Самый мощный в мире рентгеновский лазер запущен при участии России

Физики, химики и биологи ждали этого дня 15 лет — 1 сентября в пригороде Гамбурга запущен рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL (X-ray Free-Electron Laser). Это событие и научное, и политическое. Научное, потому что XFEL открывает возможность исследований в ранее недоступных масштабах — на уровне отдельных атомов. Политическое, потому что в сложный для взаимоотношений России и Евросоюза период Россия стала вторым по объему взноса участником проекта.

XFEL — самый большой рентгеновский лазер в мире. Он будет генерировать до 27 тыс. импульсов в секунду — в 200 раз больше, чем другие рентгеновские лазеры. Такие сверхкотороткие — менее 100 фемтосекунд (фемтосекунда — одна квадриллионнная доля секунды) — импульсы излучения с длиной волны от 0,05 до 40 нанометров позволят различать отдельные атомы и даже их внутренние структуры и видеть сверхкраткие события, ранее недоступные физическим приборам.

Чтобы получить такую частоту мощных импульсов, электроны необходимо разогнать до скорости, близкой к скорости света. Для этого был построен линейный сверхпроводящий ускоритель длиной 1,7 км, где температура кабелей поддерживается на уровне –271 градус по Цельсию. После разгона частицы попадают в ондуляторы, последовательность магнитов с переменной полярностью. Под действием магнитных полей электроны двигаются по синусоидальным траекториям и излучают в жестком рентгеновском диапазоне с очень высокой интенсивностью. Мощные и крайне короткие импульсы позволят зафиксировать так называемое атомарное кино, необходимое для понимания химических реакций.

На площадке XFEL предполагается проводить три типа экспериментов: во-первых, в области структурной биологии, во-вторых, в сфере материаловедения и кинетики химических реакций, и в-третьих — исследовать поведение вещества в экстремальных условиях.

Высокая разрешающая способность лазера позволяет ожидать прорыва в изучении белковых структур и в области фармакологии. Спецпредставитель НИЦ «Курчатовский институт» в европейских исследовательских организациях Михаил Рычев объясняет: «Сейчас, чтобы получить 3D-изображение белка, его нужно кристаллизовать, но далеко не все белки кристаллизуются. Благодаря высокой мощности импульса мы сможем получить 3D-изображение даже от одиночной молекулы белка. Под действием лазерного импульса молекула разваливается, но это происходит примерно за 100 фемтосекунд, а у нас импульс — 10 фемтосекунд, поэтому мы успеем увидеть образ в дифракционной картине до того, как белок разлетится».

Такие трехмерные изображения белка необходимы, в частности, для разработки эффективных фармпрепаратов, исследования структур вирусов. Чтобы разработать новое лекарство, нужно понимать, например, как выглядит вирус гриппа типа А. И увидеть его трехмерную картинку — это конкретная задача от «бигфармы» (Big Farma, профессиональное наименование 50 крупнейших фармацевтических компаний), которая уже ждет этих результатов.

XFEL также впервые позволит ученым увидеть ход химических реакций в реальном времени, снимать «кино», в котором можно будет увидеть, как молекулы перестраиваются, реагируют друг с другом — эти процессы протекают как раз за время порядка фемтосекунд. «Кинетика химических реакций интересна ученым, которые разрабатывают новые катализаторы, новые материалы, занимаются нанотехнологиями»,— говорит об этом втором направлении Михаил Рычев.

Третье направление — это изучение поведения вещества в экстремальных условиях: «При помощи лазера можно моделировать экстремальные условия, похожие на те, что существуют в недрах звезд или были во время Большого взрыва, а другие лазеры, которые смонтированы здесь же, на площадке XFEL, будут исследовать состояние вещества».

По словам Михаила Рычева, первые два направления — это прикладная наука, и именно в возможности проводить прикладные исследования заключается важнейшее отличие XFEL от других мегапроектов, например, Большого адронного коллайдера.

Первые эксперименты на XFEL начнутся уже в сентябре. Всего к началу 2017 года заявки подали более 60 научных коллективов. Уже отобраны 14 групп исследователей, которые с 10 сентября начнут работу на двух первых экспериментальных установках. Отбор прошли, во-первых, не слишком сложные проекты (поскольку эксперименты только начинаются) и, во-вторых, проекты схожей тематики, это в основном структурная биология и новые материалы.

Российская четверть

Запуск XFEL оказался и важным политическим событием — это случай, когда Россия стала полноправным участником крупного европейского научного проекта.

В ценах 2005 года установка стоила €1,22 млрд, 57% суммы внесла Германия, около 26% — Россия. Остальное поделено между еще десятью странами — участниками проекта (это Дания, Франция, Венгрия, Италия, Польша, Словакия, Испания, Швеция, Швейцария, кроме того, в процессе присоединения к проекту находится Великобритания).

Окончательный объем вклада России в проект станет понятен в этом году, когда будет перечислен последний платеж, но уже можно сказать, что он составит около €400 млн в текущих ценах (и около €306 млн в ценах 2005 года).

Россия участвовала в проекте не только деньгами, российские ученые и институты занимались разработкой проекта, созданием отдельных элементов лазера. «Например, Институт ядерных исследований в Троицке сделал инжектор для ускорителя, который по своим параметрам превзошел начальные плановые показатели»,— говорит Михаил Рычев.

В результате российские ученые стали полноправными участниками экспериментов на европейском лазере. Координатором российской научной программы является Курчатовский институт. Под эгидой института сформирована Ассоциация российских университетов, участвующих в проектах в области megascience. В нее вошли Санкт-Петербургский и Московский университеты, МФТИ, Южный Федеральный университет, Калининградский, Томский и другие университеты. Уже в ближайшие недели члены Ассоциации приступят к экспериментам.