Historia i osiągnięcia Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (1955–2025)
Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) obchodzi 70-lecie swojego powstania znajdując się na 775. pozycji (3.7%) na świecie i 294. w Europie najlepszych instytucji naukowych w zestawieniu CWUR2025 (The Center for World University Rankings). To piąty wynik w Polsce, a pierwszy wśród instytutów naukowych i badawczych. IFJ PAN utrzymuje też najwyższą kategorię A+ w kolejnych ewaluacjach jednostek naukowych od 2014 r. W instytucie działa sześć głównych struktur naukowych (oddziałów). Zajmują się one odpowiednio: fizyką cząstek elementarnych, fizyką jądrową, fizyką ciała stałego, fizyką teoretyczną, badaniami interdyscyplinarnymi i zastosowaniami fizyki. Wewnątrz oddziałów naukowcy zgrupowani są w zakłady naukowe z precyzyjnie określoną tematyką badawczą. Działalność badawczo-rozwojowa jest także prowadzona w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) posiadającym swój wewnętrzny zakład oraz w Dziale Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej (DAI), a także w czterech laboratoriach akredytowanych. Powyższa struktura naukowo-badawcza może wykonywać swoje zadania dzięki otoczeniu zapewnionemu przez stosunkowo mało liczne piony administracyjne i techniczne. Naszym najwartościowszym aktywem są ludzie - kadra 560 zaangażowanych pracowników wśród których jest 164 inżynierów oraz 196 adiunktów, 90 profesorów nadzwyczajnych i 39 profesorów zwyczajnych. Dzisiejszy kształt IFJ PAN oraz świetne wyniki naszej kadry to konsekwencja międzypokoleniowego przekazywania etosu pracy, kontynuowaniu przedsięwzięć rozpoczętych przez poprzedników oraz otwartości na nowe kierunki inwestygacji naukowej w zmieniającym się otoczeniu naukowym i gospodarczym.
Początki IFJ PAN sięgają 1955 r. Były to czasy zimnowojennych napięć, ale i entuzjazmu odbudowy. Zainicjowana przez Dwight’a Eisenhowera dwa lata wcześniej koncepcja “Atom for peace” doprowadza do Ogólnoświatowej Konferencji w Genewie wypromującej pokojowe zastosowania fizyki jądrowej i tworzenie na całym świecie współpracujących ze sobą ośrodków naukowych. Ta otwartość wymusiła poluzowanie stanowiska ZSRR wobec badań prowadzonych w innych państwach bloku wschodniego. Dzięki decyzjom polityczno-rządowym nad polską fizyką jądrową zaczyna świecić promyk nadziei. Otwierają się możliwości zdobywania odpowiedniej aparatury, a zakup specjalistycznych urządzeń staje się łatwiejszy. Sowieci oferują nam sprzedaż cyklotronu oraz reaktora.
Jeszcze w tym samym roku powołano do życia Instytut Badań Jądrowych w Świerku, a w Krakowie jego Zakład II, który szybko wyodrębnił się jako Ośrodek Fizyki Jądrowej pozostając pod bezpośrednim nadzorem Polskiej Akademii Nauk a swoją dzisiejszą nazwę przyjmując w 2003 roku. Powstanie IFJ PAN to owoc determinacji prof. Henryka Niewodniczańskiego w realizacji jego marzenia by stworzyć perspektywy do rozwoju fizyki w Krakowie. Ideę mógł wdrażać w życie jako pierwszy dyrektor nowego Instytutu. W dziele tym pomagali mu jego podopieczni i współpracownicy z Katedry Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Jagiellońskiego (głównie A. Strzałkowski, A. Hrynkiewicz, J. Janik i K. Grotowski). Przedsięwzięcie wymagało kapitału ludzkiego, kadry młodych naukowców szybko zdobywających doświadczenie w pracy z najnowocześniejszymi metodami badawczymi. Model ten sprawdził prof. Niewodniczański już wcześniej wykorzystując osobiste kontakty do wysyłania dobrze zapowiadających się adeptów do zachodnich ośrodków naukowych: A. Hrynkiewicz (USA), A. Strzałkowski, K. Grotowski (Wielka Brytania) oraz L. Jarczyk (Szwajcaria). Implikowało to wprowadzenia zasady obowiązkowych wyjazdów po doktoracie do zagranicznych ośrodków, co bezpośrednio włączało członków kadry IFJ PAN w sieć światowego przepływu informacji naukowej. W 1970 r. kadrę IFJ PAN wzmocnił prof. Marian Mięsowicz, dołączając wraz ze swoim zespołem fizyki wysokich energii i cząstek elementarnych zbudowanym na Akademii Górniczo-Hutniczej. Indywidualne kontakty ponadpaństwowe i uznanie zaangażowania naszych naukowców w fizykę cząstek i wysokich energii zaowocowały członkostwem Polski w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) oraz wielopokoleniową współpracą ze Zjednoczonym Instytutem Badań Jądrowych w Dubnej trwającą od jego założenia aż do 2022 r.
