JINR Brochure for Kids

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Наука сегодня — технологии будущего

Д У Б Н А

|

2 0 1 7

Как зародилась и устроена Вселенная?

Из чего состоит окружающая нас материя?

Есть ли жизнь на других планетах?

На эти и многие другие вопросы ищут ответы в Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ). ОИЯИ — это всемирно известный научный центр. Здесь, на берегу Волги, в уютном подмосковном городе, уже более 60 лет ведутся теоретические и экспериментальные исследования, разрабатываются новейшие технологии и материалы. Гуляя по улицам Дубны, можно увидеть известных ученых (и даже академиков) и изобретателей. Если Вам повезет, можете встретить ученого, именем которого назван химический элемент в таблице Менделеева.

01

Результаты деятельности ОИЯИ известны во всем мире: об открытиях дубненских ученых написано в учебниках химии и физики. Вы наверняка слышали про Синхрофазотрон — он находится в ОИЯИ. Его магнит занесен в книгу рекордов Гиннеса как самый тяжелый в мире. А элементы таблицы Менделеева: 102 (нобелий), 103 (лоуренсий), 104 (резерфордий), 105 (дубний), 108 (хассий), 114 (флеровий), 115 (московий), 116 (ливерморий), 117 (теннессин), 118 (оганесон) — были открыты учеными из Дубны.

Институт был основан в 1956 году. Эксперименты, которые проводятся в ОИЯИ, требуют значительных интеллектуальных, материальных и энергетических ресурсов. Вести исследования такого масштаба силами одного государства довольно сложно, поэтому страны объединяются и появляются крупные международные научные центры. Эти страны называются странами-участницами. В настоящее время в составе ОИЯИ их 18:

Азербайджан

Армения

Беларусь

Болгария

Вьетнам

Грузия

Казахстан

КНДР

Куба

Молдова

Монголия

Польша

Россия

Румыния

Словакия

Узбекистан

Украина

Чехия

Италия

Сербия

ЮАР

Ассоциированные члены

Венгрия

02

Германия

Египет

В составе ОИЯИ — семь лабораторий, каждую из которых по масштабу проводимых исследований можно сравнить с крупным научно-исследовательским институтом.

Лаборатория физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина

Лаборатория ядерных проблем им. В. П. Джелепова

Лаборатория теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова

Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка

Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флерова

Лаборатория информационных технологий

Лаборатория радиационной биологии

Наш Институт постоянно развивается: создаются новые проекты и строятся новые установки и комплексы (коллайдер NICA, Фабрика сверхтяжелых элементов, нейтринный телескоп на озере Байкал), устанавливаются новые международные контакты, улучшаются условия труда и жизни сотрудников ОИЯИ.

03

Объединенный институт ядерных исследований — это еще и крупный образовательный центр. Сотни студентов из разных стран ежегодно проходят здесь практику и участвуют в образовательных программах.

На сегодняшний день ОИЯИ — это:

18 5000 1200 1000 2000 04

более

стран-участниц

1500

сотрудников, среди которых:

более

70

научных отрудников докторов и кандидатов наук инженеров и техников

научных публикаций ежегодно международных конференций ежегодно

сотрудничество с

800

университетами и образовательноисследовательскими центрами в 64 странах мира

Физика окружает нас повсюду: дома, на улице, высоко в небе и глубоко под землей. Она помогает человеку понять законы, по которым живет Вселенная, и разобраться в устройстве окружающего нас мира. Это очень интересная и увлекательная наука! А знаете ли вы, сколько еще тайн хранит наша Вселенная? Возможно, эти строки сейчас читает человек, которому суждено ответить на не решенные до сих пор вопросы:

1

Какие современные методы исследования Вселенной существуют? Не опасна ли работа коллайдеров?

2

Все ли химические элементы нам известны, и где заканчивается таблица Менделеева?

3

Как с помощью нейтронов разгадать загадки прошлого нашей планеты и как сохранить ее в будущем?

4

Что нейтрино может рассказать про устройство Вселенной?

5

Как при помощи протонов лечить смертельные болезни?

6

Как заглянуть внутрь своей ДНК?

7

Как наука поможет человеку путешествовать к далеким планетам?

8

Как квантовая информатика изменит принципы хранения и передачи информации?

9

Какие фундаментальные законы действуют в природе?

10

Зачем тратить столько денег на фундаментальную науку?

11

Как не пропустить все самое интересное?

05

Поиск закономерностей Л А Б О РАТО Р И Я Ф И З И К И В Ы С О К И Х Э Н Е Р Г И Й и м . В . И . В Е К С Л Е РА И А . М . Б А Л Д И Н А

Все вещество в мире состоит из атомов. Существует более 100 различных атомов. Они могут объединяться, образуя огромное разнообразие молекул. Атомы состоят из более мелких составляющих — электронов и ядер, а ядра — из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков. Человек научился создавать приборы (ускорители частиц, мощные телескопы и космические аппараты), позволяющие ему изучать как тайны строения крошечных атомов, так и загадки огромной Вселенной. И в этом большая заслуга физики как науки о природе.

u

u d

Твердое вещество

Атом

Ядро

Протон

q Кварк

u

u d

q

10—19м

10—15м

Стандартная модель. Современная картина мира

верхний очарованный

Лептоны

нижний

электрон

странный прелестный

мюон

электроное мюонное нейтрино нейтрино

06

t-кварк

глюон

фотон

тау

Z-бозон

тау нейтрино

W-бозон

бозон Хиггса

Бозоны — переносчики взаимодействий

Кварки

В результате многолетних исследований на ускорителях и коллайдерах высоких энергий, а также работы физиков-теоретиков была создана современная картина мира на основе Стандартной Модели.

