Почему самый большой в мире лазер сделает прорыв в науке

Первого сентября под Гамбургом состоится открытие самого мощного в мире лазера на свободных электронах. О сути уникального проекта корреспонденту "РГ" рассказывает спецпредставитель НИЦ "Курчатовский институт" в европейских исследовательских организациях Михаил Рычев.

Судя по вниманию к этому проекту в мировых СМИ, именно он становится сегодня такой же мировой научной звездой, какой несколько лет назад был знаменитый Большой адронный коллайдер. Он открыл бозон Хиггса, ответив на фундаментальные вопросы мироздания, за что группа ученых была удостоена Нобелевской премии. А чего ждать от построенного под Гамбургом Европейского лазера на свободных электронах XFEL?

Михаил Рычев: У них много общего, но есть и принципиальные различия. Коллайдер -- сугубо фундаментальная машина, которая создана для раскрытия тайн природы, связанных с зарождением и развитием Вселенной. А лазер XFEL, с одной стороны, это самый передовой край науки, но одновременно он сильно "заточен" на конкрентное применение в "народном хозяйстве", будет приносить практическую пользу прежде всего в медицине, фармакологии, химии, нанотехнологиях, энергетике, электронике, создании новых материалов и других сферах науки и техники. Причем не в отдаленной перспективе, а уже завтра. Показательно, что несколько ведущих мировых фирм не просто интересуются этим уникальным прибором, а самым активным образом участвовали в его создании.

Хотя масштабы XFEL уступают Большому адронному коллайдеру, но габариты лазера тоже впечатляют. Он разместился под землей на глубине от 6 до 38 метров, длина туннелей около 5,8 километра. В нем установлено 17 тысяч мощных магнитов. Кстати, стоимость лазера меньше, чем у коллайдера, "всего" 1,2 миллиарда евро. Коллайдер потянул почти на 10 миллиардов евро.

Лазеры уже давно завоевали мир, работают на передовом крае науки и техники. Почему же говорят, что именно XFEL должен обеспечить прорывы во многих областях науки?

Михаил Рычев: Если говорить совсем просто, то он позволит увидеть такие процессы, которые пока нам были недоступны. Часто приводят такую аналогию. Представим футбольный матч. Мы знаем составы команд до игры и знаем итоговый счет, но не можем увидеть, как забивались голы. Так вот и ученые сегодня не могут посмотреть, как протекают химические реакции, хотя знают все реагенты. Они видят только результат, "счет матча". Почему? Дело в том, что нет инструмента для наблюдения за взаимодействием атомов и молекул. Оно происходит за невероятно короткие промежутки времени - фемтосекунды (10 в минус 15 секунды).

Так вот лазер XFEL может создавать такие фантастически короткие импульсы (27 тысяч выстрелов в секунду) и кадр за кадром демонстрировать, как "голы забивались", как в химической реакции работают атомы и молекулы. Это очень важно для понимания глубинных процессов прежде всего в материаловедении. Ведь так мы сможем создавать принципиально новые технологии, материалы с неизвестными, недостижимыми до этого свойствами. Кроме того с помощью лазера мы сможем на атомарном уровне изучать природу вирусов, увидеть, как они атакуют клетку. Эта информация особенно важна для медиков, в фармакологии. Зная такую "атомную кухню", больше возможность куда эффективней создавать новые лекарства.

Лазер способен решить и еще одну очень важную для специалистов самых разных направлений задачу в одном рентгеновском импульсе наблюдать трехмерную структуру белков. Это обещает революцию 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, как сформировалась Вселенная, что происходило в первые мгновения после Большого взрыва.

Известно, что в сооружении этого лазера был критический момент, когда его будущее было под вопросом. Что произошло и как удалось найти выход?

Михаил Рычев: Дело в том, что в мире уже есть лазеры на свободных электронах, в частности, в США и Японии. Их максимальная энергия не превышает 14 ГэВ, а у XFEL она намного больше - 17 ГэВ. То есть яркость в миллиард раз выше любого из существующих синхротронных источников, и частота импульсов тоже доселе недостижимая. Именно такие параметры и открывают перед этим лазером столь широкие возможности. Но чтобы их достичь, надо разогнать электроны почти до световой скорости. Для этого создан сверхпроводящий ускоритель с температурой минус 271 С. В нем ток течет практически без потерь. Ничего подобного нет ни на одной установке в мире.

Но в определенный момент этот проект оказался под угрозой, так как по разным причинам расходы все время увеличивались и стали раздаваться голоса, что надо снизить энергию до 14 ГэВ. 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 установки. Немцы внесли дополнительно 100 миллионов евро, мы 59,2 миллиона евро.

Получается, что именно эти две страны несли на себе основный груз уникального проекта?

