Jak probíhá výzkum v Joint Institute for Nuclear Research Dubna

Každý už někdy slyšel o evropském výzkumném centru CERN, ale málokdo ví, že významným spojencem CERNu je právě institut v ruské Dubně. Spojený ústav jaderných výzkumů (anglicky Joint Institute for Nuclear Research Dubna – JINR), jak zní celý název institutu v češtině, se nachází v Moskevské oblasti asi 120 km na sever od Moskvy v malebném městečku Dubna na břehu Volhy. Od roku 2004 ústav každé léto pořádá tzv. letní školu určenou pro studenty technických vysokých škol z různých členských zemí po celém světě. Z České republiky je na tento výlet pozváno přibližně kolem 20 studentů. Toto léto se na výzkumné misi sešli studenti z VUT Brno, ČVUT Praha, Západočeské univerzity v Plzni a z Univerzity Palackého v Olomouci. Během času stráveného v Dubně se studenti seznamují s vědeckou činností v JINR, s jejím ohromujícím a všestranným technickým vybavením a na experimentální úloze si vyzkouší měření v praxi. Letos jsem se této letní školy zúčastnila, a protože výzkumné centrum v Dubně má opravdu co nabídnout a může se chlubit bohatou historií objevů, rozhodla jsem se podělit se o tyto zajímavé informace a našim čtenářům Dubnu trochu přiblížit.

K založení celého komplexu laboratoří v Dubně v březnu roku 1956 vedla především myšlenka na sjednocení vědecké činnosti na mezinárodní úrovni. Cílem bylo vytvoření technologického zázemí potřebného pro výzkum v různých odvětvích fyziky a informačních technologií, které by tvořilo jedno velké praktikum pro jednotlivé členské univerzity a jejich studenty. Rozšířit si své vědomosti a vyzkoušet si práci na experimentální úloze mohou přijet do Dubny studenti z 18 členských zemí. Mezi členské státy spolupracující s Ruskem patří: Arménie, Ázerbájdžán, Bělorusko, Bulharsko, Česká Republika, Gruzie, Kazachstán, Kuba, Mongolsko, Moldávie, Polsko, Rumunsko, Slovensko, Severní Korea, Ukrajina, Uzbekistán a Vietnam.

Jak obrovské toto centrum je, dokazují i čísla: v ústavu je zaměstnáno na 4500 lidí a z toho 1200 výzkumníků. Dubna spolupracuje přibližně se 700 vědeckými centry po celém světě a pořádá každoročně deset velkých konferencí. Samotné výzkumné centrum ročně navštíví přes 1000 vědců ze spřátelených ústavů. Nejrozsáhlejší a možná nejvýznamnější je spolupráce na experimentech ve švýcarském CERNU, která byla potvrzena podepsáním smlouvy dne 28. 1. 2010.

Co se skrývá v Dubně?

Jak už bylo zmíněno, laboratoře v Dubně se pyšní experimentální fyzikální technikou na velmi vysoké úrovni, jakkoliv by tomu člověk po příjezdu do areálu nevěřil. Celý komplex je umístěn v zeleni a na rozsáhlém prostoru (mnoho lidí se od jedné laboratoře ke druhé dopravuje na kole) a vše působí velmi klidným a skromným dojmem. Přesto v Dubně nalezneme první svého druhu a jediný v Evropě a v Asii supravodivý synchrotron  s názvem Nuklotron. Synchrotron je kruhový urychlovač částic, v kterém je magnetické i elektrické pole synchronizováno. Jedním z největších je LHC v CERNu. Nuklotron slouží k urychlení částic a rychlých iontů a byl v Dubně poprvé spuštěn v roce 1993. Dále jsou zde dva hlavní izochronní cyklotrony U-400 (Cyklotron je také kruhový urychlovač částic, ale částice jsou urychlovány pouze vysokofrekvenčním elektrickým polem a pouze těžké nabité částice) a mladší U-400M, které jsou využívány k experimentům týkajícím se syntézy těžkých jader. V Dubně se výzkum zajímá i o protonovou terapii a za tímto účel disponuje protonovým urychlovačem, tzv. fázotronem, což je speciální typ cyklotronu (někdy nazývaný synchrocyklotron), který se využívá především na urychlování protonů pro medicínské účely. Na rozdíl od klasického cyklotronu se ve fázotronu mění frekvence elektrického pole.