Базовыми кирпичиками материи являются кварки и лептоны. Они скреплены друг с другом при помощи переносчиков взаимодействия: фотонов (электромагнитное взаимодействие), глюонов (сильное взаимодействие), W- и Z-бозонов (слабое взаимодействие). А также есть еще бозон Хиггса, из-за которого у частиц появляется масса.

Теория Большого взрыва На основе различных наблюдений ученые пришли к выводу, что наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва, в момент которого возникла не только материя, но также пространство и время. С тех пор наша Вселенная расширяется и постепенно остывает. Эту теорию происхождения Вселенной называют теорией Большого взрыва.

Ядро водорода

Атом водорода

Галактика Атом гелия

Электрон

Ядро гелия

Нейтрон

Кварки начало времени 10–43 сек. Температура

Протон

Протогалактика

одна секунда 10–32 сек.

1027 ˚C

10–6 сек.

1012˚C

3 мин.

108˚C

наши дни 300 тыс. лет 10000 ˚C

1 млрд лет —200˚C

15 млрд лет —270˚C

Ученые предполагают, что в самые первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой первичный «бульон», состоявший из кварков, глюонов, электронов, фотонов и нейтрино. В процессе расширения Вселенная остывала. Уже через секунду после Большого взрыва температура составляла около 10 000 млн градусов, что примерно в тысячу раз выше температуры в центре Солнца. В это время Вселенная в основном состояла из фотонов, электронов, протонов и нейтронов, которые образовались в результате объединения кварков и глюонов.

07

Современные методы исследования Вселенной Изучать Вселенную можно различными путями: наблюдая и изучая объекты, находящиеся за пределами нашей планеты, а также при помощи экспериментальных физических установок, позволяющих изучать материю на уровне атомов, атомных ядер и еще глубже.

Ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility)

Для того чтобы изучать структуру материи размером существенно меньше протона, получать в лабораторных условиях температуру и плотность вещества, сравнимые с теми, которые были на ранних стадиях развития Вселенной, создаются гигантские физические установки, называемые коллайдерами. В коллайдерах сталкивают частицы и ядра, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, и обладающие огромными энергиями. В результате таких столкновений ученые надеются смоделировать условия, которые существовали в первые мгновения зарождения нашей Вселенной. Подобные установки требуют огромных интеллектуальных и материальных затрат, которые невозможны в рамках одного, даже самого богатого государства. Именно поэтому различные государства мира объединяют свои усилия и создают международные организации и сообщества, под эгидой которых ученые и инженеры разных стран совместно решают ряд сложных задач.

08

1

Поиск новых состояний ядерной материи

Проблемой поиска новых состояний ядерной материи и изучением ее кварк-глюонной фазы занимаются в различных научных центрах США и Европы. Но проект, который предлагают реализовать в Дубне, будет использовать установки, имеющие оптимальные характеристики.

КХД* на решетке

Критическая точка?

SPS Пер

еход де

Адроны RS IS FA I

Ядра — nn

np

1

M A–

Компактные звезды

* Квантовая хромодинамика

Nuclotron-M

ход ре пе

PD

NIC

NICA

конф айнм ента

й ны ль ра ки

C

RHIC, LH

100

Кварк-глюонная плазма

RHIC-BES

30 0

200

Ранняя вселенная

Температура T, МэВ

Как кварк-глюонная материя, так и ее переход в привычный нам мир частиц могут быть воссозданы в экспериментах на ускорителях путем столкновения тяжелых ионов и достижения максимальной барионной плотности. Для этого необходимы не настолько высокие энергии столкновения — всего лишь от нескольких единиц до нескольких десятков миллиардов электронвольт!

Кваркионный переход

SIS-100

Протонейтронная звезда

Цветной сверхпроводник

Суммарная плотность барионов n/no no=0.16 fm—3

RHIC — коллайдер тяжелых ядер в Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк, США) SPS — суперпротонный синхротрон — кольцевой ускоритель частиц в ЦЕРН (Женева, Швейцария) NICA — строящийся коллайдер в ОИЯИ (Дубна, Россия) Nuclotron — протонный ускоритель типа синхрофазотрон в ОИЯИ (Дубна, Россия) SIS 100 — синхротрон в проекте FAIR (Дармштадт, Германия)

09

Мегапроект NICA

(Nuclotron-based Ion Collider fAcility) Реализуемый на территории России в Дубне, международный проект класса мегасайенс — мегапроект «Комплекс NICA» — нацелен на исследование ядерной материи в экстремальных условиях, возникавших в Природе на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд. Для планируемых экспериментов создаются детекторы MPD (MultiPurpose Detector) и BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron). Первый будет расположен в точке столкновения пучков коллайдера NICA, второй — на выведенном пучке ускорителя Нуклотрон комплекса NICA. Это уникальные по мировым масштабам экспериментальные установки. Линейный ускоритель легких ионов и поляризованных частиц

Линейный ускоритель тяжелых ионов

BM@N Эксперимент «Барионная материя на Нуклотроне»

Мишень

MPD Многоцелевая установка

Трековый детектор Камеры с катодным считыванием Дрейфовые камеры

Магнит Времяпролетная cистема

Калориметр

Мюонные детекторы

Барель времяпролетной системы

Калориметрия Кремниевая микровершина

Электромагнитный калориметр

Трекинг

Зона каналов для инновационных исследований

Синхротрон, бустер Нуклотрон

10

Центральный трекер (Трекер на тонкостенных дрейфовых трубках)

SPD Установка спиновой физики

1

Заряженные частицы — ионы золота — предварительно разгоняют в 2 разгонных кольцах — в бустере и Нуклотроне.

