Poznaj historię Wszechświata i odkryj skład ciemnej materii: instalacje klasy meganaukowej w Rosji, które zmieniają naukę

Obiekty klasy Megascience to potężne kompleksy naukowe do zasadniczo nowych badań. Pomysł stworzenia takiego pojawił się w drugiej połowie XX wieku. Przedrostek „mega” nie jest tu przypadkowy: tego typu projekty są naprawdę gigantyczne i powstają przy wsparciu finansowym i udziale specjalistów z różnych krajów i dziedzin nauki. Struktury meganauki składają się z wielu komponentów: zarówno obiektów fizycznych, takich jak ogromne akceleratory cząstek czy teleskopy, jak i ultranowoczesnych systemów informatycznych do przetwarzania danych.

Zadanie kompleksów jest również wyjątkowe: zaglądać wykracza poza podstawy nauki i odpowiada na fundamentalne pytania. Na przykład, aby zrozumieć, jak pojawił się Wszechświat i czy istnieje życie poza Ziemią. Ale są one przydatne nie tylko z punktu widzenia zainteresowań naukowych. Odkrycia dokonane w drodze badań są przydatne w medycynie, technologii komputerowej i przemyśle.

7 instalacji meganaukowych w Rosji

1. Reaktor badawczy PIK

Projekt instalacji klasy meganaukowej w Gatchinie

pojawił się już w latach 70., ale zaczął pracować dopiero na początku 2021 roku. Opóźnienie wynikało z awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu: po niej zaczęto ponownie testować podobne kompleksy pod kątem bezpieczeństwa i przy udziale międzynarodowego panelu ekspertów. Proces ciągnął się do 1991 roku, ale pojawiła się nowa trudność - upadek ZSRR, przez co projekt został na pewien czas całkowicie zamrożony. Wrócili do pracy w 2000 roku.

PIK to reaktor neutronowy chłodzony wodą. Tak nazywają się urządzenia, w których zwykła woda usuwa ciepło, a deuter, zwany także ciężką wodą, spowalnia reakcję jądrową. Zadaniem instalacji jest generowanie neutronów. Obecnie działa na nim pięć stacji badawczych z 25, więc naukowcy wciąż dopiero badają te cząstki. PIK powinien osiągnąć pełną funkcjonalność do końca 2024 r. Następnie będą prowadzone tam eksperymenty mające na celu badanie obiektów w mikroświecie, zachowanie cząstek i reakcje jądrowe, a także tworzenie nowych materiałów, m.in. dla biomedycyny. Naukowcy sugerowaćże za pomocą tej meganaukowej instalacji możliwe będzie znalezienie nowego podejścia do leczenia raka.

2. Zderzacz NICA

Zderzacz nadprzewodzący w Dubnej powstał do badań materii jądrowej. W pracach nad nim wzięło udział 19 krajów, a w tym roku meganauka powinna zacząć działać z pełną mocą. Za pomocą takiego układu naukowcy chcą zrozumieć, w jaki sposób Wielki Wybuch doprowadził do powstania protonów i neutronów. Zdaniem naukowców zderzacz pomoże odtworzyć plazmę kwarkowo-gluonową – jest to szczególny stan skupienia materii w fizyce cząstek elementarnych. Uważa się, że to w nim Wszechświat przebywał w pierwszych chwilach swojego życia.

Plazma kwarkowo-gluonowa będzie odtwarzana w wyniku zderzenia wiązek różnych cząstek, w tym ciężkich jonów o niskich energiach. Aby uchwycić wyniki tych eksperymentów w akceleratorze wysłane dwa układy eksperymentalne: MPD i SPD.

3. Tokamak T-15MD

Tokamak, zwany także komorą toroidalną z cewkami magnetycznymi, to specjalny rodzaj reaktora służący do wytwarzania syntezy termojądrowej w gorącej plazmie. Instalacja T‑15MD w porównaniu z innymi meganaukami jest dość kompaktowa. Znajduje się w Moskwie, w Instytucie Kurczatowa. Jest to zmodernizowana wersja reaktora T-15, który pracowałem na bazie instytucji od lat 80-tych. Został uruchomiony w nowym formacie w 2021 r., ale będzie udoskonalany do 2024 r.

Reakcje, które będą zachodzić w T-15MD przypominają procesy zachodzące w jądrach gwiazd, którym towarzyszy ogromne uwolnienie energii. I tu leży główny cel tokamaka. Naukowcy mają nadzieję, że eksperymenty tam pomoże ludzkości w znalezieniu nowego, bezpiecznego i praktycznie niewyczerpanego źródła energii elektrycznej.

