Прифронтова прикладна фізика

Суми лежать за 50 кілометрів від кордону з Росією, а отже, під час повномасштабного вторгнення потрапили під удар. Російські війська не змогли повністю окупувати місто, але заїжджали в нього колонами, блокували й обстрілювали. Після звільнення області 4 квітня 2022 року загроза все ще нависає з близького кордону. Під час повітряних атак часто буває, що спочатку «прилітає», а вже потім лунає сирена повітряної тривоги. Саме в таких умовах працює місцевий Інститут прикладної фізики Національної академії наук України.

Його історія також пов’язана з війнами. Прикладна фізика у радянські часи була тісно переплетена з оборонною промисловістю: фундаментальні дослідження були цікаві партійному керівництву насамперед для розробки новітніх військових технологій. У другій половині 1980-х Суми були потужним центром із машинобудівною та хімічною промисловістю, але без значного науково-дослідного компонента. Тому тут вирішили відкрити масштабний Інститут прикладної фізики. 

Проте Радянський Союз остаточно розвалився, а окремий інститут з мирною тематикою заснувала незалежна Україна у грудні 1991 року. Його першим директором став Володимир Сторіжко, що привіз з собою з Харкова кадрове ядро й електростатичний прискорювач, який розробляв. Також йому вдалося залучити фізиків з Новосибірська і Сухумі українського походження. Зараз академік Сторіжко — почесний директор цього Інституту.

Історія з сухумськими фізиками пов’язана відразу з двома війнами: по-перше, тамтешній центр заснував німецький фізик і розробник ядерної програми Третього Рейху Манфред фон Арденне, лабораторію якого після Другої світової СРСР перевіз у Сухумі; по-друге, у дев’яності сухумські фізики тікали від нової війни, яка спалахнула у Грузії.

Так чи так, у Сумах колектив спрацювався, обріс місцевими кадрами та почав досліджувати  різноманітні аспекти взаємодії елементарних частинок як на теоретичному рівні, так і на власному обладнанні, яке постійно вдосконалювалося.

У середині 2000-х Національна академія наук мала відносно хороше фінансування, й інститут отримав ще один прискорювач. Була також налагоджена широка міжнародна співпраця, яка триває досі, зокрема з Європейською організацією ядерних досліджень (CERN), німецькими, французькими, польськими й китайськими науковцями.

На думку вченого секретаря Олексія Ворошила, інститут зародився на самому кінці радянської епохи, тому тут не встигли побудувати величезних корпусів, як в інших подібних інституціях, а отже, їх було легше утримувати у нових реаліях. 

Зараз в інституті близько півтори сотні співробітників. З початком повномасштабного вторгнення багато науковців виїхало, але після звільнення Сумщини більшість повернулася. Всього кілька осіб зараз перебувають за кордоном, інституція продовжує майже повноцінну роботу.   

Інститут досліджує процеси взаємодії іонів, електронів і фотонів з речовиною, розробляє ядерно-фізичні методи дослідження структури і складу матеріалів та електростатичних прискорювачів.

Про один із напрямків прикладних досліджень, а саме радіовуглецеве датування, ми поговорили із завідувачем сектору Олександром Бугаєм. Радіовуглецеве датування — це метод визначення віку артефактів на основі вимірювання відносного вмісту ізотопу вуглець-14 в природних об'єктах. Сумський інститут має єдиний в Україні прискорювальний мас-спектрометр, що дозволяє застосувати цю методику. Вона надзвичайно корисна в археології, коли треба визначити вік дерев’яних артефактів, кісток, а також кераміки (за умови наявності органічних домішок).

За словами пана Олександра, це доволі непростий метод. Перша складність — чистота зразка для аналізу. Артефакти часто довго перебувають у ґрунті або воді, що впливає на співвідношення ізотопів вуглецю. Також існують забруднення, пов’язані з людським фактором, коли, наприклад, зразки беруть голими руками без рукавичок або курять біля них. Так відбувається забруднення «молодим вуглецем». Процес підготовки зразка буває часто складнішим за сам аналіз і може тривати кілька тижнів. 

Друга складність — це переведення ізотопного віку в календарний. Річ у тому, що калібрувальні криві, які застосовуються для цього, не є гладкими. Це пов’язано з тим, що кількість вуглецю-14 в природі для різних епох і географічних регіонів різна. На це впливала сонячна активність, зміни магнітного поля Землі, використання вугілля як енергоресурсу, випробування ядерної зброї тощо. Все це суттєво впливає на точність датування.