2

Далее пучки частиц переводят на встречные орбиты в коллайдер, где они накапливаются.

3

Столкновение частиц происходит в детекторах, установленных на кольце коллайдера.

4

После столкновения пучков с помощью экспериментальной аппаратуры восстанавливаются характеристики всех родившихся частиц и производится анализ данных с помощью вычислительного центра. Цель эксперимента: Исследование различных состояний ядерной материи и их переходов в экстремальных условиях, реализуемое в столкновении тяжелых ядер. Сколько стран участвуют в проекте: NICA — это большой международный проект, в котором участвуют 28 стран. Местонахождение: Этот уникальный ускорительный комплекс создается на базе Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Инновационный потенциал проекта: • Создание компактных промышленных ускорителей • Радиационная медицина • Астробиология и вопросы освоения дальнего космоса • Ядерные технологии и безопасность • Микроэлектроника особого назначения • Создание новых материалов и наноструктур Начало строительства: 2013 год. Начало проведения экспериментов на коллайдере: 2021 год.

11

Не опасна ли работа коллайдеров? Мифы о коллайдерах. В процессе развития науки люди, сталкиваясь с неизвестным и неизученным, естественным образом задаются вопросами безопасности открытий. Так же как и ранее люди пугались радио, автомобильных двигателей, в настоящее время все больше людей боятся последствий научных открытий. Особенно в последнее время стали появляться сообщения об опасениях в связи со строительством ускорительного комплекса NICA. С подобными волнениями ученые уже сталкивались, когда строили и готовили к запуску другие ускорители частиц. Ускорители частиц, в том числе и на встречных пучках (коллайдеры), работают вот уже полвека. Активные работы по созданию коллайдеров начались одновременно в конце 1950-х годов сразу в трех лабораториях: Фраскати (Италия), SLAC (США) и ИЯФ (СССР). К настоящему моменту 25 коллайдеров уже прекратили свою работу, а еще 6 только строятся и готовятся к запуску (в том числе и NICA). Каждый из этих коллайдеров был или есть уникален. Но ни один из них не послужил и не послужит причиной разрушения ни микро-, ни макромира.

12

Сейчас в мире работают 6 коллайдеров

ИЯФ, Новосибирск, Россия коллайдер ВЭПП-4М работает с 1994 года v4.inp.nsk.su

Фраскати, Италия коллайдер DAFNE работает с 1999 года lnf.infn.it/acceleratori

BNL, США коллайдер RHIC работает с 2000 года bnl.gov/rhic

ИЯФ, Новосибирск, Россия коллайдер ВЭПП-2000 работает с 2006 года vepp2k.inp.nsk.su

Пекин, Китай коллайдер BEPC-II IHEP работает с 2007 года english.ihep.cas.cn

Женева, Швейцария Большой адронный коллайдер (БАК/LHC — Large Hadron Collider) работает с 2008 года home.cern/topics/ large-hadron-collider

13

2

Все ли химические элементы нам известны, и где заканчивается таблица Менделеева? Л А Б О Р А Т О Р И Я Я Д Е Р Н Ы Х Р Е А К Ц И Й и м. Г. Н . Ф Л Е Р О В А

С открытиями ученых Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) знаком каждый, о них написано в учебниках физики и химии. Многие сверхтяжелые элементы синтезированы в ЛЯР. Названия некоторых из них связаны с Московским регионом, городом Дубной и выдающимися учеными ОИЯИ. Например, 105 элемент назван дубнием, а 115 — московием, 114 элемент — флеровий — назван в честь Лаборатории ядерных реакций и ее основателя Г. Н. Флерова. На сегодняшний день известно 118 химических элементов. Самый тяжелый из них, оганесон (его номер 118), назван в честь Ю. Ц. Оганесяна, научного руководителя ЛЯР.

Легенда 118 В стенах лаборатории проводятся эксперименты по изучению химических и физических свойств элементов и их изотопов. А это совсем непростая задача, учитывая тот факт, что ядра некоторых элементов живут всего доли секунды. Синтезируя новые элементы, ученые стараются подобраться к предсказанному в 60-е годы прошлого столетия «острову стабильности» — области, в которой ядра живут не доли секунды, а сотни и даже, возможно, миллионы лет. Уже сейчас ясно, что на 118 элементе таблица Менделеева не заканчивается. Чтобы пойти дальше и попытаться синтезировать еще более тяжелые элементы, в ЛЯР строится новый ускорительный комплекс, называемый «Фабрика сверхтяжелых элементов».

14

Исследования ученых ЛЯР не только помогают лучше понять окружающий нас мир, но и позволяют создавать новые материалы, обладающие уникальными свойствами. Например, из обычной лавсановой пленки при помощи разгоняемых в ускорителе частиц создаются фильтры для тонкой очистки воды, воздуха и медикаментов от вредных примесей. Ускорители ЛЯР используются и для моделирования условий космической радиации. Это позволяет проводить тестирование электроники, которая после испытаний применяется при создании космических аппаратов. Это только часть технологий, которые стали широко доступны благодаря фундаментальным исследованиям.

Это интересно! Сложен не только сам эксперимент по синтезу сверхтяжелых элементов, но и подготовка к нему. В качестве разгоняемой частицы используют ионы редкого изотопа кальция, 48Са. В мире он производится всего на одном предприятии — комбинате «Электрохимприбор» в Свердловской области. Годовой объем производства 48Са — около 10 граммов, а стоимость каждого грамма этого вещества эквивалентна цене люксового автомобиля. Мишени для эксперимента изготавливаются из трансурановых элементов — веществ, которых в природе нет. Их получают искусственно только в двух местах в мире: в ядерных реакторах в Димитровграде Ульяновской области (Россия) и Окридже, штат Теннесси (США).

