«А слабо создать черную дыру?»: молодая ученая — об экспериментах с частицами и нелепых вопросах

— Это Даша, она ядерный физик.

— Да ла-а-адно?

К такой реакции новых знакомых Дарья уже привыкла. К вопросам из серии «А не вырастет ли у тебя хвостик от радиации?» — тоже. Девушка была еще студенткой, когда в Новосибирске только заговорили про строительство уникальной установки СКИФ — Сибирского Кольцевого Источника Фотонов. Сегодня же принимает непосредственное участие в амбициозном проекте российской науки — пишет программу, которая поможет создать внутри гигантского кольца ускорителя идеальные условия для движения частиц. Основы ядерной физики Дарья может объяснить даже детям.

Мы запускаем новый проект о самых увлекательных технических специальностях: заглянем в лаборатории, пообщаемся с молодыми учеными без заумных терминов и развеем популярные стереотипы. Насколько безопасно находиться в коллайдере? Могут ли физики создать черную дыру? И каково это — работать над проектом, аналогов которому еще не было в мире? Рассказывает Дарья Дорохова, аспирантка Института ядерной физики имени Г. И. Будкера — это Сибирское отделение Российской академии наук.

— СКИФ называют установкой поколения 4+, он будет круче Большого адронного коллайдера?

— Сравнивать сложно, все-таки задачи у них разные. Коллайдер — это установка, в которой ученые сталкивают частицы: электроны и противоположные по знаку позитроны — а затем фиксируют всё, что родилось в месте столкновения. У нас в Сибири, в Институте ядерной физики, тоже есть два коллайдера — ВЭПП-4 и ВЭПП-2000, в разы меньше, чем Большой адронный коллайдер, но уже давно доказавшие свою надежность и точность работы.

А СКИФ — не коллайдер, а источник фотонов. Он будет генерировать особое, синхротронное излучение. То есть частички никто не сталкивает — они разгоняются, летают по кольцу, теряют энергию в магнитном поле, и вот эта энергия излучается в виде света. Он может быть разный: в рентгеновском и инфракрасном диапазонах, например. С помощью этих сверхъярких пучков света биологи, химики и другие ученые смогут с недостижимой ранее детализацией и точностью исследовать различные образцы: от горных пород до живых организмов. Можно будет, например, расшифровать структуру белка и изучать объекты микронного масштаба. Разрабатывать лекарства, создавать высокопрочные материалы для авиации — установка откроет массу возможностей. Мы сейчас сотрудничаем с различными институтами, и я уже вижу, как у ребят чешутся руки.

— Уже скоро всё будет готово?

— Работы ведутся очень активно, но многое еще предстоит настраивать, компенсировать — невозможно построить ускоритель так, чтобы с первого же запуска пучок полетел как надо. Для физиков-ускорительщиков задача предстоит веселая. Нам нужно ускорить пучок электронов до определенной энергии, чтобы они летали и излучали как можно дольше — и у пользователей было достаточно времени на необходимые эксперименты. Разгоняем частицы мы с помощью электромагнитного поля. Огромные магниты расположены по периметру кольца, и если хоть один чуть-чуть смещен, повернут не так — это скажется на времени жизни пучка. Скажем, по плану он должен летать 4 часа — а в итоге умирает, не прожив и минуты. В таком случае исследование не удастся.

Я сейчас пишу программу, которая поможет найти и устранить ошибки магнитных элементов, причем с первых же оборотов. И если мы увидим, что в определенном месте какая-то точка сильно отклоняется — уберем эти возмущения и дальше сможем сглаживать незначительные отклонения другими алгоритмами. Причем выяснилось, что возможностей для применения моего метода гораздо больше: можно будет не только найти отклонения, но и рассчитать так называемые оптические функции ускорителя, повлиять на работу фокусирующих магнитных линз — словом, мы сможем еще точнее настроить установку, сделать ее работу более стабильной. Так что готов уже задел на докторскую диссертацию.

— Сейчас программа еще в процессе?

