материя бывает обычной и темной. Первая, которую также называют барионной, состоит из атомов, а они, в свою очередь, — из ядер и электронов. Основа атомных ядер — протоны и нейтроны, состоящие из кварков и глюонов. Поэтому последние фактически являются «кирпичиками», из которых создано всё, что существует в мире. Однако изучить их не так просто: сейчас эти вещества находятся в «зацементированном» состоянии. Ученые полагают, что миллиарды лет назад, спустя одну миллионную долю секунды после Большого взрыва, кварки и глюоны находились в свободном состоянии из-за огромных температур и плотности материи, образуя кварк-глюонную плазму. Знания о процессе ее трансформации в барионную материю до сих пор являются скорее теорией, для подтверждения которой ученые пытаются повторить процесс эволюции Вселенной в лабораторных условиях. Помочь в воссоздании кварк-глюонной плазмы призван российский мегапроект «Комплекс NICA». Лежащую в его основе технологию в каком-то смысле можно сравнить с машиной времени, поскольку она в перспективе позволит заглянуть в прошлое, чтобы узнать больше о появлении нашего мира. Комплексный взгляд в прошлое Впервые мегапроект «Комплекс NICA» был представлен на заседании правительственной комиссии по инновациям и высоким технологиям еще в июле 2011 года. В число мегасайенс-проектов, потенциально перспективных для реализации в России, его отобрали из 28 предложений. Созданием комплекса по заказу Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) занимается Лаборатория физики высоких энергий. Участие также принимают различные подрядные организации и международные коллаборации. Ключевой частью мегапроекта NICA является сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов. Его основная задача — изучение барионной материи. В мире в настоящий момент существует всего несколько коллайдеров, и каждый из них уникален, потому что имеет свое назначение. Например, от знаменитого Большого адронного коллайдера (БАК) российский ускоритель отличается весьма существенно. БАК позволяет заниматься поиском новых частиц и изучением ультрагорячей материи, в то время как коллайдер NICA ориентирован на изучение ультраплотной материи, фазовых переходов и структуры ядерного вещества. Фундаментальная физика редко дает быстрые результаты, поэтому коллайдер комплекса NICA ввели в эксплуатацию лишь спустя 10 лет после начала строительства, стартовавшего в 2013 году. Технический пуск был успешно проведен в июне 2024 года, доказав надежность систем установки. Уже в апреле 2026 года ускоритель вышел на проектные параметры. Однако в комплекс NICA входит не только коллайдер. Общая площадь комплекса, предназначенная для расстановки оборудования, организации опытных и технологических участков, экспериментальных зон, вычислительных мощностей и размещения персонала, превышает 84 тыс. кв. м. И на ней располагаются также несколько других ускорителей, также необходимых для исследований. Теория и практика Значимость проекта NICA состоит в том, что он обладает высокой многофункциональностью, оказываясь полезным не только для чистой физики, но и для прикладных исследований. В частности, специалисты уже сейчас занимаются с помощью его технологий облучением биологических образцов, материалов для микроэлектроники и медицинских фантомов (модели частей тела человека, имитирующие ткани и органы). Результаты этих экспериментов будут полезны в радиационной биологии, при разработке новых материалов, тестировании электроники, предназначенной для экстремальных условий, и даже при переработке опасных радиоактивных отходов. Важное значение реализация мегапроекта имеет и с точки зрения укрепления международного сотрудничества. Комплекс NICA можно назвать мостом для налаживания связи с другими государствами даже в условиях геополитической турбулентности. Изучение физики Вселенной объединяет исследователей из разных стран, включая Китай, Индию, государства Латинской Америки, ОАЭ, а также европейских специалистов. На базе комплекса NICA уже сейчас трудятся ученые из нескольких десятков зарубежных институтов. Ожидается, что инновационные и прикладные работы в будущем привлекут в ОИЯИ еще больше коллективов иностранных специалистов, способных решать широкий спектр задач. Вне зоны видимости Еще одним российским мегапроектом, направленным на изучение Вселенной, является Байкальский нейтринный телескоп (Baikal-GVD). Он, как следует из названия, помогает изучать