Просчитать поведение частиц: что изучает самый молодой доктор наук Архангельской области

Работы доцента кафедры фундаментальной и прикладной физики САФУ Дмитрия Макарова объясняют эксперименты, которые раньше расходились с теорией, а результаты могут быть использованы для разгадки тайн Вселенной.

Этой осенью Дмитрий Макаров защитил в Санкт-Петербургском политехническом университете докторскую диссертацию по теоретической физике и стал самым молодым доктором наук в регионе.

«Название моей диссертации — „Неупругие процессы при взаимодействии полей тяжелых ионов и ультракоротких импульсов электромагнитного поля с атомными системами“. Ключевые слова здесь: „поля тяжелых ионов и ультракоротких импульсов“. Тяжелые ионы и ультракороткие импульсы создают очень сильные поля. Но ранние теории в физике рассчитывались для достаточно слабых полей, поэтому многие физические явления с помощью них объяснить не удавалось. Нужно было использовать новые подходы и учитывать, что поля не слабые, а сильные. Это я и сделал при работе над своей диссертацией, — говорит ученый. — Ультракороткие импульсы в моей работе — это импульсы, близкие к 10^-18 секунды, — импульсы, сравнимые с так называемым атомным временем. Используя их можно исследовать динамику различных внутримолекулярных процессов. Молекула облучается таким импульсом, он от нее рассеивается и по рассеянному спектру можно судить о том, что происходит в самой молекуле».

Какую новую информацию о мире могут узнать ученые с помощью подобных исследований? Например, раскрыть тайну фотосинтеза. Всем нам в школе рассказывали и даже показывали в картинках, как проходит фотосинтез, но не все знают, что на самом деле этот процесс до сих пор до конца не изучен. Как происходит процесс передачи энергии при фотосинтезе — одна из главных загадок биофизики.

В 2017 году запущен в работу рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL, на котором в том числе можно изучать процессы фотосинтеза.

Используя утракороткий импульс электромагнитного поля (такие импульсы как раз изучает Дмитрий Макаров), XFEL облучает определенные клетки. По рассеянному спектру, согласно теории, можно судить о том, как происходит процесс фотосинтеза. Теперь для подкрепления теории нужно передать эстафету экспериментаторам.

«Рассекретить» фотосинтез — это лишь одна из множества возможностей применения результатов работ Дмитрия Макарова. Полученные им данные можно использовать для работы на известном комплексе NICA, который находится в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

С помощью этого комплекса ученые могут изучать и открывать новые частицы — кирпичики нашего мироздания. Для этого пучки заряженных частиц сталкивают друг с другом, но перед этим ионы проходят через вещество-мишень, таким образом, они, как говорят физики, обдираются — становятся более высокозарядными.

Сейчас в Объединенном институте ядерных исследований проектируется ускоритель тяжелых ионов. В будущем ученые хотят попробовать работать именно с ними и ждут от этого новых эффектов, однако тяжелые ионы обдираются намного хуже легких. И хотя первые эксперименты планируется провести на стандартных мишенях, Дмитрию Макарову удалось показать, что возможно создать новый тип мишеней, с которыми обдирка будет идти намного эффективнее. Ученый уже активно сотрудничает с Объединенным институтом ядерных исследований, а часть разработок уже внедрена в установку.

Кроме прочего, за время своей работы Дмитрию удалось найти объяснение многим экспериментам, которые ранее не были до конца понятны и не всегда подтверждались в эксперименте. Например, его теория лучше согласуется с экспериментальными данными, чем известная теория Бете — Блоха для потерь энергий и теория Титейка для флуктуаций потерь энергий.

Результаты исследований ученого были опубликованы в престижных научных журналах, таких как Scientific Reports, Annalen der Physik и Physical Review E и других, а в этом году за цикл работ «Взаимодействие сильных полей с веществом» он удостоен Ломоносовской премии в номинации «Молодые ученые».