Доктор физ-мат наук, профессор кафедры фундаментальной прикладной физики САФУ им. М. В. Ломоносова, рассказал СЛОНу о мегасайнс проекте — аналоге Большого адронного коллайдера, о том, почему электроны мешают нам экспериментировать, о неблагоприятном северном небе, о романтике звезд на нем. С Дмитрием Макаровым беседовал Алексей Сивухин.
С 2023 года в Иванове стартовал увлекательный научно-просветительский проект «СЛОН» («Солярис. Лекции о науке»), который превращает сложные научные темы в доступные и интересные истории. Основная цель проекта — сделать науку ближе и понятнее для всех. Хотя изначально лекции были рассчитаны на старшеклассников и студентов, они привлекли внимание людей всех возрастов. В интернете лекции собрали уже более 12 миллионов просмотров, что говорит о большом интересе к проекту.
СЛОН: Дмитрий Николаевич, расскажите о своей научной деятельности?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Мои диссертации по большей части теоретические, но неразрывно связаны с прикладной деятельностью. Я в своё время сотрудничал с Объединённым институтом ядерного исследования, проводил расчёты для ускорительного комплекса НИКА (NICA), который сейчас должны запустить. Это наш российский мегасайенс проект, аналог всем известного Большого адронного коллайдера (БАК). В чем отличие? Там используются протоны, достаточно лёгкие заряженные частицы, это ионы лёгкие, а на Нике используются тяжёлые заряженные частицы — это тяжелые ионы. Разница в том, что, используя тяжёлые ионы, можно получить некоторые результаты, аналогичные тому, что делают на БАКе и те, которые на БАКе нельзя сделать. НИКА конечно же меньше, чем БАК, поэтому скорость тяжелых ионов будет меньше, чем скорость легких ионов в БАК, но при столкновении таких тяжелых ионов будут появляться частицы, которые практически невозможно наблюдать на БАК. Я приводил расчеты параметров ионного пучка в проекте НИКА, и впоследствии эти расчёты были там использованы. Другими словами, НИКА — это уникальный ускорительный комплекс, за которым будущее Российской фундаментальной науки.
СЛОН: Дмитрий, а расскажите подробнее про свою докторскую диссертацию?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Суть в том, что я изучал непертурбативные методы во взаимодействии полей тяжелых ионов и ультракоротких импульсов с веществом. Ионы — это ядра атомов с некоторым количеством электронов. Так вот, чем меньше будет этих электронов или, как говорят, электронной шубы в тяжёлом ядре, тем лучше. Оптимально для ускорительного комплекса вообще полностью убрать, эти электроны, чтобы были только тяжёлые ядра. Были бы пучки только тяжёлых ядер. Это очень тяжело сделать технически, вот я как раз работал в этом направлении и подобрал способ. Когда ядра тяжелых ионов сталкиваются в ускорительном комплексе друг с другом — появляется кварк-глюонная плазма — это вещество, состоящее из самых основных кирпичиков нашего мира. Напрямую мы увидеть это состояние не можем, но мы видим частицы, которые начинают появляться, образованные слиняем этих основных кирпичиков. Вот эти частицы мы и видим на детекторах в ускорителе.
СЛОН: О как! Получается, что для исследования вещества электроны вообще не нужны, потому что они все одинаковые? И получается, что они нам мешают?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Абсолютно правильно. Потому что электроны — это лишние данные, они будут мешать проведению экспериментов. Нужны чистые ядра, и это очень сложно сделать именно для тяжелых ядер, потому что они тяжелые, их поля очень сильные, настолько сильные, что электроны вырвать оттуда практически невозможно. Вот в этом суть моей, скажем так, теоретической работы была.
СЛОН: Получилось успешно?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Да, в принципе, было техническое задание разработано для Института ядерных исследований, и там получилось, что практически все электроны можно ободрать, используя медную мишень. Моя теоретическая диссертация рассчитана на будущие эксперименты. Мишени, которые я обсчитывал будут использоваться в ускорительном комплексе.
