Физики-ядерщики дошли до самого края таблицы Менделеева, пытаясь синтезировать неуловимый 120-й элемент. Но эти опыты в прямом смысле слова находятся практически за гранью реального мира, ведь еще великий физик Нильс Бор предсказывал, что на элементе резерфордий (№ 104) стабильная материя заканчивается, а все, что находится дальше, не существует. Российские физики решили расширить границы существующей реальности и зарегистрировали сверхтяжелый трансурановый элемент № 105, который назвали дубний — в честь родного города. Последним был зарегистрирован элемент № 118 — самый тяжелый из когда-либо созданных в лаборатории элементов с рабочим названием ununoctium, что с латыни переводится примерно как «один-один-восьмой». Его едва удалось обозначить — частица этого вещества просуществовала менее одной тысячной доли секунды. Сейчас же физики-ядерщики готовятся поймать в свои сети 120-й элемент.
— Зачем нам это нужно? — удивляется вопросу профессор Сергей Дмитриев, директор Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, и поясняет: — Дело, собственно, не только в том, чтобы заполнить все пробелы в Таблице периодической системы химических элементов Менделеева. Сегодня мы движемся к открытию так называемых островов стабильности в веренице короткоживущих элементов, существование которых предсказано лишь в теории. Если нам удастся обнаружить причины и условия возникновения таких «островов», то мы сможем синтезировать сверхтяжелые стабильные элементы со сроком жизни в сотни или миллионы лет. То есть речь идет о необычных формах материи, свойства которых выходят за рамки существующих в природе Земли.
И тогда все, даже самые передовые, нанотехнологии покажутся грубыми забавами каменного века — ведь тогда у человечества появится возможность создавать прочные и тонкие костюмы, пригодные для прогулок в открытом космосе, газообразные экраны компьютера, батарейки и топливные элементы с неограниченным сроком действия, двигатели на антиматерии…
В ПОИСКАХ «ОСТРОВА»
Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР) очень похожа на НИИ ЧАВО из романа Стругацких — длинные коридоры, какие-то странные машины, ученые, пытающиеся загадочными формулами объяснить в принципе необъяснимые вещи. Сотрудники ОИЯИ ЛЯР исследуют то, чего в природе не может быть по определению.
— Представьте себе, что тут север, а тут юг, — пытается мне максимально доступно объяснить смысл экспериментов Сергей Сидорчук, ученый секретарь ЛЯР. — На юге располагаются сверхлегкие элементы, а на севере, наоборот, сверхтяжелые. Вот эти, что в самом центре карты и обозначены темным цветом, стабильны, а те, что сгруппировались по краям, быстро распадаются. Понятно?
Я кивнула.
— А вот где-то здесь, — палец ученого ткнул куда-то в район «северо-востока», — и находятся «островки стабильности». В этом месте могут находиться сверхтяжелые, еще не открытые трансурановые элементы, число протонов и нейтронов в ядрах которых окажется магическим, то есть обеспечивающим стабильность элемента. Сколько именно должно быть протонов и нейтронов, для того чтобы ядро не распадалось, мы можем только догадываться и проверять свои догадки экспериментальным путем.
Впрочем, если даже физики и могут подсчитать, с каким общим числом протонов и нейтронов они хотят получить новый элемент, это вовсе не означает, что на данный момент такая комбинация возможна. Например, в паре плутоний-244 и кальций-48 не хватает 9 нейтронов. Тогда, как говорят ученые, нужно добавить к ним плутоний-253. Правда, есть небольшая загвоздка — элемента с таким показателем в природе не существует. Слишком уж он тяжелый, а время жизни элемента с ростом массы ядра резко падает. К примеру, тот же плутоний-244, которым ученые располагают, живет 80 миллионов лет. Плутоний-246 — 10 дней, а вот плутоний-247 распадается всего за 2 дня. Но, по прогнозам, на каком-то этапе у сверхтяжелых элементов появляется такая оболочка ядра, которая восстанавливает утраченную стабильность.
ЦИКЛОТРОН ДЛЯ «АКУЛИНЫ»
Мы останавливаемся перед дверью в полметра толщиной — защита от радиации. На стене у двери две лампы — красная и зеленая, а рядом предупреждающий знак: «Вход в зал циклотрона только с разрешения начальника смены». Загорается зеленый свет, и мы оказываемся в огромном зале, где среди желтых защитных блоков-кирпичей установлен циклотрон — самый главный прибор всей лаборатории.
Аппарат для работы с невидимыми, даже в микроскоп, элементарными частицами похож на большую железную змею с множеством проводов, труб и магнитных катушек. Чтобы попасть к месту «начала действия», нам приходится по лестнице подниматься «на спину» ускорителю.
— В первом отсеке атомы опытного вещества ионизируются и слегка ускоряются, — поясняет Сергей Сидорчук, — затем с помощью электромагнитного поля облако ионов превращается в пучок с низкой энергией. Это процесс подготовки к ускорению. Далее «пучок» раскручивается по спирали и летит со скоростью, близкой к скорости света, по трубе, заполненной вакуумом, прямо в сепаратор.
В сепараторе и происходит встреча двух элементов (все машины носят женские имена — «Акулина», «Василиса», «Маша») — на огромной скорости пучок из кальция-48 бомбардирует тот же плутоний, установленный в виде мишени. Образовываются новые ядра в большом количестве, а из всей массы ядер выделяют сверхтяжелые.
— Это как если бы вы детскую машинку кинули со всей силы о стену, чтобы она разлетелась, и по осколкам пытаетесь понять, как она была устроена и из чего сделана. Только отбираете при этом самые крупные осколки, — говорит Сергей Иванович.
