Все новости

"Думали, что придется вернуться назад". Как в Дубне создали самые тяжелые в мире элементы

© Сергей Карпухин/ТАСС
Одно упоминание ядерной физики парализует: что-то сложное, страшное и скучное — редкое сочетание дурных свойств. Чтобы развеять это предубеждение, ТАСС съездил в один из главных ядерных центров в мире

В просторном зале, заставленном оборудованием, сквозь гул вентиляции и разговоры снующих техников раздался скрежет металла. "Я думал, стремянка привинчена к полу", — виновато сказал наш фотограф. Только что он чуть не свалился на трубу новенького циклотрона ДЦ-280 за $25 млн, который создали 18 стран (вместе со зданием проект стоил где-то $60 млн). Тестовые пуски прошли успешно, но циклотрон еще нужно наладить. Из-за этого вокруг больше инженеров и рабочих в спецовках, чем ученых, которые специально для нас пришли из кабинетов, надели белые халаты и со знанием дела позируют рядом с аппаратурой. Наука — это еще и ожидания от науки: мы ждем, что ученые выглядят именно так, а они согласны подыграть.

Сопровождающий нас доктор физико-математических наук Александр Карпов, посмотрев на стремянку и фотографа, замолчал и едва заметно нахмурился, но через пару секунд продолжил рассказывать, что затеяли в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Здесь, в Дубне, занимаются тем, что раньше считалось делом господа и о чем мечтали алхимики: создают материю, превращая одни химические элементы в другие, прежде невиданные. 105-й так и называется — дубний, 115-й — московий (Дубна расположена на севере Московской области), 114-й, флеровий, напоминает об основателе Лаборатории ядерных реакций Георгии Флерове, а 118-й — о его ученике и нынешнем научном руководителе лаборатории Юрии Оганесяне.

Научный руководитель Лаборатории ядерных реакций Юрий Оганесян Сергей Карпухин/ТАСС
Описание
Научный руководитель Лаборатории ядерных реакций Юрий Оганесян
© Сергей Карпухин/ТАСС

На 118-й клетке, которую занимает оганесон, заканчивается таблица Менделеева. С помощью циклотрона ДЦ-280 — фабрики сверхтяжелых элементов — дубнинцы рассчитывают лучше изучить свойства этого и соседних элементов, чтобы проверить существующие теории. Прежде сделать это было не так-то просто: пойди разберись, когда у тебя всего пять или шесть атомных ядер, к тому же живущих подчас где-то миллисекунду. Есть и вторая цель. Теоретически оганесон не последний химический элемент. В новых экспериментах физики надеются синтезировать два следующих, которые начнут восьмой период таблицы Менделеева и, может быть, приоткроют тайны мироздания.

Элементарная история всего

Все, что мы видим, — драцена в пластиковом горшке, осевшая на ее листьях пыль, коллега, обернувшаяся на шелест, Солнце за окном, само окно — состоит в основном из протонов и нейтронов, частиц, образующих ядра всех-всех атомов. Атомное ядро — невообразимая штука, чем-то напоминающая одновременно и каплю электрически заряженной жидкости, и газ; чрезвычайно маленькая, но такая плотная, что 100-литровая бочка такого вещества весила бы, как вся вода в Байкале. И хотя ученые смогли заглянуть внутрь ядер, творящиеся там процессы до сих пор остаются загадкой.

Сначала физиков удивляло, что ядра атомов вообще существуют: протоны заряжены положительно и по идее должны отталкиваться друг от друга, а у нейтронов заряда нет — им бы летать, ни с кем не связываясь. Ученые ломали голову, в чем дело, пока не поняли: на расстоянии, которое меньше вишни во столько же, во сколько вишня меньше расстояния от Земли до Солнца, действует особая сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе. Ее назвали сильным взаимодействием.

Природа этой силы до конца не ясна, но без нее привычный нам мир точно не появился бы. А возникать он начал спустя считаные минуты после Большого взрыва: тогда образовались ядра первых и самых легких химических элементов — водорода, гелия и немного лития. Эти элементы отличаются прежде всего числом протонов: в водороде протон всего один, в гелии — два, в литии — три (поэтому-то они идут друг за другом в таблице Менделеева).

Из водорода и гелия получились первые звезды — колоссальные газовые шары с таким давлением и температурой, что атомные ядра в их недрах сливаются в более тяжелые, вплоть до 26-го элемента, железа, если звезда особенно большая. Наше Солнце — звезда заурядная и на последнем издыхании сможет породить в значительном количестве только шестой элемент — углерод. Но и стараний всех звезд — что маленьких, что колоссальных — за всю историю Вселенной не хватило, чтобы значительно изменить состав материи: спустя почти 14 млрд лет после Большого взрыва примерно три четверти вещества по-прежнему водород, еще четверть — гелий, а остальное составляет менее 1%.

