FIZIKA

Pripremio: D. Čevizović

Objedinjeni institut za nuklearna istraživanja u Dubni

Naučni gigant sa obale Volge

Severno od Moskve, na obalama Volge leži gradić Dubna. U njemu se nalazi se jedan od najznačajnijih svetskih naučnih centara: Objedinjeni institut za nuklearna istraživanja. Fizičari iz Dubne su uradili mnogo prvorazrednih otkrića i za svoj rad dobili brojne međunarodne i nacionalne nagrade. Od četrdesetak otkrića iz oblasti nuklearne fizike registrovanih u SSSR, polovina pripada fizičarima iz ove institucije. Naučna zajednica je odala priznanje ovoj instituciji tako što je transuranskom elementu sa rednim brojem 105, koji je sintetisan u ovom institutu, dodelila naziv dubnijum

Godine 1946. sovjetska vlada je, na inicijativu grupe naučnika predvođene akademikom Igorom V. Kurčatovim, donela odluku da se u blizini Moskve izgradi jedan veći protonski akcelerator ( sinhrociklotron ), koji bi se koristio u istraživanjima fizike atomskog jezgra. Kao mesto za izgradnju postrojenja izabrana je lokacija na obali Volge, nedaleko od hidrocentrale Ivankovo. Za rukovodioca projekta postavljen je Kurčatov.

Nakon trogodišnjeg intenzivnog rada je, u novoosnovanom Institutu za nuklearne probleme ( INP ), pušten u rad 13. decembra 1949. godine sinhrociklotron snage 680 MeV. Ubrzo je u Dubni osnovana i Elektrofizička laboratorija Akademije nauka SSSR ( EFLAN ). Svoj rad skoncentrisala je na konstruisanje još jednog akceleratora ( sinhrofazotron ) koji je trebalo da postigne za to vreme vrhunske karakteristike. Pedesetih godina izgrađen je jedan od najznačajnijih svetskih instituta za istraživanja na polju nuklearne fizike pa tako Dubna postaje grad nauke. U međuvremenu je 1960. godine i grad Ivankovo, sa druge strane Volge, pripojen Dubni.

Osnivanje OINI

Da bi objedinile napore u proučavanju fundamentalnih osobina atomskih jezgara, zapadnoevropske zemlje su 1954. godine, pored Ženeve, osnovale Evropsku organizaciju za nuklearna istraživanja (CERN). Kao odgovor na osnivanje CERN - a, vlada SSSR - a je među vladama socijalističkog bloka povela inicijativu da se osnuje institucija sličnog profila, čiji bi zadatak bio da se objedini njihov naučni i materijalni potencijal u izučavanju fundamentalnih svojstava materije. Sporazum o osnivanju novog instituta potpisan je 26. marta 1956. godine u Moskvi. Idealnu osnovu za ovakvu instituciju predstavljali su INP i EFLAN, koji su već dobro funkcionisali, pa je iste godine grupa specijalista iz 12 zemalja potpisnica došla u Dubnu. Tako je novoosnovani Objedinjeni institut za nuklearna istraživanja ( OINI, u Rusiji, na zapadu poznat kao JINR ) započeo sa radom.

Tokom više od pola veka, u ovom institutu su radila velika imena sovjetske fizike, ali i nekih drugih zemalja: V. Veksler, G. Fljorov, D. I. Blohincev, N. N. Bogoljubov, I. V. Kurčatov, I. E. Tamm, L. Infeld ( Poljska ), H. Hulubei ( Rumunija ), L. Janoši ( Mađarska ), H. Nievodnicanski ( Poljska ), A. M. Petrosians, E. P. Slavski, A. V. Topčiev...