15

3 Как с помощью нейтронов разгадать загадки прошлого нашей планеты и как сохранить ее в будущем? Л А Б О Р А Т О Р И Я Н Е Й Т Р О Н Н О Й Ф И З И К И и м. И . М. Ф Р А Н К А

Наверняка, находясь в музее, среди древних артефактов, Вы задумывались о том, как историки определяют возраст скелета динозавра, орудий труда древнего человека и украшений египетского фараона. Справиться с этой сложной задачей им помогают физики. Лаборатория нейтронной физики (ЛНФ) ОИЯИ занимается изучением нейтрона — составной части атомного ядра.

Изучение свойств нейтрона Свойства нейтрона являются ценной информацией об устройстве нашего мира. Современная научная картина мира строится на основе так называемой Стандартной модели. Но не все наблюдаемые явления описываются полностью в рамках этой модели. Свойства нейтрона оказываются очень чувствительным инструментом для проверки новых теорий.

16

Нейтрон как инструмент Одним из основных параметров, определяющих взаимодействие нейтронов с веществом является длина волны нейтрона, которая связана с его скоростью. Атомы в образце с кристаллической структурой Когда нейтроны сталкиваются с атомами в веществе образца, они меняют направление (рассеиваются) — упругое рассеивание

Детекторы регистрируют направление нейтронов, это позволяет получить дифрактограмму, где отображаются позиции атомов относительно друг друга

Исследовательский реактор

в

но

тро ей

кн

чо Пу

Кристалл, который «вырезает» нейтроны с определенной длиной волны (энергией) — монохроматические нейтроны

Спектрометр с вращающимися кристаллами и вращающимся образцом Исследовательский реактор Пуч о

Атомы в образце с кристаллической структурой Сначала в кристаллеанализаторе фиксируются изменения энергии нейтронов...

кн

ейт ро

нов

При взаимодействии с ядрами колеблющихся атомов образца нейтрон может потерять часть энергии или приобрести дополнительную энергию — неупруго рассеяться

Кристалл, который «вырезает» нейтроны с определенной длиной волны (энергией) — монохроматические нейтроны

...а затем в детекторе регистрируется количество нейтронов

Почему мы используем нейтроны? Свойство нейтрона

Преимущество

Отсутствие электрического заряда — высокая проникающая способность

• исследование объемных образцов; • проникает в ядра даже при низких энергиях; • исследование биологических объектов без разрушения молекул; • изучение динамики химических реакций; • возможность размещения образца внутри печей, криостатов, нагружающих машин, ячеек высокого давления и т. п.

Длина волны тепловых нейтронов сравнима с межатомными расстояниями, а энергии сравнимы с энергиями химических связей

• изучение атомной и молекулярной структуры и динамики вещества.

Наличие магнитного момента

• изучение магнитной структуры кристаллов, тонких пленок и т. д.; • изучение магнитных свойств ядер.

• изотопная замена атомов в образце приводит к увеличению контраста.

Немонотонность зависимости вероятности взаимодействия нейтрона с веществом от атомного номера элемента Когерентное и некогерентное рассеяние

• изучения коллективных и одночастичных эффектов

17

Кроме фундаментальных, т. е. чисто научных исследований, лаборатория занимается и прикладной наукой. Действительно, практическая польза от нейтронов довольно большая. Например, эти нейтральные частицы позволяют увидеть внутреннее строение предмета без его повреждения, помогают узнать химический состав изучаемого объекта, обнаружить скрытые дефекты или, наоборот, найти драгоценный алмаз в большом объеме горной породы.

Нейтронная томография: другой взгляд на мир, в котором мы живем В настоящее время рентгеновское излучение широко используется для контроля багажа в аэропортах, диагностирования переломов и вирусных заболеваний, а также для производственного контроля изготавливаемой продукции.

рентген

нейтроны

рентген

нейтроны

По сравнению с рентгеновскими лучами, которые имеют электромагнитную природу, нейтронное излучение характеризуется высокой проникающей способностью, что позволяет использовать его для исследования достаточно крупных объектов, предназначенных для научных и технических целей.

Нейтронная радиография

Нейтронная радиография успешно используется в палеонтологии. Здесь представлены результаты исследования окаменелой шишки секвойи Protosequoia sp. из мелового периода. Восстановленная из нейтронной томографии трехмерная модель окаменелой шишки секвойи, датируемой Меловым периодом.

18

Нейтронное излучение от поверхностей небесных тел позволяет исследовать элементный состав и искать воду

Космический аппарат НАСА Mars Odyssey 2001 работает на орбите Марса с начала 2002 года. В составе научной аппаратуры на его борту находится созданный в Институте космических исследований Российской академии наук при участии ОИЯИ детектор нейтронов HEND. Нейтрон, обладая массой, практически равной массе протона — ядра атома водорода, чрезвычайно эффективно замедляется (теряет свою энергию) водородом. Таким образом, измеряя изменение энергии нейтронов, испускаемых с поверхности Марса, после их замедления в грунте планеты можно обнаружить наличие областей с повышенной концентрацией водорода, а именно — водяного льда.

90

240 300

0

60 120 180

60 30 0 —30 —60 —90 0,17

0,30

0,44

0,58

0,72

0,86

1,00

Скорость счета быстрых нейтронов (1/с) по данным HEND

Карта скоростей счета быстрых нейтронов по результатам измерений детектора HEND. Области с низкой скоростью счета соответствуют участкам поверхности с повышенной концентрацией водорода (именно наличие водорода приводит к выбыванию нейтронов из группы быстрых). Результаты, полученные прибором HEND совместно с результатами других приборов на борту Mars Odyssey 2001, однозначно свидетельствуют о наличии большого количества водяного льда в полярных областях Марса.