Третий этап — реакционная камера. Если с детектора пришел сигнал о том, что сверхтяжелое ядро образовалось (бомбардировка мишени в сепараторе может длиться и неделю, и месяц) — все мгновенно выключается, и в полной тишине исследователи, затаив дыхание, наблюдают распад нового вещества.
— 114-й элемент в первые же полсекунды испускает альфа-частицы и превращается в 112-й, — объясняет нам начальник сектора синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов Владимир Утенков.—А дальше возможны, как говорится, варианты — либо полный распад, либо образуется 110-й элемент.
— И от чего зависит порядковый номер нового элемента?
— От исходных материалов — какую мишень какой частицей бомбардировали. На первый взгляд все просто: смотрим на количество протонов элемента. У калифорния 98 протонов, а у кальция — 20. Если сложить — получим 118-й элемент.
Внутри циклотрона эта арифметика выглядит куда сложнее. Когда синтезировали 114-й элемент — регистрировали каждые полтора дня одно сверхтяжелое ядро. А вот 120-й элемент пока в руки не дается. Даром что мы плутоний облучали железом два месяца без перерыва — и ни одного нормального ядра не родилось.
— Мы бы получили 120-й, — говорит профессор Дмитриев, — только для этого нужно не два месяца работы циклотрона, а все двадцать. Но это слишком уж дорогое удовольствие.
Между тем параллельно с Дубной немецкие физики из Дармштадта пытались получить неуловимый 120-й, используя для этого сочетание урана и никеля.
И тоже потерпели фиаско.
— Действительно, с точки зрения ядерной физики две разные реакции с участием абсолютно разных материалов могут привести к получению одного и того же элемента, — говорит Владимир Утенков. — Но у нас есть подозрение, что это были не совсем верные комбинации. В следующем нашем эксперименте мы решили попробовать соединить калифорний и титан.
ЯША И САЧИКО
Японец Яша — это вторая после циклотрона достопримечательность Лаборатории ядерных реакций. Вообще-то иностранцы в Дубне — вещь обыденная, ОИЯИ — всеми признанный международный институт, где в столовой запросто можно встретить компанию физиков из США, Чехии, Франции, Бразилии, Перу. Они приезжают, работают по контракту и уезжают. А Ясухиро Аритомо из Японии остается. Уже 10 лет он продлевает контракт, привез в Дубну из Японии жену и собаку. И обрел русское имя Яша. Выучил по-русски единственную фразу: «Маленький кофе, пожалуйста», чтобы самостоятельно, без англоязычных коллег, ходить в буфет.
А началось все во Франции в 1997 году, когда Аритомо-сан выступал на международной конференции с докладом об исследовании реакции горячего слияния тяжелых элементов. На этой же конференции присутствовал научный руководитель Лаборатории ядерных реакций города Дубны Юрий Оганесян. Он пригласил молодого ученого, а параллельно с этим приглашением Яша узнал, что прошел отборочный тур в один из японских институтов.
— Но в те годы в Японии физика тяжелых ионов развивалась неинтенсивно, — вспоминает Ясухиро. — Америка после войны наложила запрет на исследования в области ядерной физики. В основном японцы изучали легкие ионы. А у меня была специализация именно по тяжелым…
Ясухиро выбрал Дубну с тяжелыми ионами и легкой зарплатой — тогда ученый в России получал 100 долларов в месяц против 6 тысяч долларов в Японии.
— Но сейчас все изменилось, Япония тоже развивает ядерную физику и потихоньку подбирается к «островам стабильности». Не было мысли вернуться на родину?
— Мне нравится Россия. Здесь отношения между людьми принципиально другие. У вас — более демократичные. Дома я, если мне доводится общаться с маститым профессором, испытываю большой стресс — у нас очень сильно выражена иерархия. Тут профессора можно пригласить в гости. Все запросто. Если готовят еду — угощают всех, а не только свою семью.
Сачико, Яшина жена, адаптировалась очень быстро — она всего два года в Дубне, но уже по-русски говорит и даже пишет. К ней ходит учительница русского языка, они вместе готовят обеды, изучая язык в процессе кулинарных опытов.
РАЗГОН ИОНА
Сложно сказать, когда ученые доберутся до своих сказочных «островов» и доберутся ли вообще, однако сам процесс исследований в этой области уже приносит практическую пользу — в самом маленьком из пяти институтских циклотронов ионы разгоняются не из праздного интереса к устройству Вселенной, а изготавливая на выходе ядерные мембраны. Это уже раздел нанотехнологий.
— Около тысячи миллиардов ионов в секунду бомбардируют пленку, оставляя микропоры диаметром 0,2 микрона, — объясняет профессор Сергей Дмитриев. — Если такую мембрану использовать для фильтрации воды — ни одна бактерия не проскочит. Эти же мембраны закупают предприятия, выпускающие медтехнику, — в шприцы и капельницы в некоторых случаях вставляются «ядерные» фильтры.
Медицина и электроника — две отрасли, более всего получающие практическую пользу от сверхтонких технологий, появляющихся попутно с освоением «островов стабильности». Радиофармпрепараты, гибкие печатные платы, ядерные мембраны — ради этих продуктов никто бы не стал изобретать циклотрон. Слишком дорого и сложно — не того уровня задачи.
— Но если ищешь в огороде клад — перекопаешь весь огород и не заметишь. К тому же все эти «побочные продукты» окупают затраты на создание ускорителей и на наши эксперименты.