Danas je OINI svetski poznat naučni centar, u kojem se fundamentalna istraživanja ( i teorijska i eksperimentalna ) uspešno integrišu u razvoj i primenu novih tehnologija. Postoje sedam laboratorija i univerzitetski centar : Bogoljubovljeva laboratorija za teorijsku fiziku ( BLTF ), Vekslerova i Baldinova laboratorija za fiziku visokih energija ( LFVE ), Dželepova laboratorija za nuklearne probleme ( LNP ), Fljorovljeva laboratorija za nuklearne reakcije ( LNR ), Frankova laboratorija za fiziku neutrona ( LFN ), Laboratorija za informacione tehnologije ( LIT ), Laboratorija za radijacionu biologiju ( LRB ), Obrazovno - naučni centar ( ONC ). Svaka od ovih laboratorija i po veličini i po obimu aktivnosti može se smatrati zasebnim institutom.

Institut raspolaže najboljim ljudskim potencijalom ( preko 6000 zaposlenih, među njima oko 1000 naučnika i 2000 inženjera i tehničara.) i vrhunskom istraživačkom opremom. Što se tiče nuklearne fizike i uopšte fizike visokih energija, istraživačima na raspolaganju stoji veliki broj izvora naelektrisanih čestica i jezgara, koji mogu postići energije u širokom dijapazonu energija. Osim fazotrona ( koji je 1984. godine izgrađen poboljšanjem postojećeg sinhrociklotrona ) i sinhrofazotrona, ovde postoje akceleratori teških jona U -200 ( izohroni ciklotron namenjen ubrzavanju teških jona sa A / Z =2,8-5, koje ubrzava do energije 145 ZČ 2/ A MeV. Intenzitet jonskog snopa dobijen ovim akceleratorom se kreće od 10 Č 8 do 10 Č 9 jona / s. Akcelerator se nalazi u LNR ) i U -400. Pomoću akceleratora U -400 M je 1993. izdvojen jonski snop.

Akcelerator koji nukleone može da ubrzava do relativističkih brzina, nuklotron, pušten je u rad 1993-1994. godine. Istraživanja su započela i na impulsnom reaktoru IBR -2, izvoru brzih neutrona i neutronskom busteru IBR -30. Projekat konstrukcije impulsnog izvora rezonantnih neutrona visoke struje, IREN, započeo je 1994. godine. Trenutno se realizuje i veliki projekat u LNR : DRIBS ( Dubna Radioactive Ion Beams ), mašina namenjena za generisanje i ubrzavanje sekundarnih radioaktivnih snopova.

Visok međunarodni značaj

Institut u Dubni je široj javnosti najpoznatiji po doprinosu u istraživanju nuklearnih reakcija, odnosno otkriću novih transuranskih elemenata, od kojih onaj sa rednim brojem 105 zvanično po IUPAC - u od 1997. godine nosi naziv dubnijum. Stvaranje novih hemijskih elemenata zapravo je ostvarenje snova drevnih alhemičara. Sve do poslednjih decenija 19. veka niko ( bar u krugovima hemičara i fizičara ) verovatno nije sanjao da je ovako nešto moguće. Stvari su počele da se menjaju otkrićem prirodne readioaktivnosti, kada su otkriveni prirodni procesi za vreme kojih jedan hemijski element prelazi u neki drugi. Tek tada „ transmutacija elemenata “ izlazi iz sveta magije, da bi otkrićem veštačke radioaktivnosti prešla u svet strogo kontrolisanih eksperimenata. Tako je fizika nuklearnih reakcija možda upravo onaj kamen mudrosti za kojim su alhemičari tragali. Sinteza transuranskih elemenata je težak posao, gotovo po pravilu redovno praćen ( najčešće neprijatnim ) iznenađenjima. Osim vrhunske opreme, zahteva i vrhunske kadrove, bezgranično strpljenje, preciznost i, naravno, sreću.

Prva saopštenja o otkriću dubniuma potiču iz 1968. do 1970. godine. U izveštajima se pominju izotopi masa 260 i 261, koji se posle izvesnog vremena, emisijom alfa - čestica raspadaju na poznate elemente ( vremena poluraspada su bila 1,8 s odnosno 1,5 s ). Pri tome su izmerene energije pomenutih alfa - čestica 9,40 MeV za prvi, odnosno 9,70 MeV za drugi izotop.

