Теория Большого взрыва: как российский мегасайенс помогает раскрывать тайны Вселенной

Научно-техническая революция, произошедшая благодаря бурному развитию исследований в прошлом веке, привела к созданию технологий, которые коренным образом изменили жизнь людей. Однако ученых также интересует поиск ответов на вопросы о существующей картине мира. В XXI веке исследователи продолжают активно стремиться разгадать тайны Вселенной, и внимание к этим фундаментальным вопросам проявляют ученые из разных стран, включая Россию. В материале «Известий» рассматривается, как в России развиваются мегасайенс-проекты и какую пользу они могут принести для страны и мира. Об этом пишет Известия.

Ключ к пониманию Вселенной

В исследовательской деятельности российских ученых выделяются два мегасайенс-проекта: комплекс NICA в Дубне и Байкальский нейтринный телескоп. Первый из них позволяет заглянуть в прошлое, изучая рождение Вселенной, а второй — исследовать уникальные частицы из далекого космоса, которые достигают Земли в настоящее время.

Согласно современным представлениям, материя во Вселенной делится на обычную и темную. Обычная материя, или барионная, состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из ядер и электронов. Атомные ядра образованы протонами и нейтронами, состоящими из кварков и глюонов.

Эти частицы являются основными «кирпичиками» всего существующего. Однако их изучение представляет собой сложную задачу, так как они находятся в «зацементированном» состоянии. Ученые предполагают, что миллиарды лет назад, спустя одну миллионную долю секунды после Большого взрыва, кварки и глюоны находились в свободном состоянии из-за высоких температур и плотности материи, образуя кварк-глюонную плазму. Знания о процессе ее превращения в барионную материю остаются теорией, и ученые пытаются воспроизвести этот процесс в лабораторных условиях.

Российский мегапроект «Комплекс NICA» призван помочь в воссоздании кварк-глюонной плазмы. Его технологии можно сравнить с машиной времени, поскольку они позволят заглянуть в прошлое и узнать больше о возникновении нашего мира.

Комплексный взгляд в прошлое

Мегапроект «Комплекс NICA» был впервые представлен на заседании правительственной комиссии по инновациям и высоким технологиям в июле 2011 года. Он был отобран из 28 предложений как один из перспективных мегасайенс-проектов для реализации в России.

Создание комплекса осуществляется по заказу Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Лабораторией физики высоких энергий с участием различных подрядных организаций и международных коллабораций.

Ключевой частью проекта является сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов, задача которого — изучение барионной материи. В мире существует всего несколько коллайдеров, каждый из которых уникален. Например, российский коллайдер отличается от Большого адронного коллайдера (БАК), который ориентирован на поиск новых частиц и изучение ультрагорячей материи, в то время как NICA сосредоточен на изучении ультраплотной материи, фазовых переходов и структуры ядерного вещества.

Фундаментальная физика редко дает быстрые результаты, поэтому коллайдер комплекса NICA был введен в эксплуатацию лишь спустя десять лет после начала строительства, стартовавшего в 2013 году. Технический пуск был успешно проведен в июне 2024 года, подтвердив надежность систем установки. Ожидается, что в апреле 2026 года ускоритель выйдет на проектные параметры.

Однако комплекс NICA включает не только коллайдер. Общая площадь, отведенная для оборудования, опытных и технологических участков, экспериментальных зон и вычислительных мощностей, превышает 84 тыс. кв. м. Здесь также располагаются несколько других ускорителей, необходимых для исследований.

Значимость проекта NICA заключается в его многофункциональности, что делает его полезным не только для чистой физики, но и для прикладных исследований. Специалисты уже используют его технологии для облучения биологических образцов, материалов для микроэлектроники и медицинских фантомов, что может принести пользу в радиационной биологии, разработке новых материалов и тестировании электроники для экстремальных условий.

Реализация мегапроекта также укрепляет международное сотрудничество. Комплекс NICA служит мостом для связи с другими государствами, даже в условиях геополитической нестабильности. Изучение физики Вселенной объединяет исследователей из разных стран, включая Китай, Индию, страны Латинской Америки и ОАЭ.

На базе комплекса NICA уже работают ученые из множества зарубежных институтов, и ожидается, что в будущем инновационные и прикладные работы привлекут еще больше иностранных специалистов.

Вне зоны видимости

Другим российским мегапроектом, направленным на изучение Вселенной, является Байкальский нейтринный телескоп (Baikal-GVD). Он помогает исследовать нейтрино, которые считаются одними из самых интригующих элементарных частиц.

Нейтрино являются уникальными носителями информации о процессах в далеком космосе. Межзвездное пространство в центре Млечного Пути заполнено плотными облаками пыли и газа, которые блокируют обычный свет и радиоволны. Нейтрино, обладая сверхслабым взаимодействием с веществом, могут беспрепятственно проходить через эти преграды, как объясняет директор НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета Андрей Танаев.