Элементы за железом в звездах почти не образуются. Для этого в атомное ядро должно попасть извне несколько нейтронов: когда их много, часть способна превратиться в протоны, а именно количество протонов, как мы помним, отличает один элемент от другого. Загвоздка в том, что встречи с нейтронами в звездах разделяют сотни, иногда тысячи лет. За это время атомные ядра зачастую распадаются, не дождавшись частицу, которая перевернет их жизнь.

Делая по одному протонному шажку, можно добраться до 82-го элемента, свинца. Дальше — пропасть из радиоактивных ядер, которые быстро распадаются на более легкие осколки. Чтобы ее перепрыгнуть, нужно поистине устрашающее и завораживающее событие — взрыв сверхновой, когда умирающая звезда вспыхивает ярче, чем что-либо в галактике, и сбрасывает оболочку. На ее месте остается обвалившаяся сама в себя сердцевина размером где-то 10–20 км и массой, как одно-два Солнца. Вещество получившегося шара, нейтронной звезды, по плотности сравнимо с атомным ядром. Считается, что во всей Вселенной еще плотнее только черные дыры.

Во время этой немыслимой катастрофы высвобождается гигантское количество нейтронов — столько, что попавшимся на пути атомным ядрам не нужно ждать встречи с частицами веками. Катаклизм еще грандиознее — когда две такие штуковины сталкиваются: в этот момент само пространство-время дрожит, как вода, в которую бросили камень (за открытие гравитационных волн от слияния двух других объектов, черных дыр, в 2017 году вручили Нобелевскую премию по физике). В таких событиях тоже вылетает порядочно нейтронов, и получаются тяжелые элементы.

Что именно образуется при появлении и слиянии нейтронных звезд, наверняка не известно. Точно — 92-й элемент, уран, залежи которого есть на нашей планете (почти все многообразие элементов на Земле — результат жизни и смерти звезд; именно в этом смысл романтического утверждения, что каждый человек на 97% состоит из звездного вещества). В горных породах также были найдены ничтожные количества следующих за ураном нептуния и плутония, но они появились из-за распада урана, а не прилетели из космоса.

Чтобы элементы тяжелее урана пережили путешествие до нашей планеты, нужна удача. Последний раз сверхновая взрывалась в окрестностях Земли в 1604 году. В окрестностях — это примерно в 13 тыс. световых лет (150 млн км от нашей планеты до Солнца — это чуть больше 8 световых минут). Если бы атомы летели с предельной скоростью, столько времени занял бы их путь до нас. Чаще сверхновые загораются на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет. Тяжелые ядра обычно погибают в радиоактивном распаде намного быстрее, к тому же в звездах их образуется так мало, что счастливчиков чрезвычайно трудно засечь.

Чтобы все-таки получить такие ядра, физикам ничего не остается, кроме как создать условия, похожие на звездные.

"Красивая сказка!"

Колоссальный поток нейтронов, нужный для превращения одних химических элементов в другие, возникает в атомных реакторах и при термоядерных взрывах. Изучив пыль в бумажных фильтрах из самолетов, пролетевших сквозь облако после детонации водородной бомбы, и кораллы на месте испытания, в 1952 году американцы из Калифорнийского университета в Беркли открыли два новых элемента. Их назвали эйнштейний (99-й в таблице Менделеева) и фермий (100-й).

Едва ли природа питает слабость к круглым числам, но после сотого элемента от ядерных взрывов и реакторов не было толка. Все, что тяжелее фермия, получили на специальном оборудовании — ускорителях, например циклотронах, как в Дубне. В циклотронах атомные ядра разгоняются и направляются по трубе в мишень — тонкий слой тщательно подобранного вещества на вращающемся диске. Если повезет, при попадании снарядов в мишень образуются новые ядра.

В отличие от частиц в знаменитом Большом адронном коллайдере, снаряды летят сравнительно медленно, со скоростью около 1/10 скорости света. Правда, этого все равно хватило бы, чтобы обогнуть Землю примерно за секунду. В циклотроне ДЦ-280 расстояние намного меньше: мишень расположена в соседнем зале. Скорость выбрана так, чтобы снаряды преодолели силу электрического отталкивания, но при этом не раскалывали мишень: как капли жидкости, два ядра должны слиться в более крупное, где будет столько же протонов и нейтронов, сколько в мишени и снаряде по отдельности.