Aprila 1970. godine istraživačka grupa sa Berklija, SAD, je u nekim reakcijama takođe dobila izotop ovog elementa mase 260, ali se on u njihovim eksperimentima raspadao sa vremenom poluraspada 1,6 s uz emisiju alfa - čestice energije 9,10 MeV. Zbog ovako velike razlike u energijama, fizičari iz Dubne su, korišćenjem usavršene aparature, ponovili svoje eksperimente 1971. godine, a nešto kasnije (1976. i 1977. godine ) ih proširili. Dobijeni rezultati su otklonili sve nedoumice. Zvanično, smatra se da je prvi element sa rednim brojem 105 dobijen na akceleratoru u Dubni 1970. godine, bombardovanjem jezgara 243 Am jonima 22 Ne. Za njegovo otkriće zaslužna je grupa nuklearnih fizičara koju je predvodio Georgij Nikolajević Fljorov.

Danas je poznato nekoliko izotopa ovog elementa ( sa masama od 255 do 263, te 267 i 268), čija se vremena poluraspada kreću od polovine sekunde do nekoliko časova.

Otkrića transuranskih elemenata

Istorija otkrića transuranskih elemenata u laboratorijama OINI seže u šezdesete godine prošlog veka. Prvi element tu sintetisan je raderfordijum. Prva saopštenja o sintezi jednog od izotopa ovog elementa datiraju iz šezdesetih godina, gotovo istovremeno sa saopštenjima iz nekih laboratorija iz SAD.

U svet sinteze transuranskih elemenata OINI je zakoračio odmah po osnivanju. Prvi korak nije bio spektakularan, ali je bio zapažen. Sintezu nobelijuma su ostvarili istraživači iz Nobelovog instituta u Švedskoj 1957. godine, da bi je godinu dana kasnije ponovili istraživači sa Berklija. Međutim, korektna identifikacija nobelijuma je morala da sačeka još nekoliko godina : uradili su je 1966. godine istraživači iz Fljorovljeve laboratorije.

Interesantna je istorija otkrića transuranskog elementa atomskog broja 118, ununoctiuma ( Uuo ). Godine 1998. poljski fizičar Robert Smolenčuk objavio je proračune koji su sugerisali načine sinteze nekih superteških atoma, među njima i Uuo. Godinu dana kasnije je tim iz Lorenc Livermor laboratorije saopštio da je uspeo da sintetiše ovaj element. Jedno saopštenje je čak objavljeno u časopisu „ Science “. Međutim, narednih godina sledi niz bezuspešnih pokušaja da se ovi eksperimenti ponove, tako da je juna 2002. direktor LLNL bio prisiljen da povuče potvrdu otkrića Uuo. Tom prilikom je i obelodanjeno da su njihovi radovi zasnovani na podacima čiji je autor kontroverzni bugarski fizičar Viktor Ninov, koji je karijeru započeo u poznatoj grupi za nuklearnu hemiju u GSI u Darmštatu, u Nemačkoj. Ninov je tamo radio u grupi koja je prva sintetisala darmštatium i rentgenijum. Nedugo zatim Uuo je sintetisao tim iz Dubne, koji je predvodio Jurij Oganesijan (pre tri godine bio je gost SANU i održao više predavanja u Beogradu).

Transuranski element sa rednim brojem 113 ( ununtrium, Uut ) su 2003. godine zajedno otkrili istraživači iz Dubne i Lorenc Livermor nacionalne laboratorije iz SAD.

Februara 2004. godine publikovano je otkriće transuranskog elementa sa rednim brojem 115 (ununpentium, Uup). Element su zajedno sintetisali tim iz Dubne i Lorenc Livermor nacionalne laboratorije.