4. Obserwatorium promieni gamma TAIGA

Kompleks ten obejmuje kilka teleskopów atmosferycznych, ponad sto szerokokątnych detektorów optycznych i wiele innych komponentów. Wszystko to zajmuje imponujące terytorium – kilka kilometrów kwadratowych. Usytuowany obserwatorium na stanowisku astrofizycznym Irkuckiego Uniwersytetu Państwowego w Dolinie Tunkin: lokalizacja idealny do obserwacji ciał niebieskich, ponieważ jest daleko od miast i rzadko się tam zdarza Głównie pochmurno.

Centrum Kontroli TAJGI zarobione w 2021 r. Głównym zadaniem tej instalacji jest poszukiwanie ultrawysokoenergetycznego promieniowania gamma. Takie reakcje powodują eksplozje galaktyk lub łączenie się czarnych dziur. Naukowcy muszą wychwytywać promienie gamma za pomocą czujników, aby zrozumieć naturę Wszechświata. A także dowiedzieć się więcej o pochodzeniu obiektów pozaziemskich o najwyższej energii, takich jak supernowe i blazary – aktywne jądra galaktyczne.

5. Baikal-GVD (głębokomorski teleskop neutrinowy Bajkał)

Kolejne megaobserwatorium naukowe. Przy okazji, usytuowany znajduje się niedaleko TAJGI – w głębi jeziora Bajkał – i również rozpoczął prace w 2021 roku. W jego tworzeniu uczestniczyli naukowcy i inżynierowie z 11 międzynarodowych ośrodków badawczych. Wizualnie instalacja nie jest szczególnie podobna do klasycznego teleskopu: jest to sieć kabli, na których znajdują się sferyczne szkła detektory wychwytujące neutrina - tak nazywa się cząstki bez ładunku, o maleńkiej masie i ogromnej prędkości zbliżającej się do prędkości Swieta. Praktycznie nie wchodzą w interakcję z innymi elementami i latają wszędzie. Nawiasem mówiąc, kiedy czytałeś artykuł, ponad sto miliardów neutrin przeleciało obok ciebie, a nawet przez ciebie.

Wartość tych cząstek leży w ich unikalnej informacji. Naukowcy sugerują, że neutrina pomoże poznaj procesy zachodzące gdzieś bardzo daleko we Wszechświecie, a także prześledź ewolucję całych galaktyk i powstawanie czarnych dziur o ogromnych masach - 10⁵–10¹¹ mas Słońca. A teleskop Bajkał wyłapał już takie cząstki. Przykładowo w 2021 roku równolegle z inną podobną instalacją klasy meganauki – IceCube, która zlokalizowana jest na biegunie południowym – nagrany neutrina z jądra odległej galaktyki. Po raz pierwszy teleskopy neutrinowe w różnych częściach planety zarejestrowały sygnał z tego samego źródła.

6. Emiter synchrotronu „KISI-Kurczatow”

Ten kompleks mega-klas naukowych otwierany w 1999 roku. Już w XXI wieku przeprowadzono modernizację: obecnie projekt obejmuje aż 16 stacji, na każdej z nich można prowadzić równoległe badania. Nawiasem mówiąc, w KISS-Kurchatov rocznie przeprowadza się około 200 eksperymentów, nad którymi pracuje około 60 grup naukowców, zarówno krajowych, jak i zagranicznych.

Głównym mechanizmem tego kompleksu meganaukowego jest źródło promieniowania synchrotronowego. Pomaga szczegółowo zbadać, aż do skali atomowej, różne materiały i przedmioty przyrody żywej i nieożywionej. Promieniowanie synchrotronowe wykorzystywane jest w różnych dziedzinach nauki – od fizyki i medycyny po archeologię. Na przykład za pomocą KISI-Kurchatova można prześledzić pochodzenie starożytnych artefaktów i sprawdzić, jak leki przeciwnowotworowe oddziałują z błoną komórkową człowieka.

7. SIŁA

Ta meganauka jest właśnie przygotowywana. On pojawi się w miejscowości Protwina pod Moskwą i będzie składał się z dwóch elementów: źródła promieniowania synchrotronowego czwartej generacji oraz lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach. Naukowcy sugerują, że to połączenie pomoże odkryć, w jaki sposób powstały atomy, cząsteczki, kwarki i inne cząstki. Oznacza to zrozumienie, w jaki sposób narodził się i rozwinął Wszechświat.

Głównym celem projektu STRENGTH jest zdobywanie nowej wiedzy i tworzenie w oparciu o nią nowych technologii różnych dziedzin nauki i techniki, np. medycyny, materiałoznawstwa, rolnictwa, energia, informatyka. W sumie na powierzchni prawie 190 tysięcy kilometrów kwadratowych będzie 52 stanowiska doświadczalne i centrum przetwarzania danych. Badania będzie mogło tam prowadzić około 200 organizacji naukowo-dydaktycznych oraz 50 przedsiębiorstw z realnych sektorów gospodarki – m.in. inżynierii mechanicznej, metalurgii i chemii oraz biologii.