19

С помощью нейтронов также проводится оценка экологического состояния почвы, воды и воздуха, позволяющая установить степень загрязнения в регионе путем определения концентраций химических элементов в образце. Этот метод носит название «нейтронно-активационный анализ» (НАА). Благодаря такого рода исследованиям у нас есть возможность вовремя принять меры по предотвращению экологических проблем на Земле.

Это интересно! В НАА широко используется мох. Он не имеет корней и впитывает загрязнения только из воздуха. Именно поэтому мох идеально подходит для анализа экологической обстановки.

20

4

Что нейтрино может рассказать про устройство Вселенной? Л А Б О Р А Т О Р И Я Я Д Е Р Н Ы Х П Р О Б Л Е М и м. В. П. Д Ж Е Л Е П О В А

В Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) проводятся исследования в области физики высоких и сверхвысоких энергий. Результаты исследований помогают в разработке и создании современных измерительных приборов и технологий защиты ядерных реакторов. Одна из областей исследований лаборатории — изучение свойств нейтрино. Эти сверхлегкие фундаментальные частицы пронизывают пространство, практически не встречая препятствий на своем пути. Миллиарды лет назад они были «свидетелями» взрывов сверхновых звезд и могут рассказать, из какой части Вселенной они прилетели. Изучая нейтрино, можно объяснять процессы, происходящие в космосе, заглянуть в далекое прошлое, исследовать строение Солнца и Земли.

21

Источники нейтрино Рождаемые множеством процессов, нейтрино повсюду нас окружают.

Геонейтрино

Солнце

Реакция слияния ядер водорода с образованием гелия внутри Солнца

Испускаются в результате бетараспада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли.

1015 EN

Сверхновая

Взрывы сверхновых и столкновение космических лучей с частицами воздуха в атмосфере Земли VHEV Ускорители частиц, выстреливающие протонами по мишеням, и реакции ядерного распада внутри атомных реакторов

Реликтовые нейтрино Оставшиеся от Большого взрыва. Согласно модели горячей Вселенной, в настоящее время имеют температуру, близкую к абсолютному нулю (около 2К). Хотя в среднем в 1 см3 пространства содержится от 300 до 400 реликтовых нейтрино трех типов.

«Поймать» нейтрино довольно сложно, но физики справились и с этой задачей. В кристально чистой воде озера Байкал строится гигантский нейтринный телескоп, который представляет из себя гирлянды стеклянных шаровфотодетекторов с регистрирующей аппаратурой внутри.

Нейтринный телескоп кубокилометрового масштаба BAIKAL-GVD

Байкальский нейтринный телескоп (GVD) входит в единую нейтринную исследовательскую сеть, что, наряду с получением фундаментальных результатов по изучению космических нейтрино, позволяет осуществлять глобальный мониторинг всего космического пространства.

22

Озеро Байкал 3500 м

1366 м

Один из самых крупных в мире нейтринных детекторов высоких энергий, созданный коллаборацией «Байкал».

Толщина льда ~ 60–90 см (иногда до 120 см) 30 Байкальск 25 Зимняя 20 экспедиция 15 10 10 5 1 0 —5 —3 —5 —10

Январь

16

20

23

22

Летняя экспедиция 17 8

Температура днем Июнь

2768 м

3 —4

Декабрь

Береговая станция

Первый установленный в 2016 году кластер «Дубна» содержит 192 оптических модуля, собранных в 8 гирлянд, погруженных на глубину 1300 метров. В 2017 году был установлен еще один кластер из 192 модулей. В 2018 году устанавливается еще два кластера по 192 модуля каждый.

Оптический модуль

Проходя сквозь планету Земля снизу вверх, нейтрино взаимодействует с атомами воды, порождая ливни вторичных частиц, которые оставляют светящийся след. Именно он и регистрируется детекторами. А поскольку детекторами будет покрыта площадь в один кубический километр, ученые смогут установить направление прилета нейтрино.

Это интересно! Пока Вы читали это предложение, через Ваше тело прошло 1014 нейтрино. Возможно, в будущем мы научимся использовать нейтрино как эффективное средство передачи информации на расстоянии. Такой эксперимент уже проводится: ученым из Фермилаб удалось передать закодированное сообщение, которое прошло 1035 метров, из них 240 метров — сплошной скальной породы.

23

5

Как при помощи протонов лечить смертельные болезни?

Ученые ЛЯП сотрудничают с медиками, чтобы находить наиболее эффективные и безопасные способы лечения онкологических заболеваний. Самый старый ускоритель ОИЯИ, фазотрон, который работает уже почти 70 лет, в настоящий момент ускоряет протоны, которыми облучают раковые опухоли, помогая сотням людей побороть страшное заболевание.

1968: пролечен первый пациент 1974–1984: модернизирован фазотрон, начато строительство Медико-технического комплекса Начало 2000-х: разработан и успешно применяется метод конформного 3D-облучения глубоко залегающих опухолей, при котором распределение дозы точно (до миллиметров) соответствует форме мишени 2000–2017: 1250 пациентов были пролечены на протонном пучке в Медико-техническом комплексе ОИЯИ Протонная 3D-радиотерапия ежегодно проходят лечение более 100 пациентов около 1000 часов протонной терапии в год

24

Протоны обладают уникальным физическим свойством, которое позволяет воздействовать радиацией на глубоко расположенные мишени и при этом не облучать здоровые ткани. Это обусловлено наличием у протонов так называемого пика Брэгга (в честь английского ученого Уильяма Брэгга), когда максимальное радиационное воздействие пучка протонов происходит в конце его пробега, а не в начале, как у многих других традиционных видов излучения, применяемых в медицине, таких как гамма-лучи или электроны.

