W marcu 2016 r. Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej obchodził 60. rocznicę swojego założenia, jest to więc dobra okazja, aby przedstawić ten ważny ośrodek naukowy i jego związek z badaniami prowadzonymi w Polsce. Pierwotny zakres badań instytutu dotyczący fizyki jądrowej uległ ostatnio znacznemu rozszerzeniu o obszary chemii, radiobiologii, astrofizyki czy geofizyki, w których przydatne są metody fizyki jądrowej. Intencją autorów niniejszego artykułu jest ogólne omówienie zakresu badań naukowych prowadzonych w Dubnej, aby zachęcić naukowców w Polce do korzystania z możliwości wynikających z polskiego członkostwa w ZIBJ. Cechą różniącą ten instytut od innych ośrodków międzynarodowych jest możliwość nieodpłatnego korzystania z infrastruktury badawczej przy badaniach prowadzonych przez polskie ośrodki naukowe. Dzięki temu, w odróżnieniu od innych dużych laboratoriów międzynarodowych, polscy fizycy, chemicy i radiobiolodzy mogą tu prowadzić niezależnie swoje prace w wybranych przez siebie kierunkach, uzupełniając je o komplementarne metody niedostępne w ich macierzystych instytucjach.

Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej został utworzony 26 marca 1956 r., jest organizacją międzynarodową, wpisaną do rejestru ONZ. Do jego rozwoju w istotny sposób przyczynili się i nadal przyczyniają polscy naukowcy. Polska była jednym z jedenastu członków-założycieli tej placówki. Prof. Marian Danysz, jako członek pierwszej dyrekcji instytutu, organizował również współpracę z CERN, która trwa do dzisiaj. Obecnie ZIBJ tworzy 18 państw członkowskich. Pracuje tu ponad 4,5 tys. osób, w tym ponad 1200 pracowników naukowych (ok. 800 z Rosji i ok. 400 z innych krajów) oraz ok. 2 tys. pracowników inżynieryjno-technicznych.

Zakres badań i duże i urządzenia badawcze

W Dubnej prowadzone są badania w zakresie fizyki jądrowej, oddziaływań podstawowych, fizyki neutrin, fizyki radiacyjnej i radiobiologii, technik akceleracyjnych, syntezy pierwiastków superciężkich oraz badania z wykorzystaniem impulsowych wiązek neutronów. Badania te prowadzone są z pomocą dużych urządzeń badawczych niedostępnych w Polsce. Niektóre z nich wytyczały w swoim czasie światowy postęp i są nadal wykorzystywane, głównie w zakresie stosowanej fizyki jądrowej.

Synchrocyklotron, zbudowany pod kierunkiem M. Mieszczerakowa i W. Dżelepowa i oddany do użytku w 1949 r., przyśpieszał protony do energii 290 MeV, wówczas najwyższej w świecie. Po modernizacji, od 1984 roku jako Fazotron (680 MeV) pracuje głównie w charakterze źródła wiązek protonów do radioterapii nowotworowej oraz badań radiacyjnych.

Nuklotron, pierwszy w Europie, a trzeci w świecie akcelerator z magnesami nadprzewodzącymi, rozpoczął pracę w roku 1993, stanowiąc bazę doświadczalną do rozwoju relatywistycznej fizyki jądrowej w ZIBJ. Umożliwiał przyspieszanie jonów od wodoru do uranu do energii 6-7 GeV na nukleon, z natężeniem wiązki 108–1013 cząstek w impulsie. Po modernizacji, jako Nuklotron-M, jest od 2011 roku wykorzystywany do prowadzenia badań fizyki ciężkich jonów wysokich energii i fizyki cząstek elementarnych. Podstawowe kierunki tych badań to analiza struktury spinowej nukleonów, weryfikacja Modelu Standardowego, poszukiwanie procesów niezachowujących symetrii CP i nowych teorii struktury materii jądrowej.

