Данас је у истраживањима нуклеарне физике и физике нуклеарних честица у употреби неколико типова акцелератора. Највише се користе синхротрони, линеарни акцелератори, изохрони циклотрони и сихроциклотрони. Улагања у изградњу и коришћење постају превелика, али без ових постројења не могу се замислити битни експерименти. A где је у томе Институт „Винча”?
Проф. др Крунослав Суботић (властита архива)
Нобеловац Ернест Лоренс (Википедија)
Периодни систем проширен открићима вештачких елемената изнад уранујума, од којих је последњих шест открила руско-америчка колаборација у Дубни. Два најновија су увршћена под именима флеровијум (Fl) и ливерморијум (Lv), с редним бројевима 114 и 116. Елементима 113, 115, 117 и 118 су предложена имена, чије се коначно прихватање очекује до краја 2016.
Домен „острва стабилности ” супертешаких елемената у мору нестабилних елемената
Нуклеарно доба које симболизује еру савременх достигнућа цивилизације почело је откричем природне радиоактивности, за које је француски физичар Анри Бекерел, с брачним паром Марија и Пјер Кири, добио Нобелову награду 1903. године. Даљи напредак области судбински је повезан с развојем акцелератора наелектрисаних честица које побуђују атомска језгра и изазивају њихов распад на саставне делиће (конституенте). Анализом ових дезинтеграционих појава и процеса стичемо увид у унутрашњу структуру језгара.
Данас је у истраживањима нуклеарне физике и физике нуклеарних честица у употреби неколико типова акцелератора. Највише се користе: синхротрони, линеарни акцелератори, изохрони циклотрони и сихроциклотрони. Улагања у изградњу и коришћење постају превелика, али без ових постројења не могу се замислити битни експерименти.
Циклотрон је 1932. измислио Ернест Лоренс, и за овај изум и његову улогу у проучавању нуклеарне физике тога времена 1939. добио Нобелову награду. Проналазак је базиран на чињеници да наелектрисане честице набоја q и импулса p=mv, где је m маса а v брзина честице у магнетском пољу, остварују кружну путању у равни постављеној нормално на примењено поље B, константном фреквенцијом w=qB/m до на релативистичке промене при убрзавању кретања честице.
Када се ове промене компензирају одржавањем константе односа B/m током кретања честице, она се може, по истеку сваке орбите, сукцесивно убрзавати електричним RF пољем чија фреквенција одговара сада постигнутој константној фреквенцији кретања честице по равнотежној орбити радијуса r=p/(qB) – било подешавањем промене профила магнетског поља (изохрони циклотрони), било адекватном променом фреквенције RF поља (синхроциклотрон и синхротрон).
На високим енергијама доминира употреба синхротрона (користе се у истраживањима елементарних честица у ЦЕРН). Циклотрони класићне изведбе с гвозденим језгром и бакарним намотајем, припадници I генерације циклотрона (види слику 1а), користе се на на ниским енергијама у програму синтезе нових елемената (ЈИНР Дубна, Русија), а на умерено високим енергијама за проучавање нуклеарних појава изазваних употребом радиоактивних јонских снопова (RIB) у Националној Ганил лабораторији (Француска).
Циклотрони суперпроводне изведбе, с гвозденим језгром али суперпроводним намотајем, названи циклотронима II генерације, користе се у изучавању граница стабилности нуклеарне материје у Националној супероводничкој циклотронској лабораторији (NSCL) на Државном универзитету Мичиген (САД) и Нуклеарном центру Рикен (Јапан).
Линеарни акцелератори (способни да генеришу екстремно високе интензитете примарних снопова за добијање секундарних снопова најширег спектра) користе се за истраживање крајње егзотичних појава у САД (Државни универзитет Мичиген) и Немачкој (GSI, Дармштат).
У генерисању првих нуклеарних реакција и разбијању нуклеарне материје коришћене су нискоенергетске машине Кокрофт-Волтон типа већ 1932. Знатан напредак остварен је тек открићем класичних циклотрона. Компактне суперпроводне верзије циклотрона II генерације (Хенри Блосер, 1984) постале су у међувремену главно оруђе за радиотерапију канцера, показујући тенденцију да са тржишта истисну синхротроне, прегломазне да би се њиховим оригиналним сноппм могло манипулисати у директном контакту с пацијентом. Упоредо са акцелераторским сноповима високе енергије за терапију, нискоенергетски циклотрони су најбољи у производњи краткоживећих радиоизотопа за дијагностику помоћу позинтронске емисионе томографије (Positron Emission Tomography, PET).
Нуклеарне појаве су некада проучаване на радиоактивним изотопима који се могу наћи у природи (60 су пореклом из 92 природна елемента). Данас се истражује више од 1,500 радиоизотопа, створених коришћењем секундарних снопова (RIB) пореклом из 92 природна и 26 вестачких елемената. Посебну класу чине 26 вештачких елемената у подручју које се завршава „острвом стабилности” супертешких елемената, у Мендељејевљевом система изнад уранијума. Нови елементи створени вештачким путем откривани су прво у интеракцијама уранијума са фисионим неутронима и сноповима наелектрисаних честица, кадкад и у нуклеарним експлозијама, а највише у реакцијама хладне и топле фузије егзотичних снопова и мета.