нейтрино, считающиеся сегодня наиболее интригующими среди всех известных элементарных частиц. Нейтрино являются уникальным носителем информации о процессах, протекающих в далеком космосе. Дело в том, что межзвездное пространство в центре Млечного Пути заполнено плотными облаками пыли и газа, в которых обычный свет и радиоволны вязнут. Для нейтрино, сверхслабо взаимодействующих с веществом, подобных преград не существует, рассказывает «Известиям» директор НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета Андрей Танаев. — Нейтрино способны беспрепятственно пролететь сквозь плотные газовые облака, кроме того, будучи еще и нейтральными частицами, они не отклоняются внутригалактическими магнитными полями. По сути, это идеальные космические курьеры, — разъясняет он. Однако увидеть нейтрино созданными людьми приборами, предназначенными для регистрации заряженных частиц, невозможно. На помощь еще в прошлом веке пришли нейтринные телескопы — специальные устройства, которые позволяют фиксировать возникающее при взаимодействии нейтрино друг с другом черенковское свечение. Впервые идею об использовании глубоких природных водоемов для детектирования нейтрино еще в 1960 году высказал физик-теоретик Моисей Марков, предположивший, что свет от каскада заряженных частиц, возникающих при взаимодействии нейтрино, возможно зафиксировать в воде. Проверка этой гипотезы, однако, на практике оказалась непростой и весьма дорогостоящей, поэтому первую попытку реализовать подобный проект в 1970-е предприняли не в СССР, а в США. Успеха американцам, правда, достичь не удалось. Зато в Советском Союзе физик-экспериментатор Александр Чудаков, вернувшись к идее Маркова спустя 20 лет, предложил использовать в качестве водоема для исследования озеро Байкал, обладающее высокой прозрачностью пресных глубинных вод, достаточной глубиной и наличием прочного ледового покрова, позволяющего вести с него монтаж глубоководной аппаратуры. В том же 1980 году в СССР появилась нейтринная лаборатория астрофизики высоких энергий, спустя год начавшая работу с детекторами под водой. Первые три гирлянды будущего байкальского нейтринного телескопа погрузили в озеро в 1993-м. И довольно быстро с их помощью удалось впервые детектировать нейтрино, что стало прорывом для всего мирового сообщества. К 1998 году завершенный телескоп, считающийся первой очередью Baikal-GVD, состоял из восьми 72-метровых гирлянд, имеющих 192 детектора. При этом проектирование второй очереди завершили уже в современной России, к 2010 году. А в апреле 2015-го в демонстрационном кластере «Дубна» представили 345-метровые гирлянды. В течение следующих трех лет были размещены три базовых кластера телескопа. К 2021-му их количество достигло восьми, что довело рабочий объем телескопа до 0,4 кубометров. Сейчас, по словам Андрея Танаева, в строй введены 16 рабочих кластеров, что превратило установку в крупнейший нейтринный детектор в Северном полушарии, уступающий по объемам только нейтринному телескопу IceCube, расположенному в Арктике. Несмотря на то что нейтринный телескоп на Байкале начал работать довольно давно, установка по-прежнему функционирует не в полную силу. Сетку Baikal-GVD в будущем хотят увеличить до половины кубического метра, что позволит ему обогнать IceCube по масштабам. Эволюция технологии Строение и принцип работы Байкальского нейтринного телескопа до сих пор остаются неизменными. Главные новшества последних лет коснулись технологической составляющей. Проект Baikal-GVD, как считает Андрей Танаев, — это колоссальный вызов для российских инженеров. Аппаратура телескопа, работающая на глубине до 1350 м, подвергается постоянному сильному давлению, доходящему до 130 атмосфер. При этом приборы, находящиеся в ледяной воде, должны десятилетиями сохранять абсолютную герметичность. Необходимость решить эти задачи, по словам физика, стимулировала появление ряда импортозамещающих и уникальных отечественных разработок, среди которых он называет магнитные экраны, защищающие высокочувствительные фотоумножители внутри глубоководных модулей от воздействия магнитного поля Земли, электронные платы и блоки сбора данных, обладающие наносекундным временным разрешением и низким энергопотреблением при экстремальных температурах, глубоководные полупроводниковые лазеры, необходимые для проведения калибровки оптических каналов прямо под водой, глубоководные кабельные муфты и разводку, представляющие