Nie tylko CERN. Zjednoczony instytut pod Moskwą i badania jądrowe z polskim wkładem

Fakt, że polscy fizycy jądrowi zaangażowani są w międzynarodowe badania prowadzone przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w szwajcarskim CERN pod Genewą nie budzi większego zdziwienia. Mniej osób wie natomiast, że Polska ma też długoletni udział w innym znaczącym międzynarodowym projekcie tego formatu - Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych (ZIBJ), zlokalizowanym w Dubnej (Rosja). Podejmowane są tam nie mniej zaawansowane badania m.in. nad superciężkimi pierwiastkami bądź nad nanomateriałami zdolnymi do magazynowania energii. W zakres ten wchodzą również analizy koncepcji rozwoju Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu.

Dubna mieści się nad brzegami Wołgi, 120 km na północ od Moskwy. Instytut zatrudnia łącznie ponad 4,5 tys. osób, w tym ok. 1,2 tys. pracowników naukowych. Pracuje tam stale ponad 30 polskich fizyków i inżynierów. Co roku przyjeżdża z Polski do ZIBJ na krótkie pobyty 80-100 fizyków i specjalistów, a także ok. 70 studentów, uczniów i nauczycieli.

O polskim wkładzie w prowadzone tam badania może powiedzieć wiele prof. Michał Waligórski z IFJ PAN w Krakowie. "W Dubnej, obok badań podstawowych, pracujemy nad wykorzystaniem fizyki jądrowej w nauce, ale także i w technologii. Kształcimy naukowców, studentów i kadry techniczne, ucząc ich najnowszej fizyki oraz najwyższych technologii" - wyjaśnia w rozmowie z Polską Agencją Prasową. Profesor Waligórski jest przedstawicielem Rządu RP w międzynarodowym Komitecie Pełnomocnych Przedstawicieli przy ZIBJ.

O ile w szwajcarskim CERN do dyspozycji naukowców oddano najpotężniejszy w świecie zderzacz protonów LHC (Large Hadron Collider), o tyle badania w Dubnej są bardziej rozproszone. Budowany jest tam wprawdzie pokrewny LHC zderzacz ciężkich jonów NICA, ale działa tam również wiele innych urządzeń (m.in. cyklotrony o różnych mocach i możliwościach, impulsowy reaktor jądrowy, spektrometry i detektory). Udział w indywidualnych badaniach z założenia brać mogą mniejsze zespoły nastawione na realizację badań bardziej autorskich. Dzięki temu eksperymenty prowadzić mogą zespoły z mniejszych ośrodków badawczych, które nie dysponują tak wysokimi budżetami i tak licznymi zespołami fizyków, jakich wymagają eksperymenty w fizyce cząstek elementarnych wykorzystujące LHC w Genewie. Niezależnie od tego, fizycy ZIBJ i CERN ściśle ze sobą współpracują przy tych największych i najbardziej doniosłych eksperymentach.

Jeśli chodzi o ogólne kierunki badań, z których słynie Dubna, są to badania nad superciężkimi pierwiastkami. Pracujące w Dubnej akceleratory umożliwiają tworzenie jąder atomów, które nie występują na Ziemi. W tarcze z ciężkich pierwiastków „strzela się” pociskami lżejszych jonów (np. wapnia). Przy takim zderzeniu tworzy się na krótką chwilę superciężkie jądro nowego pierwiastka. Po sposobie, w jaki się rozpada, można poznać jego właściwości. To właśnie dzięki badaniom prowadzonym w Dubnej zarejestrowano po raz pierwszy pierwiastki o masach atomowych: 105, 114, 115 i 118. Dzięki tym badaniom naukowcy mogą sprawdzić, jak działają siły jądrowe na granicy swoich możliwości - w najbardziej masywnych jądrach atomów.

Przez niemal 65 lat działania Dubnej nigdy nie mieliśmy problemów ze współpracą naukową. Szła ona zawsze płynnie, niezależnie od tego, jak układała się w tym czasie polityka między Polską a Rosją. Jestem przekonany, że współpraca naukowa to kanał porozumienia, który powinien między naszymi państwami istnieć zawsze.

Prof. Waligórski opowiada też, że dzięki NICA - zderzaczowi przeciwbieżnych wiązek ciężkich jonów o wysokich energiach - będzie można badać nowy stan materii, tzw. plazmę kwarkowo-gluonową. Stan ten pojawił się na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata, tuż po Wielkim Wybuchu. Budowę zderzacza NICA rozpoczętą dekadę temu planuje się zakończyć już za parę lat. Koszt tego urządzenia, wraz ze stanowiskami pomiarowymi przekroczy 500 mln USD. Pokryje go głównie Federacja Rosyjska jako członek-założyciel ZIBJ.

