Вольный ганзейский синхрофазотрон, или DESY принимает гостей

В конце 2018 года синхрофазотрон DESY в Гамбурге посетила группа российских научных журналистов — они увидели строительную площадку проекта PETRA IV и узнали о текущих и будущих исследованиях. Приветливый хозяин Томас Цоуфал (Thomas Zoufal) провел гостей по всей обширной территории и поделился свежими новостями. Корреспондент ТрВ-Наука Мария Молина наблюдала и фотографировала, Нодар Лахути уточнял детали.

Смелые планы

Комплекс DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), входящий в Объединение им. Гельмгольца, основан в 1959 году. На сегодняшний день это крупнейший в Германии научный центр исследований в области физики частиц. Основной кампус находится в Гамбурге, еще один — в Цойтене, на юго-востоке от Берлина. В составе DESY четыре подразделения: «Физика частиц», «Ускорители», «Фотонные науки» (использование источников фотонов и разработка экспериментов) и ­«Космомикрофизика» (физика частиц в астрофизике).

Для проведения экспериментов на территории гамбургского кампуса построено несколько ускорителей. Важнейшие из них — PETRA III (ускоритель и накопительное кольцо, выдающие излучение мощностью 6 ГэВ) и European XFEL (линейный ускоритель длиной более 3 км, который генерирует интенсивные вспышки рентгеновского излучения продолжительностью не более 100 фемтосекунд и длиной волны от 0,05 до 6 нм).

Больше всего, разумеется, разговоров было об одном из важнейших событий для DESY сейчас, а именно о развитии нового направления исследований физики частиц в астрофизике. Базой для него станет площадка DESY в Цойтене, которую руководство института рассчитывает сделать одним из основных центров в этой области. Новое подразделение сосредоточится на программе так называемой многоканальной астрономии¹ — сейчас стало возможно комбинировать результаты наблюдений, полученных по разным каналам, от методов «классической астрономии» и измерения гамма-излучения до исследований космических нейтрино и гравитационных волн. Это сравнительно новая область космомикрофизики, ­изучающей элементарные частицы, порожденные феноменами вроде вспышек сверхновых. По идее, это должно помочь физикам выйти за пределы Стандартной модели и даже найти темную материю. Директором нового центра станет Кристиан Стегманн (Christian Stegmann), руководитель подразделения DESY в Цойтене. Томас Цоуфал рассказал также, что совместно с Берлинским университетом им. Гумбольдта, Потсдамским университетом, Институтом Вейцмана и др. планируется создать магистратуру для интересующихся этим разделом физики, так что без кадров новое направление не останется. Немецкая аспирантура по-прежнему наиболее доступная в Европе, так что советуем российским студентам следить за развитием событий в этой области.

Кроме того, DESY активно участвует в обновлении нейтринного телескопа IceCube в Антарктике и в проекте создания Массива черенковских телескопов (The Cherenkov Telescope Array) в Испании и Чили; 19 декабря 2018 года было подписано окончательное соглашение с чилийской стороной, предполагается, что строительство начнется в 2020 году. Этот проект — крупнейший в настоящее время для DESY (и не только) в области гамма-астрономии. Центр обработки полученных данных будет расположен на площадке DESY в Цойтене.

Наиболее значимый из строящихся объектов носит историческое имя PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage). Рассказывая об этом, Цоуфал широким жестом обрисовывал масштабы строительной площадки: планируется провести обновление старых и построить нескольких новых объектов. Главный объект — PETRA IV [2], который станет продолжением уже существующего PETRA III, синхротронного источника рентгеновского излучения [3]. Новое оборудование потенциально позволит на два порядка уменьшить излучающую способность пучка и довести энергию рентгеновского излучения до 10 кэВ [4].

По существу, PETRA IV будет представлять собой гигантский рентгеновский микроскоп, который позволит изучать кинетику биологических, химических и физических процессов в условиях, приближенных к естественным. Например, можно будет рассмотреть отдельные органеллы в живых клетках и проследить процессы метаболизма на молекулярном уровне, исследовать химические процессы внутри аккумулятора на атомном уровне и визуализировать отдельные гранулы («кирпичики») новых материалов в ходе их использования. Концептуальный дизайн проекта планируется закончить в начале 2019 года; спустя два года завершится следующая фаза проекта — технический дизайн, а к 2026 году PETRA IV должен заработать, обещают в DESY.

