Современная наука продолжает поиск ответов на фундаментальные вопросы: как возникла Вселенная, из чего состоит материя и какие процессы управляют космосом. Россия участвует в этом поиске наравне с ведущими мировыми державами. Сегодня в стране реализуются два масштабных мегасайенс-проекта — комплекс NICA в Дубне и Байкальский нейтринный телескоп. Оба направлены на изучение процессов, происходящих в космическом пространстве. Но если NICA позволяет заглянуть в прошлое, воспроизводя условия, существовавшие через миллионную долю секунды после Большого взрыва, то Baikal-GVD даёт возможность исследовать частицы из далёкого космоса, долетающие до Земли в настоящем.
Современная наука утверждает, что вся материя во Вселенной делится на обычную, или барионную, и тёмную. Барионная материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, построены из ядер и электронов. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, а те — из кварков и глюонов. Кварки и глюоны — это фундаментальные частицы, «кирпичики», из которых создано всё, что существует в мире. Однако сегодня эти частицы находятся в связанном состоянии. Учёные полагают, что спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва, когда температура и плотность материи были колоссальными, кварки и глюоны существовали в свободном состоянии, образуя так называемую кварк-глюонную плазму. Именно процесс её перехода в барионную материю остаётся теоретической моделью, которую учёные пытаются подтвердить экспериментально, воссоздавая условия ранней Вселенной в лаборатории.
Эту задачу решает российский мегапроект «Комплекс NICA». Впервые он был представлен правительственной комиссии в 2011 году, а строительство началось в 2013-м. Ключевой элемент комплекса — сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжёлых ионов. Его основная задача — изучение барионной материи в условиях сверхвысокой плотности. В мире существует всего несколько подобных коллайдеров, и каждый из них уникален. Например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе предназначен для поиска новых частиц и изучения ультрагорячей материи, тогда как коллайдер NICA ориентирован на изучение ультраплотной материи и фазовых переходов. Технический пуск NICA состоялся в июне 2024 года, а в апреле 2026 года ускоритель вышел на проектные параметры.
Однако комплекс NICA — это не только коллайдер. Общая площадь комплекса превышает 84 тысячи квадратных метров. На ней размещаются несколько ускорителей, экспериментальные зоны, вычислительные мощности и помещения для персонала. Установка многофункциональна. Специалисты уже сейчас используют её для облучения биологических образцов, материалов для микроэлектроники и медицинских фантомов. Результаты этих экспериментов пригодятся в радиационной биологии, при разработке новых материалов, тестировании электроники для экстремальных условий и даже при переработке опасных радиоактивных отходов.
Важное значение комплекс NICA имеет и для международного сотрудничества. Несмотря на геополитическую турбулентность, изучение физики Вселенной объединяет исследователей из разных стран. На базе комплекса уже работают учёные из Китая, Индии, государств Латинской Америки, ОАЭ и Европы. Ожидается, что инновационные и прикладные работы привлекут в Дубну ещё больше иностранных специалистов.
Второй российский мегапроект — Байкальский нейтринный телескоп Baikal-GVD. Он изучает нейтрино — частицы, которые считаются сегодня одними из самых интригующих в физике. Нейтрино уникальны тем, что почти не взаимодействуют с веществом. Они способны беспрепятственно проходить сквозь плотные облака газа и пыли, не отклоняясь магнитными полями. Поэтому нейтрино — идеальные космические курьеры, несущие информацию о процессах в самых отдалённых уголках Вселенной.
Увидеть нейтрино обычными приборами невозможно. Для их регистрации используют нейтринные телескопы, которые фиксируют черенковское свечение — вспышку света, возникающую при взаимодействии нейтрино. Идею использовать глубокие природные водоёмы для детектирования нейтрино высказал советский физик Моисей Марков ещё в 1960 году. Однако реализовать её на практике удалось лишь в России, когда физик Александр Чудаков предложил использовать озеро Байкал. Его уникальные свойства — высокая прозрачность вод, достаточная глубина и наличие прочного ледового покрова — сделали его идеальной площадкой для такого эксперимента.
Первый телескоп на Байкале начал работу в 1993 году. Уже тогда с его помощью удалось впервые детектировать нейтрино, что стало прорывом для мирового сообщества. Сегодня Baikal-GVD — крупнейший нейтринный детектор в Северном полушарии. Он уступает по объёму только американскому телескопу IceCube, расположенному в Арктике. В строй введены 16 рабочих кластеров, а в будущем объём телескопа планируют увеличить до половины кубического километра, что позволит ему обогнать IceCube.
Аппаратура телескопа работает на глубине до 1350 метров, где давление достигает 130 атмосфер. Приборы должны десятилетиями сохранять герметичность в ледяной воде. Решение этих задач стимулировало появление уникальных отечественных разработок: магнитных экранов для защиты фотоумножителей, электронных плат с наносекундным разрешением, глубоководных полупроводниковых лазеров, устойчивых к давлению кабельных муфт и гидроакустических систем позиционирования. Все эти технологии могут найти применение и в других отраслях — от океанологии до оборонной промышленности.
Телескоп на Байкале приносит и практическую пользу. Его детекторы постоянно мониторят физические свойства воды: температуру, течения, прозрачность. По сути, это огромная обсерватория состояния Байкала, содержащего двадцать процентов мировых запасов пресной воды. Данные о его состоянии — вопрос национальной безопасности.
Оба проекта — NICA и Baikal-GVD — имеют не только научное, но и экономическое значение. Как отмечают эксперты, каждый рубль, вложенный в установки класса «мегасайенс», возвращается в экономику в кратном объёме. Реализация проектов создаёт рабочие места, развивает инфраструктуру регионов и привлекает талантливую молодёжь. В ежегодных экспедициях на Байкале участвуют более семидесяти человек — инженеры, физики, гидрологи, IT-специалисты, водолазы, логисты. Все они живут и работают в России.
Коллаборация Baikal-GVD с самого начала была международной. В разные годы в ней участвовали специалисты из Германии, Чехии, Франции и других стран. Сегодня интерес к проекту проявляет Китайская академия наук. Результаты измерений регулярно публикуются в ведущих мировых журналах. Учёные со всего мира участвуют в анализе байкальских нейтрино, потому что без данных Baikal-GVD невозможно получить полную «нейтринную карту» неба.
Фундаментальная физика — это сфера, где границы стираются. И российские мегапроекты служат мостами для международного сотрудничества. Как подчёркивают учёные, наличие на территории России столь масштабных и успешно работающих установок — это весомый аргумент, подтверждающий статус страны как великой научной державы, способной объединять вокруг себя лучшие умы планеты и предлагать ответы на вопросы, которые человечество задаёт себе с момента своего появления.