Mezi další vskutku unikátní experimentální výbavu, kterou jinde ve světě nenajdete, patří pulzní reaktor na rychlé neutrony IBR-2 o tepelném výkonu 2 MW. Pulzní reaktor pracuje na principu dvou otáčejících se reflektorů v navzájem různých směrech, čímž se velmi rychle a opakovaně mění reaktivita reaktoru. Při setkání reflektorů u aktivní zóny reaktoru dojde k výkonovému pulzu, který může dosahovat až 1850 MW. Aktivní zóna reaktoru zabírá pouze 22 litrů, palivo je tvořeno oxidem plutoničitým a jako chladivo slouží tekutý sodík. IBR-2 má široké experimentální využití a slouží hlavně pro výzkum aplikované neutronové fyziky a fyziky kondenzovaného stavu.

Sedm statečných v Dubně

V Dubně najdeme 7 laboratoří, přičemž každá reprezentuje jedno ze základních odvětví výzkumu.

1. Bogoliubovova laboratoř teoretické fyziky

Jméno Nikolaj Bogoliubov (1909-1992) je pro teoretickou fyziku velmi významné a pro Dubnu, kde působil od roku 1962 až do konce života, obzvlášť. Jeho portréty jsou zde k vidění velmi často a v hlavní konferenční místnosti této laboratoře je i jeho busta. Není divu, matematik a teoretický fyzik Boguliobov totiž svou prací zásadně přispěl do takových oblastí fyziky jako je kvantová teorie pole, statistická mechanika a teorie dynamických systémů a v letech 1966-1988 působil jako ředitel celého ústavu.

Bogoliubovova laboratoř teoretické fyziky ve svém výzkumu pokrývá snad všechny oblasti matematické a teoretické fyziky, namátkou: kvantové grupy, teorie supersymetrie a strun nebo kvantová gravitace. Dále se zde vědci zabývají novými materiály a nanostrukturami.

Fljorovova laboratoř jaderných reakcí

Zakladatelem laboratoře jaderných reakcí byl významný sovětský fyzik G. N. Fljorov (1913-1990). Laboratoř založil v roce 1957 a působil zde jako ředitel až do roku 1989. Fljorovovi je přisuzováno objevení samovolného štěpení uranu a za jeho neobyčejné zásluhy na poli vědy po něm byl v roce 2012 pojmenován prvek s atomovým číslem 114 – flerovium. Hlavní vědeckou činností této laboratoře, která čítá na 150 fyziků, je syntéza těžkých a supertěžkých jader, k čemuž slouží již zmiňované urychlovače U-400,U-400M a další: U200, IL-100 a MT-25. V těchto urychlovačích se vědci pokouší uměle vytvořit supertěžké prvky patřící na tzv. ostrov stability – oblast stabilních supertěžkých prvků, které by podle klasického coulombova zákona odpudivých sil neměly existovat. V laboratoři také úspěšně probíhá vývoj a testování nových materiálů.

Frankova laboratoř neutronové fyziky

Hlavní dvě odvětví, kterým se tato laboratoř věnuje je neutronová jaderná fyzika a fyzika kondenzovaných látek. Nejdůležitějším vybavením Frankovy laboratoře je již zmiňovaný pulzní reaktor IBR-2, jediný pulzní reaktor na světě. Jeho první spuštění a dosažení kritičnosti se odehrálo 23. 6. 1960 a otec tohoto projektu byl výjimečný sovětský jaderný fyzik D. I. Blochincev (1978-1979). Blochincev se podílel na vzniku a vytváření jaderné energetiky a reaktorové fyziky v tehdejším Sovětském svazu a mezi jeho kolegy patřil i Igor Kurčatov (1903-1960), který je považován za otce sovětského programu na vývoj atomové bomby. Avšak laboratoř neutronové fyziky nese jméno na počest I. M. Franka, který roku 1937 spolu s Čerenkovem a Tammem získal Nobelovu cenu za fyziku díky objasnění Čerenkovova záření.

Reaktor IBR-2 v poslední době prošel rozsáhlou modernizací, a proto ho můžeme najít pod označením IBR-2M. Součástí reaktorové haly je i spektrometrický komplex, který umožňuje rozsáhlé výzkumy týkající se využití neutronové difrakce, což je metoda používaná k určení atomové struktury materiálu. Pulzní reaktor IBR-2 je také hojně využíván v aktivační analýze. Konkrétně aktivační analýza mechů, kterou se v laboratoři zabývají, je způsob biomonitoringu životního prostředí díky aktivaci neutronovým zářením. Více o této velmi zajímavé a prospěšné metodě, která se na tři týdny stala mým výzkumným úkolem, se dozvíte v příštím článku.