СЛОН: Удивительно видеть человека, который и теорией занимается, и практикой. Давайте к кварк-глюонной плазме вернёмся коротко. Что это за состояние вещества и почему важно его изучать?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Кварк-глюонная плазма— это когда сталкиваются ядра и получается такая плазма, из которой могут получиться новые частицы. Почему плазма? Поскольку это не вещество, к которому мы все привыкли. кварк-глюонная , потому что там кварки и глюоны. То есть там всё самое элементарное, что может только быть в физике, вот там находится в этой плазме. Из этой плазмы потом рождаются новые частицы, объединяются кварки, глюоны, и появляются новые частицы, и вот эти частицы впоследствии детектируются и могут сказать, какая кварк-глюонная плазма была. То есть обратный процесс делаем. Мы детектируем частицы, которые появились в результате столкновения, и мы можем сказать, из чего они в итоге состояли. То есть сколько кварков было, сколько глюонов и так далее. Это очень важно в стандартной модели физики, которая сейчас некоторыми учеными ставится под сомнение. Бозон Хиггса был найден на БАКе именно таким образом. Как раз бозон Хигса хорошо встраивается в структуру стандартной модели. Работа, которая будет проводиться на Нике, направлена на то, чтобы подтвердить стандартную модель, а может быть найти отклонения от нее.
СЛОН: Интересно. Мы создаем высокоэнтропийную систему, которая является кварк-глюонной плазмой, и из ее состояния мы выводим ее состав? Как можно понять, имея высокоэнтропийное состояние, из чего оно рождено?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Мы берем частицы, которые можно задетектировать. Частицы, которые в результате этого столкновения получились. Могут получиться одни частицы, могут другие. Соответственно, мы детектируем частицы с определенной вероятностью. И уже оттуда мы можем определить, из каких частиц состоят частицы, которые только что появились.
СЛОН: Дмитрий Николаевич, а скажите, когда вы поняли, что будете заниматься наукой и станете доктором наук. Было в детстве какое-то увлечение или предпосылки к этому?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: С детства мне всегда было интересно, что там наверху находится. Часто я задавался вопросом, из чего состоит Вселенная, и где конец Вселенной. У меня был такой живой детский интерес, и именно оттуда все и выходит. В 10 классе окончательно понял, что хочу заниматься физикой. Любопытно, что интерес к физике мне привила история. Мне нравилось читать биографии ученых, энциклопедии. Мне было интересно понять, как они пришли к тому или иному результату.
СЛОН: Получается, вас в первую очередь притягивали звезды?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Да, я имею ввиду звезды и все остальное. Астрономия, астрофизика.
СЛОН: Сейчас звезды любите? Выходите посмотреть?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Конечно. Как можно не любить, когда понимаешь масштаб того, что там происходит? У нас в Архангельске не всегда можно увидеть хорошо звезды. У нас белые ночи на протяжении трех месяцев. Часто бывают тучи, поэтому астрономией здесь не очень удобно заниматься.
СЛОН: Да, постоянно слышу с северов жалобы от ученых, что мало звезд. Дмитрий Николаевич, а чем еще увлекаетесь? Что вас вдохновляет, что вам дает силы для жизни?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Ну, в свое время я занимался спортом, сейчас это больше физкультура, стараюсь быть в хорошей форме. Каждый день я хожу на работу и с работы пешком, а это 4-5 км. Принципиально я не езжу на машине, потому что много чего можно обдумать за это время.
СЛОН: Есть какой-то секрет, чтобы времени хватало на науку, семью, увлечения?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: У каждого человека, кто занимается наукой, есть свой секрет, и он не распространяется на других. Нервная система, психология каждого человека и работоспособность каждого человека, она своя, поэтому нельзя взять и это перенести на другого. Когда приходит научное вдохновение, я погружаюсь с головой в этой процесс.
СЛОН: Раз уж заговорили о планах, то какие у вас горизонты планирования?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Планы всегда есть: ближние, дальние. В молодежной лаборатории, мы исследуем алмазы и пытаемся сделать широкодиапазонный датчик тока на основе алмазов с NV-центрами, который сможет мерить токи от миллиампер и до сотен ампер, таких датчиков просто нет сейчас в природе. Почему? Потому что датчики могут измерять либо миллиамперы, либо сотни ампер. Мы продемонстрировали свой датчик в стенах нашей лаборатории, но пока на большой экспериментальной установке, которая у нас есть. Теперь наша задача это все сделать компактным, миниатюрным. А совсем дальний план — это квантовый магнитометр сделать, который будет измерять очень маленькие магнитные поля. Настолько маленькие, что если я перемещусь на один метр, то это устройство скажет, куда я переместился и на сколько. Причем эта навигация не будет связана ни с какими внешними устройствами как спутник, мобильные там точки и так далее. Достаточно перспективное направление, над которым начали работать и за границей.
