В сентябре 2017 года стартует научная работа на XFEL — мощнейшем, самом ярком и самом крупном в мире рентгеновском лазере на свободных электронах. «Чердак» в преддверии официальной церемонии открытия поговорил со специальным представителем НИЦ «Курчатовский институт» в европейских международных организациях Михаилом Рычевым о том, чем стал этот мегапроект для России и европейских партнеров и каких научных результатов можно от него ждать.
Справка «Чердака»:

Рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL благодаря своим параметрам будет уникальным инструментом для исследования сверхмалых структур, очень быстрых процессов и экстремальных состояний. С помощью лазера ученые планируют разрабатывать новые лекарства и материалы, его будут использовать в исследованиях по энергетике, электронике и химии. Туннель XFEL длиной 3,4 километра на глубине от 6 до 38 метров начинается в самом большом в Германии исследовательском центре по физике частиц DESY в Гамбурге и тянется до города Шенефельд в земле Шлезвиг-Гольштейн. В Шенефельде расположен исследовательский центр, где будут работать ученые.

Сверхпроводящий линейный ускоритель частиц длиной в 1,7 километра в составе XFEL будет разгонять электроны до энергии в 17,5 ГэВ (гигаэлектронвольт). После разгона до таких высоких энергий электроны направляются через специальные магнитные системы — ондуляторы. При этом частицы испускают излучение, которое постепенно усиливается до очень коротких и интенсивных рентгеновских вспышек. XFEL будет производить рекордные 27 тысяч вспышек в секунду, каждая длительностью менее 100 фемтосекунд (фемтосекунда — одна квадриллионная доля секунды). Аналогичный американский лазер производит всего 120 таких вспышек в секунду, швейцарский — 100, японский и корейский — 60.

В строительстве и эксплуатации XFEL участвуют Венгрия, Германия, Дания, Испания, Италия, Польша, Россия, Словакия, Франция, Швейцария и Швеция, в конце года к проекту присоединится Великобритания. Строительство установки началось в 2009 году и завершилось в 2016 году, его общая стоимость составила 1,22 миллиарда евро в ценах 2005 года.

— Михаил Викторович, каждый научный мегапроект, конечно, уникален по-своему — чем уникален XFEL?

— Во-первых, своим масштабом — это самый крупный и самый дорогостоящий исследовательский проект за всю историю Германии. И хотя другие масштабные проекты в Европе существуют, такие как Большой адронный коллайдер в Женеве, отличие этого проекта состоит в том, что, помимо задач фундаментальной науки, которые он тоже решает, он еще очень близко подходит к решению целого ряда практических задач из области материаловедения, наук о жизни, фармакологии. То есть уже в первый же год проведения экспериментов на XFEL мы увидим отдачу, которую эта весьма дорогостоящая машина — а стоит он 1,2 миллиарда евро — принесет человечеству.

Уникальность с тактической и технической сторон связана с тем, что эта машина впервые реализует линейный ускоритель сверхпроводящего типа, что позволяет очень высокой интенсивности импульсы получать с очень высокой частотой — в данном случае 27 тысяч импульсов в секунду. Это обеспечивает возможность получения временного разрешения: мы впервые в истории человечества сможем наблюдать реальную кинетику химических реакций, такое «кино» о том, как атомы взаимодействуют между собой. Пользуясь аналогией с футбольным матчем — раньше мы знали составы команд до начала игры и счет в конце. Крайне интересно было бы увидеть все острые моменты, забитые голы и так далее. Сейчас с помощью этого инструмента мы впервые можем реально увидеть, как это происходит на атомарном уровне.

С другой стороны, поскольку именно эта машина обеспечивает возможность увидеть трехмерную картинку тех белков, которые до этого не удавалось кристаллизовать, мы сумеем увидеть еще и биологические 3D-объекты. Это очень важно с точки зрения изучения вирусов, исследований в области структурной биологии, подготовки новых лекарственных препаратов.

— Среди экспериментов на XFEL есть даже экзопланетные исследования — это настолько гибкий инструмент?

— На сегодняшний день из планирующихся шести различных инструментов будут введены два, но в перспективе одновременно эксперименты будут идти на шести инструментах в параллельных пучках. Не меньшую роль будут играть фундаментальные исследования. Действительно, за счет экспериментов, в которых участвует не только сам лазер на свободных электронах, но и сложная конфигурация сопутствующих лазеров, собранных на той же самой площадке, позволит с помощью одного лазера создавать экстремальные условия, в чем-то напоминающие условия, существующие во Вселенной или существовавшие во время Большого взрыва, а с помощью других лазеров — исследовать, что же там на самом деле происходило. Это фундаментальная наука в полном смысле этого слова.

— Давайте поговорим о российском участии в проекте. Как мы представлены в научной программе XFEL?

