Сегодня настоящей звездой стали знаменитый Большой адронный коллайдер и бозон Хиггса. Они постоянно на слуху. Но вот на сцену выходит новый научный монстр - лазер на свободных электронах. Их можно сравнивать?
Михаил Рычев: У них много общего, но есть и принципиальные различия. Коллайдер - более крупное сооружение и более дорогое, обошелся почти в 10 миллиардов долларов. Это сугубо фундаментальная машина. Ее задача - раскрыть тайны природы, связанные с зарождением и развитием Вселенной. А лазер XFEL, с одной стороны - это самый передовой край науки, но одновременно он сильно "заточен" на конкретное применение в "народном хозяйстве", прежде всего в медицине, фармакологии, химии, нанотехнологиях, энергетике, электронике, создании новых материалов. Причем не в отдаленном будущем, а уже завтра. Показательно, что несколько ведущих мировых фирм не просто интересуются этим лазером, а активно участвуют в его создании.
Что касается стоимости проекта, то первоначально она оценивалась в 1,082 миллиарда евро, сейчас подросла на 150 миллионов. Лазер разместится под землей на глубине от 6 до 38 метров, длина туннелей около 5,8 километра.
Чем же могла привлечь фирмы столь крупная научная установка? Все-таки это прежде всего очень серьезная фундаментальная наука.
Михаил Рычев: Часто приводят такую аналогию. Представьте себе футбольный матч. Мы знаем составы команд до игры и знаем итоговый счет, но увидеть голы не имеем возможности. Так вот и ученые сегодня не имеют возможности посмотреть, как протекают химические реакции, хотя знают все реагенты. Они видят только результат. Почему? У нас нет инструмента для наблюдения за взаимодействием атомов и молекул. Оно происходит за невероятно короткие промежутки времени - фемтосекунды. За эти квадриллионные доли секунды свет пробегает всего 30 микрон.
Так вот лазер XFEL сможет создавать такие фантастически короткие импульсы и кадр за кадром демонстрировать, как "голы забивались", как в химической реакции работают атомы и молекулы. Это очень интересует многих ученых. Ведь они получат новые знания, чтобы создавать принципиально новые технологии XXI века, материалы с доселе недостижимыми свойствами. Кроме того, лазер сможет на атомарном уровне изучать природу вирусов, увидеть, как они атакуют клетку. Эта информация особенно интересует фармакологов. Зная "атомную кухню", они получат возможность куда эффективней создавать новые лекарства.
Лазер способен решить и еще одну очень заманчивую для ученых и специалистов самых разных направлений задачу: в одном рентгеновском импульсе наблюдать трехмерную структуру белков. Это обещает революции в биологии, медицине, генетике. Не случайно сейчас расшифровкой белков занимаются многие лаборатории мира. Но именно XFEL с его возможностями сулит здесь прорыв. Поэтому его с таким нетерпением ждут многие ученые.
Кроме того, этот лазер способен заглянуть и в тайны Вселенной. Поможет ученым изучать вещество в тех же экстремальных состояниях, которые господствуют в недрах звезд. Это позволит лучше понять, как устроен наш мир.
Но лазеры на свободных электронах вовсе не новость. Они есть, в частности, в США и Японии. Им не удалось решить те задачи, о которых вы говорите?
Михаил Рычев: Во всяком случае, до сих пор о подобных результатах не сообщалось. Важно подчеркнуть, что максимальная энергия всех существующих лазеров не превышает 14 ГэВ, а у XFEL она намного больше - 17 ГэВ. Поэтому его яркость будет в миллиард раз выше, а самое главное, что частота повторения импульсов тоже доселе недостижимая. Именно такие параметры и открывают перед этим лазером столь широкие возможности. Они достигаются благодаря сверхпроводящему ускорителю при температуре минус 271 С. В нем ток течет практически без потерь.
Значение этого уникального лазера особо высветила недавняя кризисная ситуация. Дело в том, что по разным причинам цена проекта полезла вверх и встал вопрос о снижении энергии до 14 ГэВ. То есть предлагалось повторить уже пройденное. И хотя с большой неохотой, но на такой вариант согласились практически все страны - участники проекта, кроме Германии и России. Наши правительства, несмотря на тяжелое экономическое положение, пошли на увеличение финансирования. По, сути, спасли проект уникальной машины. Немцы внесли дополнительно 100 миллионов евро, мы 59,2 миллиона.
А каковы доли стран в этом проекте?
Михаил Рычев: Германия по первоначальному плану взяла на себя половину стоимости, Россия - 25 процентов, но сейчас эти доли возросли. То есть по сути Россия и Германия - основные участники проекта. Остаток стоимости вносят еще 10 стран Европы. Кстати, в проектах ЦЕРНа, в том числе и БАКа, Россия имела статус наблюдателя и только сейчас намерена стать ассоциированным, то есть полноправным членом. А в XFEL мы стояли у истоков, участие России в проекте инициировано директором НИЦ "Курчатовский институт" Михаилом Ковальчуком. Мы в XFEL абсолютно равноправные партнеры, начиная со стадии проектировании и строительства до конкурсного отбора будущих исследовательских проектов. Наши представители входят в администрацию проекта, финансовый и научный комитеты. Одним из научных директоров является Сергей Молодцов, который долгое время был профессором Дрезденского университета. И в исследовательских работах, и в изготовлении уникального оборудования участвуют ведущие российские организации: НИЦ "Курчатовский институт", Новосибирский Институт ядерной физики им. Будкера, Институт физики высоких энергий в Протвино, Институт ядерной физики в Троицке, ученые Санкт-Петербурга, Дубны и Зеленограда.
Для Россия очень важен опыт, который приобретут на XFEL наши специалисты. Он пригодится и при создании шести мегаустановок, которые правительство наметило построить уже в России.
В каком состоянии сейчас строительство лазера?
Михаил Рычев: Практически закончились подземные работы, построены туннели, должен начаться монтаж оборудования. Пуск лазера намечен на 2016 год.
Теоретические принципы лазера на свободных электронах были разработаны новосибирскими физиками Евгением Салдиным, Анатолием Кондратенко и Ярославом Дербеневым. Это источник сверхяркого рентгеновского излучения. Пучки электронов разгоняются в ускорителе почти до световой скорости. Затем их направляют в систему магнитов, где электроны двигаються по синусоиде и испускают очень короткие и мощные когерентные рентгеновские вспышки. Именно они и являются рабочим инструментом для различных научных исследований.
Крупнейший в мире рентгеновский лазер XFEL, который строится под Гамбургом, имеет длину более трех километров. В сооружении участвуют 12 стран: Германия, Россия, Франция, Швейцария, Италия, Испания, Швеция, Польша, Дания, Греция, Словакия, Венгрия. Стоимость проекта сейчас оценивается примерно в 1,23 миллиарда евро. Его научным руководителем от России является НИЦ "Курчатовский институт".