— Да, я надеялась, что всё заработает с первого запуска. Но всё оказалось не так радужно. Ведь пока сам СКИФ не готов, мы тестируем программу на ВЭПП-4. Он уже «старичок» и работает не всегда стабильно. То есть нельзя один раз сделать измерения и потом на них опираться — мы как первопроходцы, каждый раз заново исследуем. Как говорит мой преподаватель: «Если твоя программа заработает на ВЭПП-4 — это заработает вообще везде».

— Итак, если магниты не настроить правильным образом, то пучки «умирают». А сложно будет создать новый, как они «рождаются»?

— У нас есть целый инжекционный комплекс, в котором есть источники для производства электронов и позитронов. Мы им звоним: «"Постреляйте" в нас». Накапливаем пучки, которые они нам отправляют, ускоряем их до нужной энергии, запускаем в кольцо ВЭПП-4 и делаем измерения. Чем больше оборотов мы зафиксируем, тем точнее будут результаты измерений. У нас есть специальный режим, который позволяет записывать 8 тысяч оборотов пучка.

— Целых 8 тысяч… Много времени на это уходит?

— Мгновение, ведь частицы движутся со скоростью света. За секунду пучок успевает сделать 818 тысяч оборотов, но наше оборудование пока что способно зафиксировать сотую часть. В минуту мы делаем несколько измерений. В моем методе по пучку еще надо ударить — так мы создаем колебания, и я смотрю, что стало с пучком, сохраняю эти данные и затем обрабатываю. В месте, где градиент магнитного поля отличается от расчетного, пучок меняет траекторию. Также может происходить ситуация, когда он летел красивый и плоский, как блинчик, — а потом из-за отклонений в градиенте попал в резонанс, раздулся и сделал «бдыщ». И вот моя программа сможет такие ошибки отлавливать.

— Сложно общаться с людьми, далекими от науки? Бывают ли странные вопросы или какие-то стереотипы, которые приходится разбивать?

— Самый популярный вопрос: «А правда, что в коллайдере можно создать черную дыру?» Ну ребята, вы серьезно… Это ж какую энергию надо забабахать! Может, когда-нибудь в далеком-далеком будущем, а пока — извините, но нет.

Или вот мое любимое: «А если подорвать коллайдер, что будет?» Ну что будет — не будет коллайдера. Радиацией всех точно не накроет, не зря же говорят, что даже на улице фонит выше, чем у нас. Радиационный фон внутри установки рассеянный, если только кто-то не встанет прямо под пучок. А еще часто спрашивают, не вырастет ли у меня хвостик, — пока не вырос.

В коллайдере безопасно. Когда не летают пучки, туда спокойно водят на экскурсии студентов и школьников. Он у нас небольшой, всего 366 м. В ЦЕРНе вот планируют построить огромный Future Circular Collider (FCC) на 100 км. И китайцы тоже разрабатывают 100-километровый коллайдер CEPC. У нас многие ученые работают в коллаборациях с этими проектами, я и сама в начале аспирантуры некоторыми расчетами для них занималась. Это будет фабрика рождения тяжелых бозонов: за счет большого периметра получится набрать огромную энергию и рождать в столкновении такие частицы. Результаты экспериментов либо подтвердят существующую Стандартную модель строения нашей вселенной, либо сподвигнут ученых строить новые теории. Вообще, конечно, в голове не укладывается пока, как это возможно. И очень интересно понаблюдать за строительством нашего СКИФ. Хочу увидеть, как там будут устанавливать магниты — каждый весит несколько тонн.

— После работы над столькими знаковыми проектами чувствуешь ли себя «молодой ученой»? Старшие коллеги, наверное, давно воспринимают на равных?

— Сейчас приходят новенькие аспиранты, они ко мне пытаются обращаться на «вы» — мне 28, и звучит как-то непривычно. Вообще здорово, что всё больше молодых людей приходит в науку — будет кому двигать прогресс и перенимать накопленный опыт.