Drugi niezbędny filar sukcesu, wskazywany przez prof. Niewodniczańskiego, stanowić miała własna infrastruktura badawcza. Kolejne uruchamiane akceleratory stały się osią historii Instytutu. Baza eksperymentalna została zapoczątkowana skonstruowanym przez zespół prof. Niewodniczańskiego jeszcze na Uniwersytecie Jagiellońskim cyklotronem C-48. Zaledwie w trzecim roku istnienia Instytutu uruchomiono sowiecki cyklotron U-120, zastąpiony później przez AIC-144. Ten ostatni działa do dziś lecz utracił prymat na rzecz medycznego cyklotronu Proteus-235 wokół, którego powstało Centrum Cyklotronowe Bronowice. Akceleratory cząstek służyły od samego początku zarówno do badań podstawowych jak i prac rozwojowych ukierunkowanych na praktyczne zastosowania. Cyklotron C-48 był niewielkim urządzeniem, o zaledwie 48 cm średnicy nabiegunników, ale był zdolny dostarczać wiązkę protonową o energii 3.2 MeV oraz cząstki alfa o energii 5.6 MeV, które pozwalały na interesujące w tamtych czasach obserwacje i analizy PIXE (Particle-Induced X-Ray Emission). Stosowano go także badań materiałowych metodą RBA. Uruchomienie cyklotronu U-120 zwiększyło horyzont energetyczny krakowskich fizyków prawie sześciokrotnie. U-120 produkował wiązki deuteronów oraz cząstek alfa o energiach do 14.5 MeV oraz 29 MeV. Umożliwiło to rozpoczęcie badań nad radioterapią, wykorzystującą szybkie neutrony. Produkowane pośrednio przez U-120 strumienie neutronów zastosowano do terapii nowotworów prowadzonej we współpracy z Centrum Onkologii w Krakowie od 1976 r. Na przestrzeni 10 lat terapii neutronowej w IFJ PAN zostało poddanych około 500 pacjentów, z czego z dużym sukcesem w wybranych przypadkach terapii nowotworów gruczołów ślinowych (ślinianek) oraz nawrotów po mastektomii. Równocześnie w IFJ PAN powstawały inne urządzenia. Grupa spektroskopistów skonstruowała kilka magnetycznych spektrometrów promieniowania beta do badań poziomów wzbudzonych neutrono-deficytowych izotopów, a przy udziale grupy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego, którzy jako pierwsi zaobserwowali sygnał magnetycznego rezonansu jądrowego, zostało utworzone i wyposażone laboratorium badające to zjawisko. Badania materiałowe prowadzone od lat 60-tych doprowadziły do opracowania i opatentowania techniki produkcji dozymetrów termoluminescencyjnych (TLD) na bazie fluorku litu. Dziś stosowane są rutynowo w usługach dozymetrycznych np: do monitorowania dawek pracowników grupy narażenia na promieniowanie. Trwały też prace nad detektorami pozwalającymi na pomiar skażenia lub stałą kontrolę ekspozycji pracowników na promieniowanie. W Instytucie opracowano oryginalną, a później opatentowaną, technologię produkcji dozymetrów termoluminescencyjnych (TLD) na bazie specjalnie aktywowanego fluorku litu. Obecnie dozymetry TLD są rutynowo stosowane w usługach dozymetrycznych, ochrony radiologicznej personelu szpitali i innych zakładów w ponad 30 krajach. Instytut Fizyki Jądrowej odegrał również istotną rolą w trakcie i po wybuchu elektrowni jądrowej w Czarnobylu, dostarczając ludności Krakowa i Polski dokładnych pomiarów skażenia radioaktywnego powietrza, gleby i żywności.