Cyklotrony U-200, U-400, U-400M, IC-100 i mikrotron T-25 stanowią unikalny w skali światowej kompleks akceleratorów stworzony przez N. Florowa i J. Oganesjana. Z wykorzystaniem tego kompleksu prowadzone są badania o randze światowej: synteza nowych pierwiastków w obszarze tzw. wyspy stabilności, badanie własności fizycznych i chemicznych izotopów superciężkich, badanie charakterystyk spontanicznego i wymuszonego rozpadu jąder, spektroskopia izotopów pierwiastków ciężkich i transuranowych, a także badanie struktury lekkich egzotycznych systemów jądrowych w reakcjach z jądrami stabilnymi i radioaktywnymi. Nowe pierwiastki można badać za pomocą dwóch analizatorów ciężkich produktów reakcji jądrowych, wykorzystujących technikę evaporation residua w reakcjach z ciężkimi jonami. Jeden z nich to separator magnetyczny, za pomocą którego zarejestrowano nowe jądra atomowe o liczbach porządkowych Z = 114 do 118, zaś drugi to separator elektrostatyczny, wykorzystywany w badaniach spektroskopowych izotopów pierwiastków superciężkich. Do precyzyjnego pomiaru mas izotopów pierwiastków superciężkich wykorzystywany jest spektrometr masowy MASHA pracujący w czasie rzeczywistym z wiązką cyklotronu U-400M. W przygotowaniu, w ramach projektu GABRIELA, wykonywana będzie spektroskopia α, β i γ transuranowców. Na stanowisku DRIBs (Dubna Radioactive Ion Beams) prowadzone są systematyczne badania z użyciem jonowych wiązek izotopów radioaktywnych, otrzymywanych zarówno metodą fragmentacji wiązki pierwotnej z cyklotronu U-400M, jak też produkowanych metodą ISOL. Wykorzystanie magnetycznego separatora wtórnych wiązek ACCULINA (Accurate Line) umożliwiło wykonanie wielu badań o pionierskim charakterze.

W dziedzinie fizyki stosowanej wiązki ciężkich jonów są unikalnym narzędziem do badania uszkodzeń radiacyjnych w materiałach używanych np. w konstrukcjach reaktorów jądrowych. Dzięki możliwości uzyskiwania w krótkim czasie wysokiej gęstości defektów radiacyjnych, porównywalnej z gęstościami występującymi w wyniku wieloletniej ekspozycji w intensywnych strumieniach neutronów reaktorowych, możliwe jest badanie zmian własności konstrukcyjnych materiałów istotnych dla bezpieczeństwa jądrowego. W innych zastosowaniach wiązek jonowych wykorzystuje się ich zdolność do modyfikacji nanometrowej struktury napromienianego materiału w celu wytworzenia materiałów o własnościach pożądanych w różnych gałęziach techniki, np. w optoelektronice. Dla przykładu, wyprodukowane w LRJ nanometrowe membrany filtrujące znalazły już zastosowanie w medycynie. Innowacyjne materiały opracowywane w Dubnej mogą być wykorzystane w badaniach mikroprzepływów, konstrukcji czujników molekularnych oraz do innych zastosowań we współczesnej biotechnologii molekularnej.

Pierwszy w świecie impulsowy reaktor wykorzystujący neutrony prędkie, reaktor IBR, został zbudowany pod kierunkiem pierwszego dyrektora ZIBJ D. Błochincewa i oddany do użytku w 1960 roku. W 1984 roku zastąpił go IBR-2. Po modernizacji w 2011 roku reaktor ten, uruchomiony jako IBR-2M, wraz urządzeniem IREN oraz EG-5 stanowi podstawowe urządzenia badawcze Laboratorium Fizyki Neutronowej (LFN). Z wykorzystaniem tych urządzeń prowadzone są w LFN kompleksowe badania w zakresie neutronowej fizyki jądrowej: reakcji jądrowych generowanych neutronami, badania podstawowych własności neutronów oraz badania oddziaływań neutronów ultrazimnych. Równolegle prowadzone są również badania w obszarze skondensowanej fazy materii – struktury krystalicznej i dynamiki strukturalnej w innowacyjnych materiałach tworzonych na potrzeby wysokich technologii.

