Андронный Коллайдер Diamonds в Великобритании: новые возможности мировой науки — Yavio Magazine

Андронный Коллайдер Diamonds в Великобритании: новые возможности мировой науки

21 просмотров

Десять лет назад в Великобритании был запущен ускоритель частиц Diamonds. В настоящее время уже можно судить о том, каков его вклад в развитие науки и медицины. Первые выводы намечены в журнале «Наука из первых рук» и на страницах The Guardian.

Кольцо Diamonds – не иносказание, ускоритель частиц действительно расположен по кругу, и здание в диаметре составляет 561 метр. Андронный коллайдер использует синхронизированные импульсы от мощных магнитов для ускорения электронов до скорости света. В результате генерируется свет, известный как синхротронное излучение. В 40-х годах ХХ века, когда такое явление было обнаружено, его посчитали нежелательным побочным эффектом. Теперь же к нему начали относиться по-другому: ускорение электронов вокруг кольца создает целый спектр электромагнитной энергии от микроволн до рентгеновских лучей. Они становятся мощным инструментом в самых сложных и трудных исследованиях.

 

 

«Приручают» полученное излучение следующим образом. Вокруг накопительного кольца расположены так называемые лучевые линии, к которым примыкают рабочие станции. На площади, равной примерно 45 000 квадратных метров, в настоящее время сосредоточены около 40 исследовательских лабораторий, и их число будет расти. Каждый год удивительно много проектов конкурирует за рабочее время на лучевых линиях Diamon. Линии работают 24 часа в сутки, за пределами запланированных нагрузок. Свет, вырабатываемый здесь, превосходит все, что университеты могли бы предоставить своим научным лабораториям. Например, рентгеновское излучение, полученное в коллайдере, в 100 млрд раз мощнее обычной рентгеновской трубки. Та же ситуация и с лазерными лучами. Они гибки, потому что имеют широкий спектр излучения, в то время как аналоги ограничены узким диапазоном частот.

 

Широкий диапазон излучения имеет замечательные возможности в практическом плане. Он позволяет ученым изучать состав материалов с беспрецедентной детализацией, выводя структуру молекул намного более сложных, чем ДНК; устанавливать точные химические составы и физические свойства микроскопических образцов; находить тончайшие изменения в структуре материи, которые могут привести к сбоям в работе целой системы.

 

 

Профессор Трэвор Рэймент, директор по физическим наукам Diamond Light Source, утверждает, что андронные коллайдеры позволяют ученым ставить перед собой сложнейшие задачи (например, такие, как обнаружение темной материи), и решать их. И Diamond только ускоряет подобные открытия. Так, в 2013 году, совместными усилиями ученых Института Пирбрайта и Оксфорда с помощью рентгеновских лучей Diamond была получена вакцина от ящура, болезни, регулярно вызывающей эпизоотию. Таким образом, можно уже сейчас утверждать, что британский ускоритель частиц не только расширяет научные знания, но и позволяет разрабатывать новые лекарства, новые подходы в электронике и механике. Это настоящее национальное достояние.

 

Изучение дождевых червей

Доктор Марк Ходсон из Йоркского университета пользуется мощностями «Алмаза» в двух проектах, основанных на изучении органики дождевых червей. По специальности Марк Ходсон – минералог, он всегда интересовался камнями, и этот интерес естественно привел его к изучению почв. Оказалось, что здесь невозможно обойтись без биологии.

Выяснилось, что на состав почв очень сильно влияют дождевые черви, и даже не своей жизнедеятельностью, а особой органикой. Личинки червей содержат небольшие гранулы карбоната кальция. К сведению – это химическое соединение является главной составной частью известняка, мрамора, мела. Гранулы весьма устойчивы к изменению температур и влажности, и сохраняются неизменными в течении десятков тысяч лет. Более того, они содержат атомы урана, по распаду которых ученые датируют возраст почв. Тем не менее, Ходсона интересовало не это. С помощью лучей Diamond он пытался выяснить, насколько эффективно очищение почв от тяжелых металлов с помощью дождевых червей. В ходе экспериментов уже было установлено, что земляные черви способны выживать на загрязненных почвах, оставалось выяснить, могут ли гранулы карбоната привязать к себе тяжелые металлы, уменьшив, таким образом, их мобильность.