Ostatnia dekada pracy udowadnia, że kontynuujemy linię wyznaczoną przez naszych poprzedników. Działamy lokalnie w oparciu o własną ciągle rozwijaną infrastrukturę przy jednoczesnym utrzymywania stałej współpracy i wymiany osobowej z ośrodkami badawczymi na świecie konsekwentnie zwiększając zasięg tych powiązań. Możemy poszczycić się uczestnictwem w niezwykle szerokim wachlarzem badań podstawowych, zarówno na polu eksperymentalnym jak i teoretycznym, w dziedzinach fizyki jądrowej oraz fizyki cząstek elementarnych. W trzech (ATLAS, LHCb, ALICE) z czterech wielkich współprac naukowych przy Wielkim Zderzaczu Hadronów aktywnie udzielają się członkowie grup z IFJ PAN. Nasz wkład jest szczególnie widoczny w eksperymencie NA61/Shine, gdzie nasi naukowcy mają rolę dominującą. Nasi przedstawiciele biorą także czynny udział w planowaniu przyszłości CERN i budowy Przyszłego Zderzacza Hadronów (FCC - Future Circular Collider). Współpracujemy też z mniejszymi laboratoriami. Badamy zagadki współczesnej astrofizyki m.in. przy wykorzystaniu badań wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego w Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie. Doświadczenie w budowie podwodnych detektorów neutrin zdobyte we współpracy w grupie Bajkał (zakończonej w 2022 r.) zostało docenione przez konkurencję, a w konsekwencji grupa naszych naukowców została zaproszona do wzmocnienia projektu P-ONE (Pacific Ocean Neutrino Experiment). Nasi fizycy jądrowi odgrywają kluczową rolę w badaniach fizycznych i rozbudowie dwóch prestiżowych, międzynarodowych układów detekcyjnych dla fizyki jądrowej: AGATA i PARIS. Głównym zadaniem naukowym tych spektrometrów jest badanie struktury jąder atomowych za pomocą spektroskopii promieniowania gamma. Grupy teoretyczne z IFJ PAN na bieżąco dostarczają szeroko uznawanych w świecie wyników dotyczących m.in. opisu fundamentalnych zjawisk w ramach Modelu Standardowego, fenomenologii oddziaływań silnych oraz opisu ultra relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów. Na uwagę zasługuje wyjątkowe osiągnięcie jednej z naszych grup teoretyków - pierwszy spójny opis jądra atomowego jako układu oddziałujących kwarków i gluonów - jest to przykład sukcesów dostrzeżone przez szerszą społeczność fizyków. Część naszych teoretyków wykracza poza fizykę znajdując zastosowanie metodologii fizycznej do interdyscyplinarnych badań nad układami złożonymi i ekonofizyką: notowania indeksów giełdowych, kryptowalut, ale także przy tworzeniu algorytmów sztucznej inteligencji.