Badania materii z pomocą impulsowych wiązek neutronów pozwalają na otrzymanie szczegółowych informacji o strukturze atomowej i magnetycznej oraz dynamice struktur różnych materiałów. Podstawowe kierunki badań to: magnetyzm nanostruktur warstwowych, nanodiagnostyka magnetycznych układów koloidalnych i nanomateriałów węglowych oraz polimerów nanodyspersyjnych, badanie struktury i funkcji biologicznych makromolekuł białek, DNA, RNA oraz struktur kompleksów lipidowo-białkowych.

Bogatą infrastrukturę aparaturową instytutu uzupełnia rozbudowana infrastruktura obliczeniowa. Centralny Kompleks Informatyczno-Obliczeniowy jest ściśle powiązany ze światowymi sieciami komputerowymi o wysokiej mocy obliczeniowej – WLCG (The Worldwide LHC Computing Grid) oraz EGI (European Grid Infrastructure). W CIWK znajduje się również centrum przetwarzania danych na poziomie Tier-1 do obsługi eksperymentu CMS na LHC.

Najpotężniejszym urządzeniem badawczym będzie budowany obecnie zderzacz jonowy wiązek przeciwbieżnych NICA (N uclotron-based Ion Collider fAcility), przeznaczony do badań w dziedzinie fizyki ciężkich jonów wysokich energii. Projekt NICA przewiduje powstanie unikalnego kompleksu – kaskady akceleratorów, który umożliwi realizację szerokiego programu badań podstawowych w dziedzinie fizyki w niedostępnych dotąd obszarach energii i mas cząstek silnie oddziaływujących – materii hadronowej o wysokiej gęstości i temperaturze, gdzie spodziewane jest wystąpienie stanu tzw. fazy mieszanej, w której jądro składa się równocześnie z hadronów i materii kwarkowo-gluonowej. Podstawowy cel badawczy stanowi tu wykrycie przejścia fazowego związanego z tymi stanami.

Drugą wielką inwestycją realizowaną obecnie w ZIBJ jest budowa „fabryki superciężkich pierwiastków” SHE-F (Super-Heavy Element Factory). ZIBJ jest bez wątpienia wiodącym w świecie ośrodkiem syntezy i badania superciężkich pierwiastków, w którym otrzymano jądra o liczbach atomowych od 113 do 118. Dwa z otrzymanych pierwiastków otrzymały nazwy związane z instytutem: dubnium (Db-105) i flerovium (Fl-114) – od akademika G. Flerowa. Niedawno przyznano priorytet w otrzymaniu dwóch kolejnych pierwiastków superciężkich. Ich proponowane nazwy to moskovium (115) i oganesson (118) – dla uhonorowania akademika J. Oganesjana, który od wielu lat kieruje dubieńskim zespołem badającym pierwiastki superciężkie.

Badania polskich specjalistów pracujących w Dubnej

Od roku 1956 w laboratoriach instytutu przebywało przez okres dłuższy niż 6 miesięcy ponad 450 osób z Polski, przygotowując w tym czasie ponad 100 prac doktorskich i ponad 40 prac habilitacyjnych opartych na uzyskanych tu wynikach naukowych.

Polskimi naukowcami w Dubnej opiekuje się obecnie niewielka grupa tzw. rezydentów koordynowana przez starostę. Rezydenci to doświadczeni, wysokiej klasy specjaliści, przebywający tu przez długi okres czasu i dobrze znający instytut, wokół których skupiają się młodsi fizycy, przebywający w Dubnej na kilkuletnich kontraktach oraz naukowcy i studenci przyjeżdżający na krótkie pobyty (1-4 tygodnie). Obecnie grupa polskich specjalistów liczy 31 osób, z których większość to osoby młode. W grupie polskich pracowników jest 4 doktorów habilitowanych, 16 doktorów, 5 magistrów, 4 magistrów inżynierów, jeden inżynier i jeden student. W instytucie zatrudnione są także dwie żony polskich pracowników.