Это интересно! Используя различные устройства, такие как гребенчатые фильтры, апертурные коллиматоры, трехмерные болюсы, медицинские физики «подгоняют» протонный пучок под размер облучаемой опухоли и контролируют пробег протонов с точностью до 1мм. Радиация опасна для человека, однако грамотное ее использование может приносить огромную пользу!

25

Как заглянуть внутрь своей ДНК? Л А Б О Р А Т О Р И Я Я Д Е Р Н Ы Х П Р О Б Л Е М и м. В. П . Д Ж Е Л Е П О В А

6 В молекулярной биологии в последнее десятилетие произошла настоящая революция. Расшифрован геном человека и многих других живых организмов, созданы методики редактирования генов, разработана методика превращения любой клетки организма в стволовую клетку, из которой можно создать любую другую клетку, и многое другое. Фактически биологи начали понимать, как работает живой организм на молекулярном уровне.

Все живое состоит из клеток. В клетках живых организмов находится ДНК, которая содержит информацию о всех наследуемых признаках. Совокупность всего наследственного материала составляет геном организма. Отдельные участки генома — гены, отделяемые друг от друга молекулярными метками «старт» и «стоп». Геном человека был расшифрован только в 2003 году. Он состоит из примерно трех миллиардов нуклеотидных оснований. Последовательность этих оснований можно представить себе как файл с программой размером примерно 0.5 Гб. Алфавит такой программы состоит всего из четырех «букв» — нуклеотидных оснований (A — аденин, С — цитозин, Т — тимин, G — гуанин). В этом файле записаны «инструкции» для синтеза белков.

26

Выполнение инструкций или активность того или иного гена зависит от физических и химических условий внутри клетки. Такой механизм обеспечивает разнообразие клеток и специфику сделанных из них органов. Может показаться удивительным, но уникальность каждого человека определяется всего лишь одной десятой процента нуклеотидных оснований всего генома. Понимание механизмов регуляции и кодирования генов является предметом исследований сотрудников Лаборатории ядерных проблем, участвующих в проекте «РАДИОГЕН».

Это интересно! Если бы Вам пришлось ежедневно по 8 часов печатать по одному слову в секунду, Вам бы потребовалось 50 лет, чтобы напечатать геном человека. ДНК во всех Ваших клетках могут растянуться на 16 миллиардов километров, если ее раскрутить. Это примерно расстояние от Земли до Плутона и обратно.

27

7

Как наука поможет человеку путешествовать к далеким планетам? Л А Б О РАТО Р И Я РА Д И А Ц И О Н Н О Й Б И О Л О Г И И

Вопрос полета на Марс волнует человечество уже не один десяток лет. Тема путешествий к далеким планетам неоднократно поднималась в художественной литературе и ложилась в основу сюжетов фантастических фильмов. Однако существует множество проблем, которые мешают осуществить эту мечту в ближайшее десятилетие. Это трудности, связанные с экстремальными условиями длительного космического перелета, и в том числе космическая радиация, которая губительно действует на живые организмы. В настоящий момент не существует технологий и материалов, которые бы надежно защищали живые клетки от космического излучения. Не существует и средств, которые бы делали космонавтов менее восприимчивыми к космической радиации. И даже при наличии суперсовременного корабля человек, долетевший до Марса, вероятнее всего, не сможет выполнить какую-либо важную миссию. Исследователям особенно интересно, как радиация влияет на работу мозга, ведь именно этот орган отвечает за выполнение практически всех сложных функций в организме человека.

28

Сотрудники Лаборатории радиационной биологии (ЛРБ) изучают влияние радиации на живые организмы. На больших физических установках (ускорителях) они наблюдают условия, подобные тем, что существуют в далеком космосе, за пределами магнитного поля, которое защищает всех нас, жителей Земли, от космического излучения.

Эти исследования помогут определить правила пребывания в космосе, позволят создать технологии, защищающие живые клетки от разрушающего воздействия космической радиации и, возможно, сделают реальной давнюю мечту человека — путешествие к другим планетам.

29

Эксперименты, которые проводятся в ЛРБ, помогают понять, как происходят мутации, а ученые находят способы контролировать этот процесс. Они изучают интереснейшее природное явление — восстановление ДНК и работы клеток после воздействия радиации.

В ОИЯИ изучают: риск повреждений нервной системы и высшей нервной деятельности от ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками (закономерности гибели нервных клеток, нарушений процессов передачи межклеточных сигналов, расстройств психических функций: обучения, памяти, поведения, сознания); механизмы генетического действия излучений с разными физическими характеристиками (формирование и репарацию различных повреждений ДНК, механизмы программируемой клеточной гибели, генетическую нестабильность); закономерности и механизмы действия тяжелых заряженных частиц на структуры глаза: хрусталик и сетчатку; математическое моделирование биофизических систем; методы радиационной защиты.

30

Также в ЛРБ проводятся астробиологические исследования — вопросы происхождения жизни на Земле. Для этого специалисты Института ведут поиски ископаемых микроорганизмов в метеоритах. Такие исследования помогут ответить на вопросы о возникновении жизни на земле, а также обитаемости других планет и спутников.

Это интересно! Интересно, что лабораторных мышей и крыс можно дрессировать, так же как и собак. Для исследования поведения животных ученые используют причудливые лабиринты разнообразных форм.