Dále v této laboratoři najdeme i vědecko-výzkumný komplex IREN (Intense Resonance Neutron Source), jehož hlavní částí je lineární urychlovač LUE-200 o výkonu 200 MeV, který je schopen urychlit elektrony až na 30 MeV. Zařízení IREN najde využití v experimentech, které vyžadují přesnost neutronové spektroskopie v energetickém rozsahu od zlomků eV do stovek eV. Neutronová spektroskopie je metoda pro určování znalosti struktury materiálu díky pružnému rozptylu neutronů

Veksler – Baldinova laboratoř fyziky vysokých energií

Prvním ředitelem laboratoře fyziky vysokých energií nebyl nikdo jiný než V. J. Veksler (1907-1996) , specialista na teorii urychlovačů částic, který významně posunul tuto oblast fyziky díky svým poznatkům a objevům. V roce 1944 formuloval princip fázové stability drah částic, tzv. autofázovací princip, který říká, že částice odchýlené od své rovnovážné polohy na dráze urychlovače jsou přesto urychlovány. Podílel se také na konstrukci tehdejšího největšího synchrofázotronu, který byl v laboratoři od roku 1957 a dokázal urychlit protony až na 10 GeV.

V roce 1993 pod vedením akademika A. M. Baldina (1926-2001) byl spuštěn první supravodivý urychlovač Nuklotron, díky němuž získala laboratoř celosvětově uznávané výsledky v oblasti fyziky supravodivých magnetů.

Nyní laboratoř funguje jako vědecko-výzkumné centrum zabývající se urychlováním částic, při zkoumání částicové a jaderné fyziky.

Laboratoř radiobiologie

Laboratoř radiobiologie vznikla v Dubně hlavně díky unikátnímu různorodému experimentálnímu vybavení na jednom místě, protože zde k výzkumu radiobiologie můžete využít jak fázotronu, synchrotronu, tak nuklotronu. Mezi hlavní oblasti zájmu vědců spadající pod laboratoř radiobiologie patří:

• studium poruchy centrálního nervového systému, které vzniknou po ozáření těžkými nabitými částicemi

• studium mechanismu poškození DNA na molekulární úrovni těžkými nabitými částicemi

• studium genetických poruch vyvolaných ionizujícím zářením

• studium vlivu urychlených těžkých iontů na oční čočku a sítnici

Laboratoř radiobiologie se zajímá i o kosmický výzkum. Urychlovače částic totiž mohou výborně simulovat podmínky v otevřeném vesmíru a vědci tak mohou získávat důležité informace o vlivu kosmického záření na lidskou posádku během kosmického letu.

Dželepovova laboratoř jaderných problémů

Venedikt Petrovič Dželepov byl jedním ze zakladatelů laboratoře zabývající se různými problémy v oblasti jaderné fyziky. Dželepov se významně podílel na konstrukci v té době největšího urychlovače v Dubně i na celém světě (1949) – 680 MeV protonového synchrocyklotronu. V Dželepovově laboratoři se vědci specializují na částicovou fyziku, především pak na fyziku zkoumající neutrina, dále na vývoj nových urychlovačů a na vlastnosti kondenzované hmoty. Mezi jejich oblasti zájmů spadá i fyzika vysokých energií a zkoumání struktury atomů pomocí jaderné spektroskopie.

Laboratoř informačních technologií

Účelem laboratoře informačních technologií je nejenom poskytnutí výpočetních a informačních zdrojů ale i matematická podpora experimentů a teoretických studií, které probíhají v JINR i v CERNu. V CERNu podporuje významně výpočty na experimentech Alice nebo Atlas, které probíhají na LHC a to dokonce až ze 46%. Laboratoř je zapojena do projektu DataGrid, což je významný projekt financovaný Evropskou unií, který má za úkol vybudovat novou generaci výpočetní infrastruktury pro intenzivní kalkulace a analýzu rozsáhlých sdílených databází pro vědecké komunity. Během letní školy laboratoř nabízela pro zájemce kurzy programování na GRIDu. Zajímavostí je, že 94% celkového zapojení procesorů spotřebovávají experimenty z oblasti fyziky vysokých energií.

Mezi další důležité vědecké objekty samozřejmě patří také univerzitní centrum.

Co bylo v Dubně objeveno?

Vědecký tým v Dubně se zasadil o téměř polovinu všech objevů na poli jaderné fyziky v bývalém Sovětském svazu. O úspěších tohoto prestižního vědeckého centra hovoří i periodická tabulka prvků – právě v Dubně byl roku 1968 po ostřelování terčíku izotopu plutonia vyprodukován prvek s atomovým číslem 105, kterému bylo přisouzeno jméno Dubnium, Db. Na svůj prvek jsou v Dubně náležitě hrdí, stejně tak jako na mezinárodní spolupráci, která k objevení vedla.