Sztandarowym projektem ZIBJ jest też BAIKAL GVD (Gigaton Volume Detector). Zatopiony w czystych wodach jeziora Bajkał (a więc daleko od Dubnej) na głębokości pomiędzy jednym a dwoma kilometrami poniżej poziomu wody tego jeziora zestaw ponad 10 tys. fotopowielaczy będzie obserwował, w objętości ponad 1 kilometra sześciennego wody oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego o skrajnie wysokich energiach oraz towarzyszące im neutrina. Wspólnie z podobnymi „teleskopami neutrinowymi”, np. międzynarodowym IceCube na Antarktydzie, bada się skąd z Kosmosu cząstki te przychodzą i jaka jest fizyka gwiazd i galaktyk Kosmosu. W projekcie BAIKAL GVD zaangażowani są już naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Unikalnym urządzeniem badawczym w ZIBJ, które wykorzystuje w swoich pracach liczna grupa z Polski, jest też impulsowe źródło neutronów IBR-2. "Można to nazwać bombą atomową na sznurku" - żartuje prof. Waligórski. Wyjaśnia, że podobnie jak obracające się wiaderko z wodą na sznurku, obracający się element masy podkrytycznej uranu-235 zbliżając się na ułamek sekundy do drugiego takiego elementu inicjuje chwilowo „atomową” reakcję rozszczepienia, co generuje silne impulsy neutronów. „Impulsowe wiązki neutronów dają nam unikalne w świecie narzędzie do badania dynamiki układów ciała stałego" - komentuje naukowiec.

Dubna jednak to nie tylko badania podstawowe, ale również i badania nad praktycznym wykorzystaniem energii jądrowej. W instytucie opracowuje się m.in. membranowe filtry, które przepuszczają tylko molekuły o precyzyjnie wyznaczonych rozmiarach - np. wielkości bakterii czy wirusów. "Otwory w tych filtrach powstają, kiedy dziurawi się je rozpędzonymi cząstkami" - tłumaczy prof. Waligórski.

W ZIBJ trwają też prace nad nowoczesnymi nanomateriałami, które mogłyby magazynować energię elektryczną lub wodór. Takie rozwiązania mogą pomóc ludzkości efektywniej przechowywać i przenosić energię pochodzącą z odnawialnych źródeł - np. Słońca czy wiatru.

Koszty funkcjonowania Dubnej to ok. 200 mln USD rocznie. 80 proc. tej kwoty opłaca Federacja Rosyjska, a 20 proc. – pozostałe państwa członkowskie. Z racji swojego dochodu narodowego, Polska jest wśród nich najwyższym płatnikiem - obecnie wkład Polski wynosi ok. 10 mln USD rocznie (5 proc. budżetu ZIBJ). Prof. Waligórski tłumaczy jednak, że pieniądze te częściowo wracają do Polski. Dzięki nim finansowane są bowiem wynagrodzenia i badania polskich naukowców biorących udział w pracach ZIBJ. Z części polskiej składki ZIBJ buduje się też w krakowskim synchrotronie UJ Solaris wspólną linię badawczą, z której będą mogli korzystać zarówno badacze z krajów członkowskich ZIBJ, jak i gospodarze - UJ. Uzupełni to badania ciała stałego prowadzone w Dubnej, która nie dysponuje synchrotronem. W ten sposób 3 mln USD rocznie z polskiej składki wraca do kraju. Kolejne miliony wracają do Polski w postaci zwrotu przemysłowego - kontraktów dla polskich firm, które dostarczają elementy wysokiej technologii do ZIBJ – dodaje prof. Waligórski.

"ZIBJ w Dubnej powstał w 1956 r. jako odpowiedź państw bloku radzieckiego na powołanie CERN" - opowiada prof. Waligórski. I dodaje, że Polska była jednym z członków założycieli tego Instytutu. Przypomina, że CERN powstał dla pokojowego wykorzystania badań fizyki jądrowej i na podobnych zasadach powołano ZIBJ. "W ZIBJ w Dubnej nigdy nie wykorzystywano fizyki jądrowej dla celów wojskowych, zaś wszystkie prowadzone tam badania zawsze były i są jawne" - wyjaśnia profesor.

Państwami członkowskimi ZIBJ są: Armenia, Azerbejdżan, Białoruś, Bułgaria, Czechy, Gruzja, Kazachstan, Korea Płn., Kuba, Mołdawia, Mongolia, Polska, Federacja Rosyjska, Rumunia, Słowacja, Ukraina, Uzbekistan i Wietnam. Natomiast pięć państw uczestniczy w ZIBJ na mocy umów dwustronnych. Tymi państwami są: Egipt, Niemcy, RPA, Serbia oraz Węgry.