Михаил Рычев: Можно сказать и так. Германия вложила более половины стоимости, Россия около 25 процентов. Остальное внесли еще 10 стран Европы. Кстати, в проектах ЦЕРНа, в том числе и БАКа, Россия имела статус наблюдателя и только сейчас намерена стать полноправным членом. А в XFEL мы стояли у истоков, участие России в проекте с 2007 года инициировано тогдашним министром науки и образования Андреем Фурсенко и директором НИЦ "Курчатовский институт" Михаилом Ковальчуком. Мы в XFEL абсолютно равноправные партнеры, начиная со стадии проектирования 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 ядерной физики в Троицке, ученые Санкт-Петербурга, Дубны и Зеленограда.

Нередко звучат голоса, что наша наука катастрофически отстает от ведущих стран, что наши ученые уже даже не понимают, что пишут их коллеги в ведущих научных журналах...

Михаил Рычев: Перефразируя классика, можно сказать, что слухи о смерти нашей науки сильно преувеличены. А если серьезно, то давайте вспомним, что у истоков проекта XFEL стояли российские ученые, в первую очередь Евгений Салдин из Новосибирска. Во время сооружения лазера число российских специалистов уступало только хозяевам. Важно подчеркнуть, что в лазер вложены не только наши идеи, наши интеллектуальные усилия, но и наше "железо". Многие виды оборудования созданы на российских предприятиях, в частности, тысячи уникальных магнитов, системы гашения электронного пучка, системы охлаждения гелием. К примеру, ключевая часть ускорителя, так называемый инжектор электронов, создана при активном участии российских ученых. Они сумели на 40 процентов повысить качество пучка излучения.

Созданные нашими предприятиями примеры высоких технологий даже в этом проекте можно перечислять долго.

Итак уникальный лазер построен, наступает следующий этап - участие в экспериментах и получение прорывных результатов. Но чтобы работать на таком инструменте, нужны высококлассные специалисты.

Михаил Рычев: Уже проведены первые конкурсы работ на лазере. По числу выигранных грантов лидируют немцы, что и понятно. Ведь в стране эта наука давно и активно развивается. На втором месте американцы, у которых богатый опыт работы на подобных установках, а на третьем наши ученые, которые показали высокий научный уровень. Особенно приятно, что много заявок в области изучения белков. Сегодня, увы, соотношение перспективных разработок в этой сфере не в нашу пользу. Поэтому сейчас в Курчатовском институте всерьез занялись подготовкой специалистов для работы на XFEL. Уже на протяжении пяти лет каждый год проводим школы, куда приезжает около 100 студентов старших курсов и молодых аспирантов. Лекции им читают ведущие ученые по разным направлениям знаний, а цель таких мероприятий дать молодежи знания, которые они смогут применять в экспериментах на лазере.

Этот уникальный проект был бы невозможным без высокой компетентности и надежности российских специалистов

Планируется, что площадку XFEL будет посещать несколько сотен экспериментаторов из России в год. Нам бы очень хотелось "достучаться" до молодежной аудитории, до тех, кто сегодня только пришел на химические, физические, биологические факультеты ведущих российских вузов, рассказать им, какие уникальные эксперименты здесь можно проводить, каких результатов добиться. Крайне важно, чтобы и российские университеты подключали к этому процессу своих студентов, благо сегодня расстояния не являются препятствием и возможна даже удаленная работа на этих установках, хотя мы делаем все для того, чтобы российские молодые ученые могли сюда свободно приезжать - для этого тут будет создана отдельная инфраструктура.

Мнение

Массимо Альтарелли, управляющий директор XFEL до 2016 года:

- Россия помимо крупного финансового вклада вносит и очень значительный интеллектуальный вклад в развитие уникального проекта. На его примере Россия и Германия реализовали огромный потенциал эффективного и плодотворного сотрудничества в научно-технической сфере.

Хельмут Дош, председатель совета директоров Центра синхротронного излучения (DESY):

- Этот проект был бы невозможным без высокой компетентности и надежности российских партнеров. Россия самый важный партнер для развития глобального международного мегапроекта. Помимо финансового Россия вносит существенный содержательный вклад в развитие проекта и занимает второе место после Германии по количеству работающих на XFEL ученых.

Справка "РГ"

Теоретические принципы лазера на свободных электронах были разработаны новосибирскими физиками Евгением Салдиным, Анатолием Кондратенко и Ярославом Дербеневым. Это источник сверхъяркого рентгеновского излучения. Пучки электронов разгоняются в ускорителе длиной 1,7 километра почти до световой скорости. Затем их направляют в систему магнитов, где электроны двигаются по синусоиде и испускают очень короткие и мощные когерентные рентгеновские вспышки. Именно они и являются рабочим инструментом для различных научных исследований.

Крупнейший в мире лазер на свободных XFEL построен под Гамбургом. В сооружении участвовали 12 стран: Германия, Россия, Франция, Швейцария, Италия, Испания, Швеция, Польша, Дания, Греция, Словакия, Венгрия. Стоимость проекта оценивается примерно в 1,23 миллиарда евро. Его научным руководителем от России является НИЦ "Курчатовский институт".