Zasad poslednji transuranski element sistetisan u OINI je ununseptium ( Uus ), čiji je atomski broj 117. Sintetisan je u Fljorovljevoj laboratoriji za nuklearne reakcije, januara 2010. Eksperimenti koje je izvodila grupa prof. Oganesijana izvođeni su na akceleratoru teških jona U -400. U timu su učestvovali i neki istraživači iz SAD i iz Naučnoistraživačkog instituta za atomske reakcije iz Dimitrovgrada ( Rusija ). Sinteza je ostvarena u reakciji jezgra 48 Ca i izotopa 249 Bk 97. Meta je izgrađena na trenutno najmoćnijem reaktoru u svetu, HIFR, u Ouk Ridžu, u SAD. Za vreme eksperimenta, koji je trajao više od pola godine, registrovano je šest događaja u kojima je ostvarena sinteza Uus. Osobine raspada Uus i izotopa koji nastaju njegovim raspadom, kao i izotopa elemenata 112-116 i 118 koji su ranije sintetisani u OINI izgleda da potvrđuju postojanje „ ostrva stabilnosti “ superteških elemenata.

Tim iz ovog instituta, predvođen Vladimirom Vekslerom i kineskim fizičarem Van Gančanom, prvi je otkrio antisigma - minus - hiperon ( kasnije se ispostavilo da ovu česticu ne možemo smatrati elementarnom, već složenom). Osim toga, fizičari iz Dubne su uneli mnogo svetlosti u problematiku i razumevanje kvarkovske strukture hadrona : razvijen je koncept kvarkovskih boja i kvarkovski model hadrona. U kvantnoj teoriji polja je razvijen metod renormalizacione grupe i teorija S - matrice. Metod renormgrupe je primenjen i u kvantnoj fizici kondenzovanog stanja materije.

Kada je reč o fizici kondenzovanog stanja materije i statističkoj fizici, aktivnosti su se uglavnom odvijale u BLTF, gde su stvarala mnoga imena teorijske fizike kao što su Bogoljubov, Blohincev, Solovjev, Aksjonov, Plakida... Tu su svetlo dana ugledali brojni teorijski modeli : razvijane su metode primena teorije Grinovih funkcija u statističkoj fizici, razvijena mikroskopska teorija superprovodnosti i uspostavljena analogija između superprovodnosti i superfluidnosti ( Bogoljubov ), samosaglasna teorija fonona, generalizovani model strukturnog faznog prelaza, objašnjene neke pojave koje se javljaju kod neelastičnog rasejanja neutrona na kristalnim rešetkama, razvijani modeli visokotemperaturske superprovodnosti... U jednom broju projekata, čiji su rezultati pomenuta otkrića, učestvovali su i istraživači iz srpskih instituta.

Saradnja Srbije i OINI

Naučne institucije iz Srbije su dugo sarađivale sa OINI. Realizovani su brojni projekti, a Srbija je usavršila određeni broj istraživača iz mnogih oblasti fizike ( kako su tadašnji naučni prioriteti i nalagali, najveći broj kadrova usavršavan je u oblasti teorijske i nuklearne fizike ). Izvestan broj naših istraživača nuklearaca bio je uključen u projekte sinteze transuranskih elemenata ili određivanja njihovih osobina.

U izgradnji akceleratorskog kompleksa TESLA u INN Vinča učestvovali su stručnjaci iz OINI. Laboratorija za teorijsku fiziku i fiziku kondenzovanog stanja materije iz INN Vinča uspešno je sarađivala sa Bogoljubovljevom laboratorijom za teorijsku fiziku iz OINI. Jedan od važnijih rezultata te saradnje je stvaranje modela faznih prelaza u feroelektricima, kojeg su razvili Plakida, Aksionov, Šikloš i nekoliko teorijskih fizičara iz INN Vinča koji su u to vreme bili na stručnom usavršavanju u ovoj laboratoriji.

Zbog burnih dešavanja u obe zemlje ova saradnja je, početkom devedesetih godina, prekinuta i, zbog spore privredne i naučne konsolidacije u Srbiji, još uvek nije uspostavljena.

D. Čevizović