Третя складність — інтерпретація результатів. Наприклад, датуючи дерев’яну ікону, можна визначити вік дерева, але саму ікону могли написати на цьому матеріалі значно пізніше. 

«Ми не маємо права на цей звичний природничий шовінізм, — жартує пан Олександр, натякаючи на зверхнє ставлення до гуманітаріїв, — тому завжди звіряємо наші результати з думками археологів та мистецтвознавців і доходимо до спільного висновку».

Науковці проводили сліпі експерименти з артефактами, коли аналізували зразки, не знаючи про результати датування археологічними методами, і показували хороші результати. Але бували й кумедні випадки.

Наприклад, якось науковці досліджували деревину з човна-довбанки, знайденого в Сумах. Аналіз показав — XIIІ століття. 

«Попахувало сенсацією, — згадує пан Олександр, — бо Суми засновані значно пізніше. Але потім ми усвідомили, що човен піднятий із Псла, врахували фактор впливу середовища, і нові обчислення дали XVII — ХVIIІ століття з імовірністю у 80%».

Робота зі зразками на мас-спектрометрі може тривати кілька годин, але, щоб підготувати (розігнати) прискорювач, потрібно близько місяця:

«Для початку треба викачати повітря з вакуумної системи, а потім починається так зване тренування прискорювача: ми поступово піднімаємо і опускаємо прискорювальну напругу, яку треба довести до мільйона вольт. Це займає 4–5 тижнів, а потім починається формування пучка й отримання необхідних режимів. Пристрій випробовується на “холостих” зразках, і лише після цього беруться матеріали для аналізу». 

Перед повномасштабним вторгненням мас-спектрометр був розігнаний і готовий до аналізу кісткових матеріалів від полтавських археологів, але роботу довелося припинити й законсервувати обладнання.  

В умовах прильотів і нестабільного електропостачання дороге обладнання перебуває у зоні серйозного ризику. Так лабораторний корпус Інституту був частково пошкоджений внаслідок авіаудару вночі 12 березня 2022 року. Зараз науковці обережно пробують відновити дослідження. Один із їхніх проєктів — спільний з Варшавським університетом: характеризація варварських імітацій монет пізньоримського періоду, знайдених на території України.

Олександр Бугай мріє про закупівлю обладнання, яке дозволить оптимальніше датувати кераміку, і вийти на ширше коло замовників, оскільки у світі стоїть черга на датування знахідок.  

Робота з археологічними зразками — зараз основний напрям діяльності лабораторії інституту, але науковці також працюють з екологами, спеціалістами з ядерної енергії і криміналістами. Реалізовано спільний проєкт з американцями з так званої ядерної криміналістики: знімали «відбитки» різних матеріалів (ізотопні, хімічні та фізичні властивості), щоб можна було ідентифікувати їхнє походження. Так можна перекрити канали їх нелегального розповсюдження.   

Я запитав вченого секретаря, з якими проблемами зараз стикається інститут. Окрім війни, пан Олексій згадав про клопоти із залученням молодих кадрів: «Зарплата і так мізерна, а через скорочення фінансування вона ще й урізана. Молодий початківець в ІТ-компанії отримує більше, ніж наш професор».

Однак, попри все, в інституті є молоді науковці. Юлія Лебединська зараз на другому курсі аспірантури, але вона уже залучена в проєкті, пов’язаному з CERN, і працює над запобіганням виникнення пробоїв у роботі прискорювачів.

Загалом прискорювачі розганяють і зіштовхують частинки, щоб ті розпадалися на елементи, які потім аналізуються. Під час цього процесу може відбутися щось подібне на блискавку, яка здатна пошкодити обладнання. Саме над цією проблемою і працює молода науковиця.  

Коли я спитав Юлію, які вона бачить проблеми у діяльності установи, то, окрім близькості ворога,  аспірантка поскаржилася на те, що зараз чоловічій частині колективу проблематично їздити за кордон, а отже, важко утримувати повноцінні міжнародні контакти та налагоджувати співпрацю. 

Попри близькість до кордону з агресором, у сумському Інституті прикладної фізики панують доволі оптимістичні настрої, навіть попри те, що «любі сусіди» з усього широкого поля фізики зараз цікавляться переважно прикладною балістикою.

За підтримки Alfred P. Sloan Foundation та сприяння IIE.