У кључним догађајима открића фисије, веома битним за ову делатност, учествовао је 1939. у првом, непотпуно објашњеном али битном експерименту, Павле Савић, потоњи оснивач Института нуклеарних наука „Винча”. На његовом трагу, ова врхунска научноистраживачка установа у нас у свакој указаној прилици имала је веома битне доприносе у најзначајнијим истраживањима нуклеарне физике у свету; посебно у кључним догађајима проналаска секундарних снопова изотопа (1967), у открићу нових елемената (у тиму руског академика Јурија Оганесијана) и у развоју уређаја за нуклеарну медицину.
У „Винчи” је, тако, 1966. године, лансиран први у свету секундарни сноп, 6Li, из примарне реакције снопа тритона. Осим тога, сарадници Института су у међународним колаборацијама учествовали у открићу шест нових елемената Мендељејевљевог система, а дали су кључне доприносе у коришћењу акцелераторских снопова у нуклеарној медицини лансирањем најновије (III) генерације суперпроводних циклотрона битне за радиотерапију канцера.
Нискоенергетске реакције циклотронског снопа масовно се користе за продукцију PET радиоизотопа за дијагностику тумора мозга и других виталних органа. За радиотерапију тумора су, међутим, потребни циклотрони много виших енергија (250 MeV и 400 MeV). Снопови ових наелектрисаних честица имају својство да депонују највећи део своје енергије на крају путање која успорава честицу (Brag pik) до заустављања на прецизно одређеној дубини локације тумора, скоро не разарајући околно здраво ткиво, као што то чине гама зраци и неутрони.
Најцелисходније се понашају протони и језгра угљеника (C), због чега је у свету подигнуто или се завршава педесетак центара с протонским машинама (слика 2б), али само два (у Јапану и Немачкој) са снопом угљеника. То су скупе машине, једна од њих, у Хајделбергу (слика 2ц), има површину од два фудбалска игралишта и кошта око 150 милиона долара (већи део цене, око сто милиона, чини помоћна опрема за спецификацију квалитета и развођење снопа до болесника). Машина која производи сноп је, дакле, гломазна и не може се монтирати довољно близу болесника, као што тражи идеално решење.
С протонима је ситуација много боља, посебно ступањем на сцену суперпроводног синхроциклотрона енергије снопа 250 MeV, тешког свега двадесетак тона, дијаметра око 1,5 метра (слика 1ц) у МИТ (Massachusetts Institute of Technology). Синхроциклотрони ове изведбе довољно су компактни и применљиви када су у питању протонски снопови, међутим тешко могу задовољити потребе енергије и квалитет фокусирања када су у питању снопови угљеника (разматрање прототипиова показује да су потребне структуре прећника око шест метара и тежине 700 тона, без гаранције остварења потребног квалитета снопа угљеника).
У конкуренцији за нови тип машине најзначајнију улогу могли би добити изохрони суперпроводни циклотрони с ваздушним језгром, који заменом гвозденог језгра (полни наставци и сектори) суперпороводном магнетском структуром радикално смањује тежину. Ослобођеним потенцијалом пораста поља смањује и димензију, постају лакши и компактнији од синхроциклотрона, уз извесније постизање потребног нивоа енергије и квалитета фокусирања снопа (слика 2ц). Ова (III) генерација суперпроводних циклотрона лансирана je 1984. (K. M. Subotic: Air-Core Superconducting Cyclotron, IEEE SC. X Int. Con. 1984) и развијана током боравка по позиву у Националној супероводничкој циклотронској лаборатоrији, постала је достижна освајањем потребне технологије на МИТ (A. Radwinsky, IEE Trans. App. Superconductivity, 2014 ). У том контексту недавно је формирани заједниčки тим за развој суперпроводног циклотрона са ваздуšним језгром, с радијусом екстракције од 75 сантиметара, способан да произведе сноп угљеника енергије до 400 MeV, који би био коришћен за радиотерапију канцера у драматичном порасту.
Циклотрони су данас несумњиво најбројније нуклеарне машине за убрзавање језгра атома. Свестрани потенцијал и компактност чине их присутним у свим сферама истраживања. Највећи број се користи у производњи PET радиоизотопа (више од 350 у 2005. години). Важне примене у нуклеарној медицини имају и у радиотерапији. Тренутно је у свету у изградњи више од 50 центара за примену нуклеарних честица, у овом случају протона, у радиотерапији канцера.
Масовна употреба циклотрона, међутим, не иде науштрб квалитета њиховог коришћења у истраживачке сврхе, превасходно за проучавање стабилности и структуре нуклеарне материје сноповима радиоактивних јона и за откривање и изучавање нових елемената (слика 4б).
У првом случају предводник је Национална супероводничка циклотронска лабораторија. Ма како на први поглед чудно изгледало, овај програм је настао након открића у „Винци”. Група Реље Попића, у којој је докторирао аутор чланка, 1966. је прва објавила реализацију нуклеарних реакција секундарним снопом нуклеона (B. Z .Stepancic, Phys.Lett., 1967). Секундарни сноп 6Li је на малом CW акцелератору створен нуклеарном реакцијом тритона и употребљен као примарни сноп нове реакције за истраживање нуклеарне структуре.
