GSI

GSI (аббревиатура от нем. Gesellschaft für Schwerionenforschung, Общество по исследованию тяжёлых ионов) — международный научно-исследовательский центр в области ядерной физики и физики ускорителей, расположенный в городе Дармштадт, земля Гессен, Германия. Центр специализируется на ускорении и столкновении тяжёлых ионов, синтезе сверхтяжёлых химических элементов, а также на фундаментальных исследованиях структуры материи и взаимодействия частиц. GSI является одним из ведущих мировых центров по получению и изучению изотопов трансурановых элементов.

История

Основание GSI относится к середине 1960-х годов, когда в ФРГ возникла потребность в создании собственной крупной инфраструктуры для экспериментов с тяжёлыми ионами. В 1967 году правительство земли Гессен и федеральное правительство Германии подписали соглашение о строительстве ускорительного комплекса. Первый линейный ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) был запущен в 1975 году, что позволило начать систематические эксперименты по синтезу новых элементов.

В 1980-х годах GSI достигло прорывных результатов: в 1981 году был впервые синтезирован элемент с атомным номером 107 — борий (Bh), а затем последовательно получены элементы 108 (хассий, Hs), 109 (мейтнерий, Mt), 110 (дармштадтий, Ds), 111 (рентгений, Rg) и 112 (коперниций, Cn). За этими открытиями последовали элементы 113 (нихоний, Nh) и 114 (флеровий, Fl) в 2000-х годах. В 1996 году в GSI впервые был синтезирован элемент 112, который впоследствии был назван коперницием в честь Николая Коперника.

С 2010-х годов центр активно развивает программу FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) — проект по строительству нового ускорительного комплекса, который должен стать одним из крупнейших в мире. Строительство FAIR ведётся в кооперации с более чем 50 странами, включая Россию (до 2022 года), Китай, Индию и страны Европейского союза. В 2023 году проект FAIR находился на стадии завершения строительства и начала пусконаладочных работ.

Устройство и характеристики

Ускорительный комплекс

Основу GSI составляют несколько ускорителей, работающих в единой цепочке:

• UNILAC — линейный ускоритель, способный разгонять ионы практически всех элементов (от водорода до урана) до энергии 11,4 МэВ на нуклон. Он служит инжектором для более мощных ускорителей.
• SIS-18 (Schwerionen-Synchrotron) — синхротрон с периметром 216 метров, разгоняющий ионы до энергий до 2 ГэВ на нуклон. Используется для экспериментов с пучками высокой интенсивности.
• ESR (Experimental Storage Ring) — накопительное кольцо, где ионы могут циркулировать и охлаждаться для прецизионных измерений.
• FRS (Fragment Separator) — сепаратор фрагментов, предназначенный для выделения и анализа продуктов ядерных реакций.

Комплекс позволяет получать пучки ионов с энергиями от нескольких МэВ до нескольких ГэВ на нуклон, а также генерировать вторичные пучки (например, антипротоны или радиоактивные изотопы).

Детекторные системы

Для регистрации продуктов ядерных реакций в GSI разработаны уникальные детекторные системы:

• SHIP (Separator for Heavy Ion reaction Products) — сепаратор для выделения сверхтяжёлых элементов по их массе и заряду. Именно с помощью SHIP были открыты элементы с 107 по 112.
• TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) — установка для химического анализа сверхтяжёлых элементов, позволяющая изучать их химические свойства.
• R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) — детектор для изучения реакций с релятивистскими пучками радиоактивных изотопов.

Научные достижения

Синтез сверхтяжёлых элементов

GSI является одним из трёх центров в мире (наряду с Объединённым институтом ядерных исследований в Дубне, Россия, и Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли, США), где были впервые синтезированы сверхтяжёлые элементы. Всего в GSI открыто шесть элементов периодической таблицы:

Элементы 113 (нихоний) и 114 (флеровий) также были впервые синтезированы в GSI, но их открытие было оспорено и впоследствии приоритет признан за японским центром RIKEN (для нихония) и ОИЯИ (для флеровия).

Исследования в области ядерной астрофизики

GSI активно участвует в экспериментах по моделированию процессов, происходящих в звёздах. С помощью пучков радиоактивных изотопов изучаются реакции, ответственные за синтез элементов в сверхновых и нейтронных звёздах. В частности, были измерены скорости захвата нейтронов для многих изотопов, важных для понимания s-процесса и r-процесса.

Физика антиматерии

В рамках проекта FAIR планируется создание мощного источника антипротонов, что позволит проводить прецизионные эксперименты по сравнению свойств материи и антиматерии. Уже сейчас в GSI проводятся эксперименты с антипротонами, замедленными до низких энергий, для проверки CPT-симметрии.

Применение

Медицина

Технологии, разработанные в GSI, нашли применение в лучевой терапии. В 1990-х годах в центре был разработан метод ионной терапии с использованием пучков углерода и других лёгких ионов. Этот метод позволяет точно облучать опухоли с минимальным повреждением здоровых тканей. В 2009 году на основе технологий GSI в Германии был открыт первый клинический центр ионной терапии (HIT) в Гейдельберге.

Материаловедение

Пучки тяжёлых ионов используются для модификации свойств материалов. В GSI проводятся эксперименты по созданию нанопор в полимерах (трековая мембрана), исследованию радиационной стойкости полупроводников и изучению дефектов в кристаллах.

Фундаментальная физика

GSI остаётся площадкой для проверки фундаментальных теорий, включая квантовую электродинамику в сильных полях, стандартную модель и модели гравитации. В частности, на установке ESR измеряются аномальные магнитные моменты ионов с высокой точностью.

Международное сотрудничество

GSI является многонациональным центром: в его работе участвуют учёные из более чем 40 стран. Наиболее активные партнёры — Россия (до 2022 года), Китай, Индия, Франция, Италия, Великобритания, Япония и США. В рамках проекта FAIR создан международный консорциум, который финансирует строительство нового ускорителя. В 2023 году бюджет проекта FAIR оценивался в 1,6 миллиарда евро, а завершение строительства планировалось на 2025–2026 годы.

Критика и споры

Деятельность GSI неоднократно подвергалась критике со стороны экологических организаций из-за потенциальной радиационной опасности. В 2010-х годах вокруг строительства FAIR возникли протесты жителей Дармштадта, опасавшихся утечки радиоактивных веществ. Однако все официальные проверки немецких регулирующих органов (например, Федерального ведомства по радиационной защите) подтверждали соответствие центра нормам безопасности.

Также обсуждается высокая стоимость проекта FAIR: некоторые критики считают, что эти средства могли бы быть направлены на более прикладные исследования, например, в области возобновляемой энергетики. Сторонники проекта, напротив, указывают на долгосрочные фундаментальные выгоды.

Интересные факты

• В честь GSI назван элемент дармштадтий (Ds), атомный номер 110, который был впервые синтезирован в этом центре.
• В 2012 году в GSI был проведён эксперимент по измерению массы сверхтяжёлого элемента флеровий-289, который подтвердил существование «острова стабильности» в области Z=114.
• Ежегодно в GSI проводится «День открытых дверей», где посетители могут увидеть ускорители и пообщаться с учёными.
• В центре работает более 1200 сотрудников, включая инженеров, физиков, химиков и техников.

Источники

• Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) — официальный сайт (gsi.de)
• «Синтез сверхтяжёлых элементов», журнал «Успехи физических наук», 2010
• FAIR — Facility for Antiproton and Ion Research, проектная документация, 2023
• «Ядерная физика и астрофизика», учебное пособие, МИФИ, 2015
• «Ионная терапия: от GSI до клинической практики», журнал «Медицинская физика», 2018