Perłą naszej infrastruktury badawczej jest cyklotron izochroniczny C-230 wchodzący w skład systemu terapii Proteus C-235 produkcji Ion Beam Applications (IBA) z Belgii. Stanowi on serce Centrum Cyklotronowego Bronowice (CCB) dostarczając wiązkę protonów o energii maksymalnej 230 MeV do trzech stanowisk terapeutycznych: dwóch gantry oraz stanowisko przeznaczone do terapii oka. Centrum uruchomione w 2015 r. pozostaje jedynym ośrodkiem w naszym kraju, umożliwiającym nowoczesną radioterapię protonową, które przyjmuje już około 350 pacjentów rocznie. Na dwóch stanowiskach gantry, gdzie stosowana jest technika ołówkowej wiązki skanującej napromieniane są głównie nowotwory obszaru głowy i szyi, okolicy przykręgosłupowej a także od 2023 roku organy ruchome - chłoniaki śródpiersia. Terapia prowadzona jest przy współpracy IFJ PAN z zespołem Narodowego Instytutu Onkologii w Krakowie. Przygotowane przez zespół CCB procedury stanowią obecnie część procedury medycznej w zakresie czynności prowadzonych na stanowiskach gantry. W ostatniej dekadzie wprowadzono szereg usprawnień w zakresie: dozymetrii klinicznej, ograniczania niepożądanych dawek od promieniowania rozproszonego, planowania leczenia i radiobiologii, które zostały włączone do praktyki klinicznej zarówno w CCB, jak i w innych ośrodkach radioterapii protonowej w Europie. Przeprowadzono także analizy występowania komplikacji po zastosowaniu radioterapii protonowej, które potwierdziły zalety tej metody. Wiązka protonów dla celów terapii oraz badań naukowych perfekcyjnie trzyma parametry, co stanowi ogromną zasługę zgranego zespołu pracowników CCB oraz całego Instytutu. Pracują oni nad rozwijaniem nowych technik napromieniania, m.in. zyskującą na znaczeniu metodą “flash” oraz środków farmakologicznych wspierających efektywność procesu napromieniania. Centrum posiada halę eksperymentalna wyposażoną w terminal wiązki, gdzie prowadzone są badania podstawowe dotyczące dynamiki oddziaływania jądrowego w układach kilku ciał oraz struktury jądra, a także prace rozwojowe nad nowymi detektorami, metodami detekcji oraz badania materiałowe.
Do dyspozycji naukowców pozostaje też zaprojektowany w 1976 r. W IFJ PAN cyklotron izochroniczny AIC-144, który ma możliwość przyspieszać protony do energii 60 MeV, ale zdolny jest także dostarczać wiązki deuteronów oraz cząstek alfa. To właśnie badania w zakresie radioterapii protonowej prowadzone w IFJ PAN od lat 90-tych doprowadziły do konstrukcji i wdrożenia w 2011 r. stanowiska do protonoterapii nowotworów oka przy cyklotronie AIC-144 w IFJ PAN. Doświadczenia zebrane w trakcie tej eksperymentalnej terapii stanowiły podstawę do zaplanowania i budowy w latach 2010-2015 nowoczesnego Centrum, w szczególności starannie skopiowano stanowisko do terapii oka i certyfikowano je we współpracy z firmą IB. Napromieniani są tam pacjenci Oddziału Klinicznego Okulistyki i Onkologii Okulistycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie.
Te monumentalne “zabawki” naukowców to zaledwie część naszej infrastruktury badawczej IFJ PAN. Do dyspozycji naukowców mamy także tomograf badawczy 9.4T, impulsowy generator neutronów prędkich, aparaturowe źródło neutronów termojądrowych Plasma-Focus czy dwuwiązkowy implantator jonów. Bogatym wyposażeniem aparaturowym poszczycić się mogą także laboratoria badań fizyki ciała stałego. Unikalną i bardzo nowoczesną instalacją, umożliwiającą m.in. prowadzenie badań nad wpływem promieniowania jonizującego na organizmy żywe, dysponuje Laboratorium Obrazowania Spektroskopowego. Zintegrowany system RAMAN AFM pozwala na wykonywanie mikro- i nano-spektroskopii ramanowskiej wraz z mikroskopią sił atomowych, mikroskop podczerwony (System NANOIR), umożliwia pomiary z nanometrową zdolnością rozdzielczą. W skład instalacji wchodzi także próżniowy spektrometr FTIR (Fourier Transform Infrared) oraz nowoczesny mikroskop sił atomowych. Wiele z tych urządzeń zostało zakupionych w ostatniej dekadzie. Ponadto laboratoria opracowują swoje własne detektory i konstruują je we współpracy z Działem Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej (DAI) stanowiącym bezpośrednie zaplecze dla oddziałów naukowych. W ten sposób system detekcyjny BINA (Big Instrument for Nuclear Analysis) został w latach 2023-2025 rozwinięty o scyntylacyjny detektor neutronów i dodatkową wielodrutową komorę proporcjonalną oraz prototyp detektora do niezależnego monitorowania energii wiązki na hali eksperymentalnej CCB.