— Сегодня по числу организаций, если считать по национальной принадлежности, мы входим в тройку лидеров наряду с Германией и США среди первых победителей в конкурсе на право проводить исследования. Германия — понятно почему, там находится сам инструмент, у Соединенных Штатов большой опыт, поскольку предыдущий самый продвинутый лазер находится в Стэнфорде, поэтому там тоже много чего удавалось делать. И Россия в эту тройку вошла, это важный результат. Но основной акцент мы сейчас стараемся делать на молодежи, готовить ее здесь на курчатовском синхротроне, на других площадках, для того чтобы она расширила наше присутствие.

XFEL начинает свою работу в сентябре, и фактически мы отобрали считанные проекты, потому что одно из требований, которые к ним предъявляются, — они не должны быть слишком сложны, наши эксперименты еще только в самом начале, мы должны многое отработать. У нас в портфеле довольно много интересных экспериментов, о которых, пока они не отобраны, может быть, не стоит говорить вслух, для того чтобы в том числе в конкурентном режиме не потерять. Это в основном эксперименты, связанные с новыми материалами, с биологией, конвергентными исследованиями.

Во все отборочные панели XFEL входят представители Российской Федерации, один из трех научных директоров XFEL — российский ученый, Сергей Молодцов, он отвечает за направление «мягкого» рентгена. Он выпускник Санкт-Петербургского государственного университета, а сегодня работает с другими университетами и с нашим центром.

— Как опыт участия России в XFEL поможет нам строить собственные установки такого класса?

— Одна из главных целей, которые мы ставили перед собой, входя полномасштабно в этот проект, получить доступ ко всем технологическим новинкам, которые там в это время появляются. Часть из этих новинок сделана руками и головами российских ученых, но далеко не все — целый ряд разработок, которые сегодня воплощены уже в действующие элементы этой установки, сделаны на базе того, что было накоплено в Европе. Очень сильный ускорительный центр DESY в Германии, который выступает координатором немецкого участия в этом проекте, целый ряд таких же мощных центров из Франции, Италии, скандинавских стран внесли свой вклад. Сегодня это стало общей интеллектуальной собственностью. Все наработки, которые связаны со сверхпроводящим линейным ускорителем, сегодня доступны нам и позволяют рассуждать о тех шагах, которые мы предпринимаем в этой области или планируем предпринять в России. Наработки, связанные с магнитными системами, позволяют нам говорить о мегапроекте синхротрона четвертого поколения, который будет сооружаться в России в ближайшее время.

Это технологическое партнерство, безусловно, наряду с научными результатами, которые мы получим, имеет самостоятельную значимость. А то, что там есть то, что представляет интерес, подтверждается, например, тем, что Китай, не входящий в число стран-учредителей, активно ставит вопрос о возможности присоединения к этому проекту, не скрывая, что их главный интерес состоит в том, чтобы получить доступ к тем технологиям, которые там реализованы.

— Какими для вас будут критерии успеха участия России в проекте?

— Обычно среди таких мегаустановок соревнование ведется по достаточно формальным критериям, например по количеству статей в журналах уровня Science и Nature в неделю или в месяц с этой площадки. Я не думаю, что это единственный параметр, с помощью которого стоит измерять успешность нашего участия, но, конечно же, его нельзя игнорировать.

Нам бы очень хотелось, чтобы множилось число групп, особенно групп в российских университетах, которые работали бы на этой установке, потому что тем самым, если они проходят жесткий международный отбор со своими предложениями, они подтверждают, что уровень их работ сегодня является действительно весьма и весьма конкурентным на мировом уровне. И если будет постоянный приток таких молодых и мотивированных групп и число наших исследователей, продолжающих работать в России и находящихся на передовых мировых позициях, будет расти — наверное, это главный признак того, что эта машина будет работать правильно.

Мы надеемся, что те 25% нашего участия, которые сегодня реализованы, нам удастся в какой-то обозримый промежуток времени превысить числом российских групп, приезжающих туда, от общего числа коллективов. Прямой связи между долей страны-учредителя и количеством проектов, которое она может представить, не существует, отбор идет среди действительно лучших заявок по уровню их научной значимости, новизны, смелости. Определенные преимущества у нас за счет того, что мы имеем эту квоту, есть, но мы все же верим, что побеждать будем в такой жесткой конкурентной борьбе в первую очередь за счет научного уровня заявок.

— Каково будущее XFEL, что с установкой будет дальше?

— Апгрейды, безусловно, будут — для начала мы пока не заполнили даже все тоннели, которые уже построены, чтобы проводить эксперименты одновременно. У нас есть два пустых тоннеля, в которые мы еще можем дополнительно поставить новые измерительные установки, и мы это обязательно сделаем, это ближайшая перспектива.