 

 

На ранних этапах исследования профессор прибегал к мощному рентгеновскому облучению гранул, взятых из загрязненных почв. К сожалению, результаты были разочаровывающими – металлы, хотя и удерживались, их количество было недостаточным, чтобы говорить о восстановлении почвы. В более глобальном плане выводы показали, что черви не смогут способствовать очищению почв.

Теперь ученый работает над гранулами карбоната кальция, просвечивая их инфракрасными лучами. Объектом его исследования стала аморфная стадия химического соединения. Обычно кристаллические структуры, которыми как раз и являются данные гранулы, расслаиваются вдоль плоскостей. В то же время аморфная структура сохраняется годами: значит, она гораздо более прочна. Цель, к которой стремится ученый – стабилизировать аморфную фазу карбоната кальция путем соединения ее с другими химическими элементами. Такое открытие может иметь целый ряд применений, от изменения яркости бумаги и других продуктов, которые используют карбонат кальция для белизны, до изменения прочности строительных материалов. Однако, на все нужно время. По прогнозам Ходсона, его работа может занять от 3 до 5 лет.

 

 

Побежденный рак

Когда в 1915 году отец и сын Уильям и Лоуренс Брэгг выиграли Нобелевскую премию за использование рентгеновских лучей для анализа структуры кристаллов, они вряд ли могли предвидеть, что их работа станет важным инструментом в поиске механизма для лечения рака. Пьер Ризкалла и Дэвид Коул из Университета Кардиффа используют интенсивные рентгеновские лучи коллайдера, чтобы воспроизвести в лабораторных условиях Т-клетки – форму белых кровяных телец, способных захватывать и уничтожать раковые клетки.

 

Т-клетки обладают уникальной способностью изучать соседние клетки и определять, являются они дружественными или враждебными. Белки на поверхности Т-клетки, называемые Т-клеточными рецепторами, могут сканировать соседнюю клетку, блокируя молекулы MHC. Последние отражают внутренний состав клетки и, «считывания» его, Т-клетка может решить, следует игнорировать или уничтожать клетку, к которой она подошла. В настоящее время Т-клетки редко атакуют раковые, поскольку распознать их и отличить от здоровой очень трудно. Задача ученых – помочь Т-клеткам.

1 этап исследования заключается в том, чтобы понять сложную форму рецепторов на Т-клетках.

2 этап – воссоздать их, модифицировать, чтобы затем с их помощью блокировать молекулы МНС рака.

Начиная работать в этом направлении с использованием обычного рентгеновского излучателя, ученые получали размытые картинки. На то, чтобы собрать на их основе единое изображение, уходило около 8 часов. Теперь, пользуясь мощностями Diamond, на такую же работу уходит от 15 минут до нескольких секунд. Получаемые результаты намного более точны, а значит и время для успешного окончания эксперимента значительно сокращается.

 

 

В идеале ученые установят точную схему рецепторов Т-клеток и найдут средства для прочного объединения клетки-защитника с враждебной клеткой. Следовательно, еще одна задача, стоящая перед Пьером Ризкалла и Дэвидом Коулом, – это усиление рецепторов Т-клеток.

В будущем лечение включало бы взятие собственных Т-клеток пациента, их модификацию и возвращение в опухолевый очаг.

 

 

Diamond Light Source позволяет проводить по-настоящему фундаментальные исследования. Он будет сопричастен крупнейшим научным достижениям и медицинским открытиям XXI века. Центр открыт для свободного посещения 4 дня в году и на этот период доступен всем, кто интересуется большой наукой.