Ядра самых тяжелых элементов были получены этим же способом, только на старом циклотроне У-400. Многие физики думали, что это вообще невозможно. "Одна теоретическая модель показывала, что за фермием больше нет элементов, там глубокое море нестабильности: полученные ядра моментально делятся. Но другая модель говорила: "Да-да, совершенно правильно, именно так оно и есть. Но если вы уйдете очень далеко, в этом море найдется остров, состоящий из сверхтяжелых элементов. Доберетесь — увидите". Красивая сказка!" — рассказывает Юрий Оганесян.

Проверка гипотезы казалась делом насколько сложным, настолько и безнадежным. В лабораториях разных стран и в Дубне годами проводили эксперименты, но безуспешно. "С очень большой вероятностью ничего не получилось бы, — вспоминает Юрий Оганесян. — Мы начали в непростое время, 1990-е годы. Нам казалось, что есть еще одна реакция, которую надо бы попробовать. Я говорил коллегам, что если не выйдет, то этим будут заниматься не наши дети, а наши внуки".

Из-за обилия протонов в тяжелых ядрах накапливается очень большой заряд — силы отталкивания раскалывают их на части. Выход был один — "плыть" к острову стабильности, а для этого ядро нужно сильно "разбавить" нейтронами. "Каждый дополнительный нейтрон продлевает время жизни примерно в десять раз", — объясняет Александр Карпов. Три лишние частицы — и ядро продержится не миллисекунду, а секунду, еще плюс три — счет пойдет на минуты, а три нейтрона сверху дадут несколько суток.  

Карта химических элементов и их разновидностей (изотопов). Чем тяжелее элемент, тем он выше. Чем темнее клетка, тем дольше живет изотоп. Впадина, делящая основную часть на две неравные части, — упомянутая в тексте пропасть нестабильных ядер. Остров стабильности сверхтяжелых ядер расположен в верхнем правом углу. Выпуклые клетки — изотопы, которые удалось синтезировать в Дубне Сергей Карпухин/ТАСС
Описание
Карта химических элементов и их разновидностей (изотопов). Чем тяжелее элемент, тем он выше. Чем темнее клетка, тем дольше живет изотоп. Впадина, делящая основную часть на две неравные части, — упомянутая в тексте пропасть нестабильных ядер. Остров стабильности сверхтяжелых ядер расположен в верхнем правом углу. Выпуклые клетки — изотопы, которые удалось синтезировать в Дубне
© Сергей Карпухин/ТАСС

Но снаряды и мишени с избытком нейтронов не так-то просто добыть. "Один из элементов, плутоний-244, сам искусственный. Сначала его надо было приготовить на мощном реакторе в Америке, на котором когда-то делали материалы для первой атомной бомбы. Реактор работал круглый год и был способен создать 10 мг нужного вещества. А мы со своей стороны должны были взять совершенно удивительный, очень редкий и безумно дорогой изотоп кальция, кальций-48. Грамм, по-моему, стоит $250 тыс. К тому же вся наша аппаратура не годилась для этой задачи. На подготовку ушло семь лет", — рассказывает Юрий Оганесян.

Сами эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов тоже проходят не быстро, растягиваясь на недели и месяцы. Дело в том, что ядра образуются чрезвычайно редко. В старом циклотроне мишень каждую секунду обстреливали 6 трлн частиц кальция — это почти в 800 раз больше, чем людей на Земле. 6 трлн встреч в секунду, а например, чтобы получить оганесон, потребовалось полтора месяца непрерывной работы. Как это бывает в жизни, большинство встреч ни к чему не привели: в жутком хаосе детекторы засекли всего три атома оганесона, которые почти тут же каскадом превратились в более легкие. Но дубнинцам этого было достаточно, чтобы понять: вот оно.

Зачем нужны циклотроны

Новая фабрика сверхтяжелых элементов убыстрит работу благодаря более плотному пучку снарядов и усовершенствованному агрегату для сортировки ядер после попадания в мишень. "Где эксперимент длился месяц, там теперь можно провести его за день", — объясняет Александр Карпов. В идеале фабрика будет в 100 раз эффективнее прежней установки. Это позволит лучше изучить свойства элементов: атомов все равно получится считаное число, но все-таки как минимум десятки и сотни. Этого будет достаточно, чтобы во многом разобраться.