31

8 Как квантовая информатика изменит принципы хранения и передачи информации? Л А Б О РАТО Р И Я И Н Ф О Р М А Ц И О Н Н Ы Х Т Е Х Н О Л О Г И Й

Сегодня с информационными технологиями знаком каждый: мы ищем информацию в Интернете, общаемся в соцсетях, храним фотографии и видео в «облаках», можем учиться и работать удаленно и т. д. Современные крупные научные эксперименты проводятся учеными из разных стран и даже с разных континентов. При этом нужно обеспечить их совместную работу и постоянно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать колоссальные объемы данных. Компьютеры навсегда изменили подход к исследованиям, прочно войдя во все сферы деятельности ученых: они помогают в работе, обеспечивают коммуникацию, вычисления и хранение информации. Лаборатория информационных технологий (ЛИТ) является признанным центром мирового уровня в области обработки больших потоков данных, полученных с физических установок — это то место, где встречаются физика, математика и информационные технологии, где имеют дело с Большими данными — BIG DATA. Работа сотрудников лаборатории тесно связана с деятельностью всего Института. Более того, они активно участвуют в международных проектах, решая глобальные задачи современной науки. Для этого ученые используют самые современные технологии: волоконно-оптические линии передачи, петабайтные дисковые хранилища и ленточных роботов для долговременного хранения. Они разрабатывают программы для вычислений на многоядерных процессорах и графических картах, используют распределенные вычисления, объединяя GRID, облачные и суперкомпьютерные технологии.

32

Можно предположить, что в ближайшие 4–5 лет темпы роста объема данных, скорости передачи и производительности вычислителей сохранятся, а грядущие фундаментальные открытия найдут свое применение в сфере передачи, обработки и хранения данных и позволят сделать прорыв, сравнимый c изобретением транзистора в 1956 году. С этим связаны проводимые в ЛИТ исследования в области квантовой информатики, которая может позволить кодировать и хранить информацию в виде состояний многочастичных квантовых систем и передавать ее за счет явления квантовой запутанности частиц. Такая информация будет абсолютно недоступна для третьих лиц благодаря законам квантовой механики, и ее передача будет осуществляться без всякого канала связи, т. е. через открытое пространство (квантовая телепортация).

Это интересно! Чтобы открыть бозон Хиггса, потребовалось собрать 60 петабайт данных (1 петабайт = 1000 терабайт = 1000000 гигабайт). Другими словами, если бы у Вас был жёсткий диск на 60 петабайт и Вы захотели скачать все эти данные себе на скорости 100 Мбит/c (самый быстрый пакет интернета в Дубне), то Вам потребовалось бы 152 года, чтобы это сделать.

33

Какие фундаментальные законы действуют в природе? Л А Б О РА Т О Р И Я Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Й Ф И З И К И и м. Н. Н. Б О Г О Л Ю Б О В А

9

За внешней, «видимой», стороной современной науки с ее экспериментами, установками и технологиями стоит кропотливая и не менее сложная и интересная работа физиков-теоретиков.

Они разрабатывают новые теории, создают теоретические модели физических явлений, производят расчеты и делают предсказания, на основе которых ставятся научные эксперименты. Эксперимент — это единственный способ проверить правильность теории. Лаборатория теоретической физики имени Н. Н. Боголюбова (ЛТФ) — это один из крупнейших в мире центров, где ученые развивают квантовую теорию поля и физику элементарных частиц, теорию атомного ядра и конденсированных сред, современную математическую физику. Сотрудники ЛТФ взаимодействуют не только с другими лабораториями Института, но и с ведущими научными центрами мира. ЛТФ ежегодно проводит более 10 научных конференций, на которых обсуждаются достигнутые результаты, ставятся новые цели и формируются планы исследований на предстоящие годы. Только совместная работа теоретиков и экспериментаторов приносит плоды научных открытий.

34

Это интересно! Основными «рабочими инструментами» теоретика является компьютер и … меловая доска. Во многих кабинетах ЛТФ есть меловые доски, сохранившиеся с момента основания лаборатории, пережившие несколько ремонтов. Оказывается, ученые не желают с ними расставаться не только потому, что запись на доске наглядна и удобна для внесения правок, но также потому, что это старая добрая традиция.

35

10 Зачем тратить столько денег на фундаментальную науку? Знаете ли Вы, чем фундаментальная наука отличается от прикладной? Фундаментальная наука — это наука в чистом виде, наука ради науки и прогресса человечества. А прикладные исследования, напротив, приносят вполне ощутимую пользу и находят применение в повседневной жизни. Зачем же вкладывать колоссальные средства в фундаментальную науку: строить огромные ускорительные комплексы, синтезировать новые элементы, заниматься подготовкой полета на Марс, разрабатывать новые теории? Зачем заглядывать вглубь атомного ядра, человеческого мозга, планет, звезд и Вселенной? Ответ прост: без фундаментальной науки не было бы и прикладной. Представьте нашу жизнь без электричества и интернета, бытовой техники и гаджетов, скоростных поездов и самолетов. Или без достижений науки, которые нашли свое практическое применение в медицине, таких как рентген, томограф, УЗИ, бескровные лазерные операции, протезы, искусственно созданные органы, криогенная заморозка биоматериалов, лечение опухолей и стерилизация облучением. Благодаря им стало возможным повышение качества и продление человеческой жизни. Откуда, по Вашему мнению, это все взялось? Ответим: все эти практические и суперполезные вещи появились как побочные продукты фундаментальных исследований. Наука, как локомотив, тянет за собой другие области. Она двигает прогресс, дает толчок развитию технологий, созданию новых материалов и приборов. И когда ученый слышит вопрос: «Зачем нам нужен 118 элемент, если он живет всего доли секунды?» — он, скорее всего, задумчиво улыбнувшись, ответит: «Поживем — увидим!»