Однако увидеть нейтрино с помощью приборов, предназначенных для регистрации заряженных частиц, невозможно. На помощь пришли нейтринные телескопы, которые фиксируют черенковское свечение, возникающее при взаимодействии нейтрино.

Идея использования глубоких водоемов для детектирования нейтрино была высказана в 1960 году физиком-теоретиком Моисеем Марков. Проверка этой гипотезы оказалась сложной и дорогостоящей, поэтому первую попытку реализовать подобный проект в 1970-х предприняли не в СССР, а в США. Однако успеха они не добились. В Советском Союзе физик-экспериментатор Александр Чудаков вернулся к идее Маркова и предложил использовать озеро Байкал, обладающее высокой прозрачностью и достаточной глубиной.

В 1980 году в СССР была создана нейтринная лаборатория астрофизики высоких энергий, а в 1993 году в озере были погружены первые три гирлянды будущего байкальского нейтринного телескопа. С их помощью удалось впервые детектировать нейтрино, что стало прорывом для мирового сообщества.

К 1998 году завершенный телескоп, первая очередь Baikal-GVD, состоял из восьми гирлянд с 192 детекторами. Проектирование второй очереди завершилось к 2010 году, а в апреле 2015 года были представлены гирлянды длиной 345 метров.

В следующие три года были размещены три базовых кластера телескопа, и к 2021 году их количество достигло восьми, увеличив рабочий объем до 0,4 кубометра. В настоящее время введены 16 рабочих кластеров, что делает установку крупнейшим нейтринным детектором в Северном полушарии, уступающим по объемам только нейтринному телескопу IceCube в Арктике.

Несмотря на то что нейтринный телескоп на Байкале начал функционировать давно, установка все еще не работает на полную мощность. В будущем планируется увеличить сетку Baikal-GVD до половины кубического метра, что позволит обогнать IceCube.

Эволюция технологии

Строение и принцип работы Байкальского нейтринного телескопа остаются неизменными, но последние годы принесли новшества в технологическую составляющую. Проект Baikal-GVD представляет собой серьезный вызов для российских инженеров. Аппаратура, работающая на глубине до 1350 метров, подвергается сильному давлению до 130 атмосфер, и приборы должны сохранять герметичность на протяжении десятилетий.

Решение этих задач способствовало появлению ряда уникальных отечественных разработок, включая магнитные экраны, защищающие высокочувствительные фотоумножители от воздействия магнитного поля Земли, электронные платы с низким энергопотреблением и глубоководные полупроводниковые лазеры для калибровки оптических каналов под водой.

Эти технологии могут найти применение и в других отраслях, таких как океанология и нефтегазовая промышленность. Уникальность приборной базы телескопа делает его мощным инструментом для междисциплинарных исследований, уже приносящим практическую пользу, в частности, для экологического мониторинга.

Детекторы постоянно отслеживают физические свойства воды, включая температуру и прозрачность. Baikal-GVD функционирует как огромная обсерватория состояния Байкала, который содержит 20% мировых запасов пресной воды. Данные о его состоянии имеют значение для национальной безопасности.

Экономика прорыва

Российские власти также делают высокие ставки на Baikal-GVD. Министр науки и высшего образования России Валерий Фальков подчеркивал, что проект важен не только для науки, но и с точки зрения мультипликативного эффекта, который он окажет на развитие региона. Каждый рубль, вложенный в мегасайенс, возвращается в экономику многократно, как подтверждает Андрей Танаев. Прямой экономический эффект от нейтринного телескопа измерить сложно, но очевидная польза заключается в создании новых рабочих мест.

В зимних экспедициях на Байкале участвуют более 70 человек, включая инженеров, физиков и IT-специалистов, что способствует развитию инфраструктуры региона. Каждый вложенный рубль в инфраструктуру приносит как минимум рубль-полтора в смежных отраслях.

Однако самым важным эффектом является развитие интеллектуального капитала. Коллаборация «Байкал», занимающаяся эксплуатацией Baikal-GVD, включает крупные институты и университеты, что привлекает талантливую молодежь и способствует развитию научной школы.

С самого начала проект был международным, и в нем принимали участие специалисты из разных стран, включая Германию и Францию. География сотрудничества продолжает расширяться, и интерес к проекту проявляют специалисты из Института физики высоких энергий Китайской академии наук.

Фундаментальная физика стирает границы, и обмен научными данными продолжается, несмотря на сложную геополитическую обстановку. Результаты измерений признаются мировым сообществом и публикуются в ведущих международных журналах, таких как Physical Review и The Astrophysical Journal. Ученые продолжают участвовать в анализе байкальских нейтрино, поскольку без данных Baikal-GVD невозможно получить полную «нейтринную карту» неба. Проект Baikal-GVD является одним из научно-технологических флагманов в пространстве БРИКС+, и Россия выступает не только участником, но и лидером мегапроектов будущего.