Polacy pracują we wszystkich laboratoriach instytutu, działając w obszarach badań podstawowych, zastosowań oraz działalności edukacyjnej, w większości kierunków badawczych prowadzonych w ramach programu naukowego Instytutu. Problematyka ich badań to ogólnie: fizyka teoretyczna (pola i cząstki, teoria jądra, teoria fazy skondensowanej materii, współczesna fizyka matematyczna), prace nad generacją intensywnych wiązek ciężkich jonów, spolaryzowanych jąder dla poszukiwań fazy zmieszanej materii jądrowej oraz badania efektów polaryzacyjnych jonów o energiach do 11 GeV/amu, synteza i własności ciężkich jąder na granicy stabilności, nieakceleratorowa fizyka neutrin i astrofizyka neutronowa fizyka jądrowa, fizyka radiacyjna, fizyczne podstawy nanotechnologii, badania radioanalityczne i radioizotopowe z wykorzystaniem akceleratorów, wykorzystanie układu akceleratorów do otrzymywania wiązek jonów stabilnych i nuklidów radioaktywnych, zastosowanie rozpraszania neutronów w badaniach nanoukładów i tworzeniu nowych technologii materiałowych, prace badawczo-technologiczne z zastosowaniem wysokich technologii materiałowych i kriogenicznych do rozwoju eksperymentalnej aparatury badawczej ZIBJ, badania skutków biologicznych dawek od ciężkich cząstek naładowanych, radiobiologia i radioterapia jonowa, fizyka medyczna.

Osiem procent polskiej składki członkowskiej przeznaczane jest w drodze konkursu na dodatkowe finansowanie badań prowadzonych przez polskich pracowników. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie w Dubnej badań w kierunkach, którymi zainteresowane są polskie instytucje naukowe.

Współpraca instytutu z polskimi ośrodkami naukowymi

Dwanaście procent polskiej składki członkowskiej ZIBJ kierowane jest w drodze konkursu na badania prowadzone wspólnie z ZIBJ przez polskich specjalistów aktualnie pracujących w kraju (koszty tych badań, realizowanych w ich macierzystych instytucjach w kraju, są formalnie opłacane przez Dział Finansowy ZIBJ). Ze środków tych pokrywane są koszty eksploatacyjne urządzeń badawczych niebędących własnością ZIBJ (np. znajdujących się w Polsce), ich remonty oraz zakup materiałów i aparatury kontrolno-pomiarowej do wspólnie wykonywanych badań.

Można podać wiele przykładów dobrej współpracy Dubnej z polskimi placówkami badawczymi. Na pewno należy do nich zaliczyć pomoc, jakiej udzielają wysokiej klasy fachowcy od technik akceleracyjnych kolegom ze Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie. Można śmiało stwierdzić, że podstawowe narzędzie tego Laboratorium – akcelerator U-200P – pracuje do tej pory i jest z powodzeniem modernizowany właśnie w dużym stopniu dzięki tej współpracy. Podobnej pomocy przy eksploatacji krakowskiego cyklotronu AIC-144 w IFJ PAN w Krakowie udzielali i nadal udzielają specjaliści z Dubnej.

Działalność dydaktyczna i informacyjna

W ramach programu Bogolubowa-Infelda do Dubnej przyjeżdżają studenci na praktyki naukowe i zawodowe, konferencje i szkoły naukowe w celu realizacji swoich prac dyplomowych oraz w ramach wycieczek naukowo-szkoleniowych. Dużym zainteresowaniem cieszą się także krótkie (5-7 dni) wizyty grup uczniów szkół średnich wraz z ich nauczycielami fizyki, organizowane w ramach programu Bogolubowa-Infelda.