Вместе с русскими учеными

К российским журналистам сотрудники DESY были очень внимательны: русские физические институты — их ключевые партнеры. На провокации в виде разговоров о политике Мартин Зандхоп (Martin Sandhop), отвечающий за международное сотрудничество, отвечает улыбкой и отмахивается. Взаимодействие с российскими научными институциями насчитывает уже не один десяток лет, начиная с коллаборации ARGUS, где ИТЭФ принимал участие в 1979–1992 годах. Среди российских партнеров DESY такие институты, как ОИЯИ, ИФВЭ, НИИЭФА, ИЯФ им. Будкера, Курчатовский институт, ПИЯФ им. Константинова. Вместе с немцами проводятся летние школы RACIRI для молодых ученых — это совместный германо-российско-шведский проект с акцентом на исследовании материалов и нанонауке. В августе 2018 года на острове Рюген собралось около 70 молодых ученых, а в 2019 году эта школа может пройти в России, в Калининграде.

С 2015 года в рамках европейской программы Horizon-2020 работает проект CREMLIN. Его основные цели — укреплить европейско-российское научное сотрудничество, особенно в области исследовательской инфраструктуры, и выработать рекомендации для научной политики. С европейской стороны проект курирует DESY, ключевой российский партнер — Курчатовский институт. Сейчас обсуждается новый проект под названием CREMLIN+ с финансированием в 25 млн евро и участием примерно 35 российских и европейских партнеров. В рамках нового этапа продолжится сотрудничество на уровне всех шести российских комплексов класса megascience, в их числе реактор ПИК в Гатчине, коллайдер НИКА в Дубне и т. д. Кроме того, предполагается обеспечить дальнейший доступ европейских ученых к российской исследовательской инфраструктуре и разработать программу обмена кадрами.

В 2017 году начал работу линейный ускоритель European XFEL (Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах), созданный при активном российском финансировании и участии российских научных институтов. ОИЯИ, например, спроектировал и создал три детектора, ИФВЭ — криогенное оборудование и ловушки пучков, НИИЭФА и ИЯФ им. Будкера — разнообразные магниты. 12 июля 2018 года ускоритель European XFEL достиг ошеломляющих 17, 5 ГэВ.

Ускорители с человеческим лицом

PETRA III выглядит очень стандартно: бетонный короб, уходящий вдаль. Вдоль короба на балконе стоят казенные самокаты — сотрудники ездят на них к рабочим местам. Очень удобно, заодно есть шанс размяться. Как признаются в DESY, ночевки на работе — нередкое дело, по­этому в кампусе есть специальный дом, где после рабочей ночи можно отоспаться и принять душ.

Более того, чтобы сотрудники чувствовали себя на работе одновременно как дома, как в парке и как на каникулах, DESY начал большую работу по стратегическому обновлению кампусов — проект развития DESY2030. Недавно немецкий парламент одобрил выделение средств на ­обустройство пространства. В общей сложности вместе с деньгами от Бранденбурга и Гамбурга проект обновления кампусов получит почти 120 млн евро. Общая идея реновации основана на подходе «одна лаборатория — один кампус»; предполагается, что площадки в Гамбурге и Цойтене станут металабораториями, удобными и эффективными. Они будут интегрированы между собой и с окружающими территориями и оснащены современными службами поддержки исследований.

Проект сделает кампусы комфортабельными не только для исследований, но и для жизни, в том числе для размещения коллег из-за рубежа, с акцентом на «сообществах пользователей» (можно даже назвать это модным словом «коммьюнити»): современный дизайн лабораторий, офисов, кафе и спортивных центров, общественные пространства и зеленые зоны, поддержка семей, интеграция с городским транспортом, «грузовые велосипеды» с электромоторами и т. п. Всё это носит название «work and life @ DESY».

Площадка DESY в Гамбурге должна стать северогерманской версией научного городка наподобие российского Академгородка в Новосибирске, только с поправкой на немецкую педантичность. Кампусы DESY и Гамбургского университета вместе с прилегающими территориями образуют единое пространство, удобное для передовых исследований и привлекательное для жизни ученых со всего мира. Собственно, Гамбургский университет планирует перенести на новую площадку значительную часть естественнонаучных исследований. Отчасти поэтому проект пользуется всяческой поддержкой городских властей; мэр Петер Щенчер (Peter Tschentscher) уже назвал его одним из приоритетных направлений развития вольного ганзейского города Гамбурга.

Фото Марии Молиной

1. Левин А. Новый виток науки о космосе: пришествие многоканальной астрономии // ТрВ-Наука № 242 от 21 ноября 2017 года.
2. photon-science.desy.de/facilities/petra_iv_project/index_eng.html
3. photon-science.desy.de/facilities/petra_iii/index_eng.html
4. Schroer Ch.G. et al. PETRA IV: the ultralow-emittance source project at DESY // Journal of Synchrotron Radiation 2018.

¹ Устоявшийся перевод словосочетания multi-messenger astronomy. Подробнее о многоканальной астрономии см. статью Алексея Левина в ТрВ-Наука [1]. — Ред.