собой устойчивые к давлению соединительные корпуса наконечников магистральных оптоэлектрических кабелей, а также гидроакустические системы позиционирования, которые позволяют в реальном времени с точностью до 10 см определять координаты каждого оптического модуля. В дальнейшем применение всем этим технологиям возможно найти и в других отраслях — от океанологии и нефтегазовой промышленности до оборонной отрасли. Кроме того, уникальность приборной базы превратила телескоп в мощнейший инструмент междисциплинарных исследований, уже приносящий практическую пользу, утверждает Андрей Танаев. В первую очередь речь идет о применении установки для экологического мониторинга. — Наши детекторы постоянно мониторят физические свойства воды. Изучаются гидрологические параметры озера: температура, течения, прозрачность. Baikal-GVD — это, по сути, огромная обсерватория состояния Байкала. А Байкал содержит 20% мировых запасов пресной воды. Данные о его состоянии — вопрос национальной безопасности, — подчеркивает собеседник «Известий». Экономика прорыва Высокие ставки на Baikal-GVD делают и российские власти. Например, министр науки и высшего образования России Валерий Фальков ранее отмечал, что проект имеет значимость не только из-за пользы для фундаментальной науки, но и с точки зрения мультипликативного эффекта, который он окажет на развитие региона. Каждый рубль, вложенный в установку класса «мегасайенс», возвращается в экономику в кратном объеме, подтверждает Андрей Танаев. Хотя прямой экономический эффект от нейтринного телескопа, в отличие от мультипликативного, измерить сложно. Самая очевидная польза, которую приносит технология, — создание новых рабочих мест. — В ежегодных зимних экспедициях на Байкале участвуют более 70 человек. Это инженеры, физики, гидрологи, IT-специалисты, водолазы, логисты. И все они живут и работают в России, многие — в Иркутской области, где платят налоги, — обращает внимание эксперт. Реализация проекта существенно влияет и на развитие инфраструктуры региона, дополняет он. Недостаточно просто создать научный объект, необходимо также обеспечить транспортную логистику, связь, энергосбережение и т. д. Каждый рубль, вложенный в инфраструктуру, дает как минимум рубль-полтора в смежных отраслях, утверждает специалист. Однако самым важным эффектом ученый считает развитие интеллектуального капитала. Эксплуатацией Baikal-GVD исторически занимается коллаборация «Байкал», в которую входят крупные институты и университеты, включая Объединенный институт ядерных исследований, Институт ядерных исследований РАН, Иркутский государственный университет, МГУ им. М.В. Ломоносова и др. Поэтому проект привлекает в регион талантливую молодежь, что способствует развитию научной школы и повышает престиж регионального образования. При этом коллаборация в рамках проекта Байкальского нейтринного телескопа с самого начала была международной, напоминает Андрей Танаев. В разные годы в нем принимали участие специалисты из различных стран, включая Германию, Чехию, Францию и др. География этого сотрудничества, по словам эксперта, продолжает расширяться. Например, серьезный интерес к проекту проявляют специалисты из Института физики высоких энергий Китайской академии наук. Фундаментальная физика, по мнению ученого, в целом является сферой, где границы стираются. Обмен научными данными и координация наблюдений не прекращаются, несмотря на сложную геополитическую обстановку. — Результаты наших измерений признаются мировым сообществом, регулярно публикуются в ведущих международных журналах, таких как Physical Review и The Astrophysical Journal. Ученые со всего мира продолжают участвовать в анализе байкальских нейтрино, поскольку без данных Baikal-GVD невозможно получить полную «нейтринную карту» неба, — утверждает собеседник редакции. А на пространстве БРИКС+, как считает он, проект Baikal-GVD и вовсе является одним из научно-технологических флагманов. За счет уникальных природных свойств Байкала и накопленных за предшествующие годы компетенций Россия выступает не просто участником, а лидером и ключевым технологическим донором мегапроектов будущего. — Наличие на нашей территории столь масштабной и успешно работающей установки — это весомый научно-политический аргумент, подтверждающий статус России как великой научной державы, способной объединять вокруг себя лучшие умы планеты, — подчеркивает Андрей Танаев. Об этом пишет сайт Известия.