Употреба снопа тритона је настављена (K. M. Subotic, Nucl. PhysA, 1978), међутим после неколико година програм је морао због недостатка новца за трошкове заштите од зрачења обустављен. Свет је у међувремену овај концепт истраживања који омогућује приступ свакој тачки Ферми дијаграма наставио улажући милијарде долара. Сарадници из изворне винчанске групе су, наравно, били увек радо прихваћени гости САД, Француској, Немачкој и другим земљама.
У другом случају се трага за новим елементима. Програм је на Универзитету Беркли још у време истраживања фисије покренуо Глен Сиборг, који је открио први применљиви вештачки елемент плутонијум у току Другог светског рата, за шта је 1954. добио Нобелову награду. Од плутонијума је касније направљена атомска бомба бачена на Нагасаки. Сиборговим трагом и учешћем произведена је прва серија од десет вештачких елемената (до елемента 103), и елемент 106 који је по њему именован још док је био жив. Елемент 103 назван је по изумитељу циклотрона Ернесту Лоренсу, чије име данас носи једна национална лабораторија у САД (), у којој је произведена прва термонуклеарна бомба.
Програму синтезе нових елемената прикључила се ЈНИР Дубна под воћством Георгија Флерова, који је раније у катакомбама московске подземне железнице, у експерименту с гарантовано ниским зрачењем позадине, открио спонтану фисију, а касније основао ЈИНР Дубна. Он је први Јосифу Стаљину наговестио да откриће фисије коју су, трагом групе Ирене Кири чији је члан био Павле Савић, учинили Ото Хан и Фриц Штрасман у Берлину, може упутити Адолфа Хитлера на израду атомске бомбе.
Сличним алармом пре тога изазвано узнемирење у америчком естаблишменту (писмо Алберта Ајнштајна председнику Френклину Рузвелту), резултирало је покретањем програма развоја атомске бомбе најпре у САД, потом и у СССР. Пробне експлозије учиниле су могућим проналажење нових елемената који се на други начин не могу произвести у употребљивој статистици. Признавања открића, а тиме и номинирање елемената 104, 105 и 106, из разних разлога била су предмет расправе дуже од једне целе деценије. Коначно су добили име радерфордијум, дубнијум и сиборгијум. Два су названа у славу Ернеста Радерфорда и малочас помињаног Глена Сиборга, а трећу (105) у част Обједињеног института за нуклеарна истраживања Дубна.
Из разговора током више сусрета са нобеловцем Гленом Сиборгом, аутор чланка је сазнао да је групи Ирене Кири, чији је члан био Павле Савић, Нобелова награда измакла због папира, мислећи при томе на необјављивање чланка са закључком о открићу, које нису препознали, иако је било скривено у резултатима њиховог експеримента! Елементе 107, 108, 109, 110, 111 и 112 открила је група немачких истраживача, тим Петера Армбрустера у Дармштату, према идеји примене хладне фузије коју је смислио руски академик Јуриј Оганесијан.
Коначно примат открића елемената 113, 114, 115, 116, 117и 118 понела је група Јурија Оганесијана, коју чине научници ЈИНР Дубне и Лоренс Ливермор националне лаботарије. Прилика да буде једини „страни научник” у овој руско-америчкој колаборацији пружена је Крунославу Суботићу, сараднику Института „Винча”. Елементи из ове групе 114 и 116 већ су нашли место у Периодном систему Мендељејева, под именом флеровијум и ливерморијум, а елементи 113, 115, 117 и 118 чекају на признавање имена. Елемент 113 назван је нихониум према предлогу јапанска групе др Косуке Морите, очекује се да елементи 115 буде московијум, 118 оганесон, а 117 тенесин (због запаженог учешћа сарадника Вандербилт Универзитета у Тенесију). Када IUPAC комитет потврди предлог, академик Јуриј Оганесијан би, после Глена Сиборга, постао други живи научник по коме елемент добија име.
У покушају да се схвати улога и допринос „Винче” формирању профила и програма истраживања и примена нуклеарне физике код нас и њено место у свету, мора се призватити чињеница да су из ње, у своје време, изникли практично сви сродни институти и факултети Универзитета у Београду, уз многе друге ситније али битне чињенице, као што је инсталисање првих великих и мањих рачунара (претеча PC са запремином трокрилног ормара а капацитетом меморије с данас смешних 512 Kb, што одговара дигитрону), или иницијативе за покретање мреже интернет комуникација, због чега је морала бити хитно реконструисана телефонска државна мрежа деведесетих година 20. века, морамо да се запитати како изградити друштво које довољно добро брине о судбини националне памети и знања. Чини се да су они највеће благо којим се одговорно друштво може дичити.
Запостављање нуклеарне струке, као што је непостојање експерата за суперпроводне технологије, а и других које бујају у развијеном свету, сличиће боравку у страној држави без познавања њеног језика са задатком да се преживи. Једном запуштено знање нестаје за свагда.