СЛОН: Военные заинтересуются этим?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Все заинтересуются, потому что навигация нужна везде, абсолютно. Вот будет мобильник с такой штучкой, будет там алмазик с NV-центрами, мы, кстати, выращиваем, получаем эти алмазы и с этим мобильником можно уйти в лес по грибам, по ягодам и не потеряться.
СЛОН: Да, это очень важно, действительно, особенно осенью, когда за грибами. А NV-центры — это что такое?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Алмаз — это углерод, соответственно, есть кристаллическая решетка. NV-центр — это N (азот), V (вакансия). Соответственно, в структуре алмаза появляются вот такие центры, они объединяются друг с другом, N и V, и образуется NV-центр, и он сверхчувствительный к внешнему магнитному полю. Мы выращиваем алмазы, в которых уже есть азот, и после этого мы проводим процедуры, чтобы появились там NV -центры. Берем желтый алмаз и проводим облучение на ускорителе электронов или протонов, чтобы получилась кристаллическая решетка. После этого мы проводим термический обжиг этой всей системы, то есть мы ее греем в течение суток более полутора тысяч градусов, и когда вся система нагревается, азот и вакансия начинают двигаться в кристаллической решетке. При встрече они объединяются, и так появляется алмаз с NV центром. Он, кстати, яркого красного цвета, то есть из желтого алмаза мы делаем красный алмаз, который уже обладает уникальными квантовыми свойствами.
СЛОН: Расскажите о своих дальнейших планах, Дмитрий Николаевич?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: В настоящее время в теории мы изучаем взаимодействие ультракоротких импульсов с веществом — это очень интересная тема. Сейчас начали строить установки, это тоже установки Megascience, это лазер на свободных электронах — XFEL. В России у нас, к сожалению, нет, но мы в свое время вложились в строительство EuroXFEL в Германии, который был введен в эксплуатацию в 2017 году. С помощью этих лазеров можно увидеть динамику, которая происходит в молекулах, увидеть, как образуется молекулярная связь. Эти установки Megascience дают настолько мощные импульсы, что любое вещество сразу разрушается, но разрушаясь это вещество отдает информацию о том, что там происходит. Моя теория как раз направлена на понимание процессов взаимодействия рентгеновского излучения с этим веществом и как это можно в дальнейшем использовать для расшифровки структуры вещества.
СЛОН: Раз мы заговорили про мегасайенс и международную коллаборацию, какое из последних мировых открытий на вас произвело наибольшее впечатление, хоть одно?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Первое мировое событие — гравитационные волны. Это большое открытие, потому что за ним предшествовала очень долгая история, то есть Эйнштейн в первые своих уравнениях показал и сказал, что есть гравитационные волны. Второе событие — это бозон Хиггса. Ну, и появление квантовых компьютеров — это третье событие. Квантовый компьютер — это не просто устройство, аналогичное классическим компьютерам. За ними стоят большие теоретические результаты, исследования, глобальные выводы, связанные с квантовой запутанностью, в том числе.
СЛОН: Дмитрий, Николаевич, представьте, перед вами стоит машина времени вас отправляют в любой момент прошлого? Какой это момент?
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Сложный выбор, так много ученых, с кем бы хотелось поговорить. Конечно, это великий ученый Эйнштейн или Ландау, наш советский физик.
СЛОН: Дмитрий Николаевич, дайте совет ученым, которые только начинают свой путь.
ДМИТРИЙ МАКАРОВ: Я всегда говорю, если у вас что-то не получается и кажется, что вы не годитесь для этого, не бросайте это, идите до конца, полностью до конца, то есть нужно выложить все силы.
СЛОН: Дмитрий Николаевич, желаем Вам безоблачного звездного неба и нестандартных решений в науке.
Интервью создано #при_поддержке_минобрнауки