36

11 Как не пропустить все самое интересное? УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

Не обязательно быть гением, чтобы сделать карьеру в науке. Чтобы стать ученым, надо просто любить свое дело и смело идти к мечте. Если тебе нравятся точные дисциплины, Учебно-научный центр ОИЯИ поможет больше узнать о передовых исследованиях и последних достижениях науки. Школьникам мы предлагаем: Экскурсии на базовые установки ОИЯИ http://ucnew.jinr.ru/ru/visit-school 3D-туры на установки Института http://ucnew.jinr.ru/ru/3d Занятия и консультации по математике, робототехнике и естествознанию, помощь по подготовке к итоговой аттестации в Центре дополнительного образования при УНЦ ОИЯИ «ПРИМЕР» http://www.jinr.ru/posts/ tsdo-primer-priglashaet/

Занятия по физике, математике, информатике и робототехнике в межшкольном физико-математическом факультативе http://www.fizik-matematik.ru Видеоконференции с учеными и инженерами Института http://ucnew.jinr.ru/ru/ videoconferences Участие в Днях Физики в Дубне http://ucnew.jinr.ru/ru/physics-days Участие в Международной компьютерной школе (МКШ) http://mksh.ru/

Выбирай профильный ВУЗ, имеющий базовые кафедры в ОИЯИ http://ucnew.jinr.ru/ru/jinr-baseddepartments и приходи к нам. Для студентов в Институте есть следующие возможности: Практика и подготовка квалификационных работ на базе ОИЯИ http://ucnew.jinr.ru/ru/attachment Летняя студенческая программа http://students.jinr.ru/

Подготовка инженеров-ускорительщиков и физиков-экспериментаторов в Научно-инженерной группе УНЦ http://ucnew.jinr.ru/ru/ engineertraining

37

Работа в Объединенном институте ядерных исследований — это: Международные коллаборации Возможность участвовать в исследованиях и экспериментах мирового масштаба Широкий выбор научных направлений Сотрудничество с ведущими учеными из крупнейших научных центров мира Возможность самореализации в Объединении молодых ученых и специалистов

Развитая инфраструктура (научные, культурные и спортивные мероприятия) Уникальное расположение — наукоград Дубна, расположенный в 130 километрах от мегаполиса и сочетающий в себе развитую промышленность и социальную инфраструктуру с живописной природой, размеренным ритмом и насыщенной культурной жизнью

Послесловие Наша Вселенная таит в себе еще так много загадок. Может быть, именно тебе суждено их разгадать? Поверь в себя и смело иди к мечте! Быть ученым — это интересно! Мы ждем тебя в ОИЯИ!

Приходи!

38

Групповые экскурсии для школьников в лаборатории и Музей науки и техники ОИЯИ

Учебно-научный центр ОИЯИ организует экскурсии на площадки Института с ознакомительными и образовательными целями для следующих категорий лиц: Учащихся школ возрастом от 14 лет Преподавателей, руководителей кружков и факультативов физико-математического, технического и естественнонаучного профиля УСЛОВИ Я:

ОИЯИ проводит экскурсии для групп от 10 до 25 человек (включая сопровождающих лиц и водителя автобуса) Все экскурсии бесплатны Проведение экскурсий в лаборатории возможно с 09:00 до 18:00, в Музей науки и техники: с 11:00 до 18:00 (кроме субботы и воскресенья) Продолжительность 1 экскурсии — от 1 до 3 часов Заявки на экскурсии для групп школьников принимаются только от преподавателей или руководителей учебных заведений О Г РАН И Ч ЕНИЯ:

Заявки от туристических агентств не принимаются Посещение работающих установок невозможно Экскурсии не проводятся для лиц младше 14 лет Фото-и видеосъемка на территории и вблизи проходной ОИЯИ запрещены Курение запрещено на всей территории ОИЯИ Перемещение по территории и посещение установок ОИЯИ может быть затруднительно для некоторых групп лиц (пожилых, инвалидов, беременных, лиц с кардиостимуляторами) П ОРЯДОК

ПОДГОТОВ КИ

К

ВИЗИТУ:

заполнить он-лайн форму НА САЙТЕ УНЦ ОИЯИ: http://ucnew.jinr.ru/ru/visit-school получить предварительное подтверждение даты визита по электронной почте оформить официальное письмо с подписью руководителя учебного заведения и отправить по адресу visit@jinr.ru не позднее чем за 7 дней до приезда в ОИЯИ и таким образом зафиксировать дату визита сообщить данные автобуса (госномер, марку, ФИО и паспортные данные водителя) и отправить по адресу visit@jinr.ru не позднее чем за 3 дня до приезда в ОИЯИ В Н И М А Н И Е ! Визит считается подтвержденным только после получения уведом-

ления о приеме экскурсионной группы по электронной почте. Если в течение 5 рабочих дней после отправки заявки Вы не получили ответа, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте visit@jinr.ru.

Контакты АДМИ НИСТРАТИВ НОЕ ЗДАН И Е ОИЯИ

ВИЗИТ- Ц ЕНТР

О ИЯИ

141980, г. Дубна, Московская область Ул. Жолио-Кюри, 6

141980, г. Дубна, Московская область Ул. Молодежная, 5

+7 496 216 50 59

+7 496 216 49 42

post@jinr.ru

visit@jinr.ru

www.jinr.ru

www.jinr.ru/about/visit-tsentr

У ЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕН ТР (УНЦ) ОИЯИ

М УЗЕ Й НА УКИ О ИЯИ

ИСТО Р ИИ И ТЕХНИКИ

141980, г. Дубна, Московская область Ул. Жолио-Кюри, 6

141980, г. Дубна, Московская область Ул. Флерова, 6

+7 496 216 50 89

+7 496 216 58 31

uc@jinr.ru

museum@jinr.ru

uc.jinr.ru

museum.jinr.ru