Один из вопросов — вписываются ли новые элементы в таблицу Менделеева. "112-й, который живет 3 секунды, находится под ртутью. Интересна она тем, что это благородный металл, а такие металлы образуют соединения друг с другом. Например, ртуть и золото дают амальгаму ртути, известную со Средневековья. Раньше на жестяные крыши соборов кисточкой наносили ртуть, а сверху накладывали золотую фольгу — и все, на века. Вопрос: а 112-й элемент дает амальгаму? Такой эксперимент был сделан здесь в 2007 году. Да, дает", — рассказывает Юрий Оганесян. Но, по его словам, есть опасение, что периодичность перестанет работать совсем скоро — на 122-м или 123-м элементе.

Георгий Гульбекян (справа) — главный инженер Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ Сергей Карпухин/ТАСС
Описание
Георгий Гульбекян (справа) — главный инженер Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ
© Сергей Карпухин/ТАСС

Только добраться туда будет сложно. Еще более тяжелые ядра не получить бомбардировкой кальцием: нет подходящей мишени. Выход один — менять снаряд. Для синтеза 119-го и 120-го физики планируют использовать титан. "Не было этого острова стабильности и спали спокойно. Появился — возникла новая проблема: это последний остров? А может, дальше есть еще. Может, есть гипертяжелые элементы. Мы не дошли до границы существования ядер? Нет, не дошли. Они могут быть, но где — мы не можем сказать", — рассуждает Юрий Оганесян.

У обычных людей, далеких от ядерной физики, возникает другой вопрос: зачем это нужно, зачем тратить столько денег? От ученых ждут, что они будут не только ходить в белых халатах по лаборатории, постигая мироздание, — хочется, чтобы они приносили пользу. Они и приносят.

Конечно, от трех атомов, распадающихся за миллисекунду, толку мало. Но чтобы их синтезировать, нужно хорошо постараться. "С помощью палочки и веревочки это не сделаешь", — говорит Юрий Оганесян. Для разгона частиц требуются особые магниты, разгоняющие электроды-дуанты, системы охлаждения, для обнаружения атомных ядер — детекторы, компьютеры, алгоритмы обработки данных. Многие узлы ускорителей нельзя было построить, используя известные технологии, — пришлось изобретать новые. Что-то из этого применяют в областях, далеких от физики. В конце концов, даже сами циклотроны нужны не только ученым: такие установки стоят в больницах и производят, например, радиоактивные препараты для лечения рака. 

"У общества есть заботы кроме науки: здравоохранение, образование, уровень жизни. Каждое общество решает, сколько класть на то, что нужно решить сегодня, а сколько — на будущее, на познание, на то, что не пойдет прямо сегодня в дело тамбовскому крестьянину, но, может, спустя годы даст новый источник энергии или сверхбыстрый компьютер. Для общества открытия — это скорее флаг, чем конкретный результат. Но финансируя научные исследования, общество заставляет передовые умы заниматься чем-то неизвестным, и может, сам процесс важнее", — считает Юрий Оганесян.

Есть и еще один ответ на вопрос обывателей. Через два дня после Дубны я уехал на Сицилию в школу для научных журналистов и коммуникаторов. За ужином сидевший рядом парень из Лондона спросил, чем я занимаюсь. Я начал рассказывать первое, что пришло на ум, — про разговор с физиком, в честь которого назвали последний химический элемент. "Ого, Оганесян?!" — перебил Иен. Я гордо кивнул. Но дело не в гордости, да и гордиться, если на то пошло, лично мне было нечем. Главное — ядерная физика помогла найти общий язык двум людям из очень разных культур (и научным организациям из 18 стран). Очень быстро, хоть и не за микросекунды, как в детекторе циклотрона, встреча с англичанином обрела смысл.

Фундаментальные науки имеют гуманитарное значение. Пытаясь понять универсальные законы природного мира, физики создают человеческий мир — в своем роде универсальный, то есть общий для всех нас. Взять хотя бы недавно опубликованную фотографию черной дыры: трансляцию пресс-конференции одновременно смотрели сотни тысяч людей — редкий случай для науки. Мы, человечество, добились чего-то действительно впечатляющего (пусть объяснить, чего именно, не так-то просто). Исследователи из других областей часто делают то же самое, но говорят о бедах и угрозах: изменении климата, последней галапагосской черепахе, автоматизированном будущем без работы, неравенстве, несвободе и экспериментах, чьи результаты не воспроизводятся. Может, дело в пейзажах Сицилии, но в тот вечер я подумал, что физики, изучающие ядра, по крайней мере оживляют веру в поступательный прогресс, раскритикованную и высмеянную во второй половине XX века, веру в завтрашний день, который будет лучше вчерашнего.

Марат Кузаев