Кроме этого, можно повышать характеристики установки. В частности, наши американские коллеги, которые сегодня на какое-то время будут отставать от европейского XFEL, уже завершают проработку концепции апгрейда их лазера. Тогда они нас через N лет обгонят, но и мы, включившись в эту гонку, будем думать о том, что мы можем улучшить. Это соревнование приносит пользу обеим сторонам.

В итоге мы построили машину, которая на сегодня является лучшей в мире, — это можно сказать уверенно, смело. Наша конкуренция со Стэнфордом носит абсолютно здоровый характер, в процессе строительства машины наши исследовательские группы ездили в Стэнфорд, сейчас, когда этот экспериментальный инструмент будет интереснее, люди из Стэнфорда будут приезжать к нам. Но это конкуренция, мы пытаемся каждый раз улучшить параметры каждой из установок, эта конкуренция нам помогает двигаться быстрее.

В значительной степени то, чем мы занимаемся, — это такой пионерский, достаточно прорывной вид деятельности. Сегодня с такими параметрами, которые XFEL дает, есть ожидания, что мы увидим такие-то объекты с теми или иными уровнями разрешения — временного и пространственного. В зависимости от того, что же реально нам удастся, были ли наши ожидания слишком амбициозными или, наоборот, заниженными, мы будем двигаться к новым задачам и совершенствовать сами инструменты. То есть это такая саморазвивающаяся система, мы надеемся, есть еще много того, что мы пока себе не представляем.

— Как быстро нам стоит ждать интересных результатов от этого проекта?

— Я думаю, что уже первые несколько лет работы XFEL — поскольку ясно, что по ряду направлений он обладает уникальными параметрами, — дадут яркие и впечатляющие результаты. В остальном же мы рассчитываем, что это долгоиграющий, безусловно, проект, то есть его масштаб времени — лет 10—15, с апгрейдами — все 25, и на протяжении всего этого периода результаты должны получаться достаточно яркие. Первые результаты мы ждем уже в следующем году.

— Рассматривает ли Россия возможность увеличить свою долю в коллаборации XFEL?

— Строительство в основном завершено, в этом смысле увеличения доли, наверное, не произойдет, а вот постоянное увеличение нашего присутствия в числе экспериментальных групп — это наша основная задача, над этим мы будем, безусловно, работать. Если появится возможность и интерес к строительству каких-то собственных инструментов, мы действительно были бы в этом заинтересованы. А так тот объем акций, который мы имеем, позволяет нам влиять на все решения — в этом смысле наращивать его дополнительно не имеет смысла, и так все, что мы хотим реализовать, все наши начинания и задумки могут быть полностью реализованы.

— Расскажите подробнее об идее российских инструментов на XFEL — как будет приниматься такое решение?

— Такая исследовательская станция может быть еще и не только российской, она может быть совместной российско-германской, российско-французской — почему бы не российско-китайской, если Китай присоединится к нам? Безусловно, первична постановка задачи: для задачи такого рода нам нужен определенный инструмент, и потом под нее выстраиваем его. Что именно окажется такими задачами — на сегодня мы до конца не все поле возможностей представляем.

— Что, с вашей точки зрения, успех проекта говорит о позициях России в мировой науке?

— Во-первых, мегаустановки, строящиеся сегодня в России, становятся реальной частью европейского ландшафта меганауки, их включают в дорожные карты, как это происходит с нашим источником нейтронов ПИК в Гатчине. И очень приятно, что ровно в те дни, когда некоторое время назад в Брюсселе принимались решения о санкциях в отношении России, в этом же Брюсселе по направлению сотрудничества в области мегасайенс принимались решения о запуске так называемого проекта СREMLIN, посвященного сотрудничеству между учеными, трудящимися на мегаустановках здесь и в Европе. Это сотрудничество не просто сохраняется — оно укрепляется и расширяется.

XFEL — это успех европейского партнерства, с Россией, безусловно, но даже для самой Европы проект такого масштаба — это нечастый случай. Европа сумела показать, что, объединив свои интеллектуальные, финансовые и прочие ресурсы, она вполне может конкурировать с таким сильным игроком, как США, — это уже успех.

В этом успехе Россия сыграла ключевую и интеллектуальную, и финансовую роль, без нее проект если и состоялся бы, то намного позже, а может быть, не состоялся бы вообще. Это такой двойной успех. Коллаборация — это очень непросто, поверьте, когда разные страны с разными возможностями, интересами должны как-то их сопрячь, и практически в отведенные временные рамки, почти в рамках изначального бюджета реализовать такой проект — это нетривиально. Но это удалось. И еще приятнее, конечно, что мы встроились в эту коллаборацию как абсолютно равноправный партнер, а не просто поставщик отдельных идей, узлов, людей и технологий.