Budżet ZIBJ i składka Polski

Zgodnie ze Statutem Instytutu, na jego budżet składają się państwa członkowskie. Około 80% budżetu pokrywa Federacja Rosyjska, zaś resztę pozostałe państwa członkowskie. Zaplanowany na rok 2016 budżet instytutu wynosi nieco ponad 207 mln USD, z czego składka Rosji przekracza kwotę 165 mln USD. Rząd rosyjski deklaruje również gotowość sfinansowania kwotą ok. 300 mln USD największej obecnie inwestycji ZIBJ – Kompleksu NICA, budowanego przez międzynarodową kolaborację, w której największe udziały ma Rosja i ZIBJ. W kwietniu tego roku rząd Federacji Rosyjskiej przydzielił na potrzeby projektu NICA w latach 2016-2020 kwotę 8,8 mld rubli.

Składka członkowska Polski – drugiego po Rosji płatnika – wyniesie w 2016 roku prawie 10 mln USD. Kwota wynosząca około 40% polskiej składki członkowskiej jest kierowana z budżetu instytutu bezpośrednio do polskich grup badawczych w ZIBJ i współpracujących z nimi ośrodków w kraju, co umożliwia dofinansowanie, na zasadzie konkursu, programów współpracy i grantów Pełnomocnego Przedstawiciela Polski w ZIBJ oraz przyjazdów specjalistów z krajowych ośrodków współpracujących z Dubną. Ponadto z kwoty tej pokrywane są wynagrodzenia, a także ubezpieczenia emerytalne i zdrowotne polskich pracowników.

Polacy w organach kierowniczych

Polacy byli i są w Dubnej wysoko cenionymi pracownikami. Wielu z nich było członkami Dyrekcji ZIBJ oraz członkami organów kierowniczych i doradczych. Trudno wymienić wszystkich wielce zasłużonych polskich fizyków, jednak nie sposób pominąć profesora Andrzeja Hrynkiewicza, który w trudnym okresie transformacji systemu społecznego wschodniej Europy położył nieocenione zasługi dla przekształcenia ZIBJ w ośrodek funkcjonujący w pełni zgodnie z międzynarodowymi standardami oraz zainicjował działające obecnie umowy pomiędzy dyrektorem ZIBJ i pełnomocnym przedstawicielem RP, regulujące finansowe aspekty członkostwa Polski w ZIBJ.

Pełnomocnym przedstawicielem rządu RP w Komitecie Pełnomocnych Przedstawicieli ZIBJ jest obecnie prof. Michael Waligórski (IFJ PAN oraz Centrum Onkologii Oddział w Krakowie). Członkiem Komitetu Finansowego jest Juliusz Szymczak-Gałkowski, dyrektor Departamentu Współpracy Międzynarodowej MNiSW, które jest obecnie dysponentem składki członkowskiej Polski w ZIBJ. Przewodniczącym Komisji Pełnomocnego Przedstawiciela Rządu RP jest prof. Mieczysław Budzyński, dyrektor Instytutu Fizyki UMCS Lublin.

Szeroka autonomia badań naukowych, zagwarantowane finansowanie współpracy naukowo-technicznej polskich instytucji naukowych w wysokości 20% (8% + 12%) polskiej składki członkowskiej, przeznaczenie 20% tej składki na dopłatę do pensji rublowych, ubezpieczenia emerytalne i zdrowotne polskich pracowników ZIBJ, delegowanych pracowników z Polski oraz obowiązek (od ubiegłego roku) lokowania w Polsce zamówień na aparaturę, materiały i usługi w wysokości przynajmniej 20% składki członkowskiej skłaniają do szerszego wykorzystania ZIBJ przez polskie ośrodki naukowe. Wydaje się, że spełnione są wszystkie warunki formalne, finansowe i bytowe do szerszego wykorzystania Dubnej przez polskich naukowców zatrudnionych w ośrodkach PAN, szkołach wyższych i instytutach resortowych. Autorzy niniejszego artykułu są gotowi służyć dodatkowymi informacjami o możliwości włączenia się osób i zespołów badawczych do współpracy ze Zjednoczonym Instytutem Badań Jądrowych w Dubnej.