Dział Budowy Aparatury i Infrastruktury to flagowa marka Instytutu na arenie międzynarodowej. Etos pracy i profesjonalizm zgranego zespołu 60 wyspecjalizowanych inżynierów i techników zyskał uznanie wnosząc znaczący wkład w budowę europejskiego lasera na swobodnych elektronach (E-XFEL) w ośrodku DESY w Hamburgu, stellaratora W7-X w Wendelstein, czy infrastruktury zderzacza LHC. Przy realizacji tych projektów nasi inżynierowie i technicy wyrobili sobie opinię „zespołu ekspertów” posiadających „masę krytyczną” wiedzy m.in. w dziedzinie testów wnęk nadprzewodzących i kriomodułów. Obecnie zespół DAI zaangażowany jest m.in. w budowę Europejskiego Źródła Spallacyjnego (ESS) w Lund, tokamaka ITER, a także instalacji w Ośrodku Badań Antyprotonami i Jonami FAIR w Darmstadt.
Z całego wachlarza prowadzonych badań wiele prowadzi do uzyskania rezultatów mogących znaleźć praktyczne zastosowanie w ochronie środowiska, energetyce oraz medycynie. W obszarze badań energetyki i po części środowiskowych warto wymienić udział w międzynarodowym projekcie ITER - kolaboracji zmierzającej do ujarzmienia procesów termojądrowych w celu pozyskiwania czystej energii. Wnosimy do tej współpracy zdobyte w wieloletnich badaniach know-how dotyczące oddziaływań neutronów z materią. Prowadzone są także prace nad oceną skutków zmian klimatycznych poprzez analizę transportu radionuklidów w środowisku naturalnym. Instytut posiada również kompetencje, które mogą wspierać rozwój krajowego programu energetyki jądrowej, jeśli zapadną stosowne decyzje strategiczne. W zakresie badań nad nowymi materiałami istotne miejsce zajmują te, które mogą znaleźć zastosowanie w magazynowaniu wodoru, m.in. na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego.
Równie imponujący jest dorobek Instytutu w zakresie badań medycznych. Obejmuje on m.in. obrazowanie spektroskopowe na potrzeby radiobiologii i terapii, badania uszkodzeń radiacyjnych komórek, zastosowanie mikroskopii sił atomowych do analizy zmian patologicznych oraz szerokie zastosowanie rezonansu magnetycznego w analizie struktur narządów, nośników leków i środków kontrastowych. Coraz większe znaczenie mają także badania prowadzone przy użyciu promieniowania synchrotronowego i laserów na swobodnych elektronach – SwissFEL oraz E-XFEL – które otwierają nowe możliwości w badaniach dynamicznych procesów biologicznych i chemicznych.
Instytut dysponuje również czterema laboratoriami akredytowanymi. Laboratorium Dozymetrii Indywidualnej i Środowiskowej (LADIS) – największe w Polsce laboratorium pomiarów środowiskowych świadczy usługi ochrony radiologicznej udostępniając pasywne detektory indywidualne dla pracowników narażonych na promieniowanie, Laboratorium Ekspertyz Radiometrycznych (LER) - prowadzi m.in. pomiary stężenia radonu w budynkach oraz pomiary stężeń naturalnych izotopów gamma (Ra-226, Th-232, K-40) w materiałach budowlanych i oblicza ich wskaźnik promieniotwórczy. Laboratorium Analiz Promieniotwórczości (LAP) posiada metody akredytowane na pomiar stężenia izotopów alfa promieniotwórczych (239+240Pu, 238Pu) oraz izotopów gamma promieniotwórczych pochodzenia naturalnego i sztucznego w środowisku, oraz szerokiej gamie produktów przemysłowych i żywności. LAP włączone jest także w ogólnopolską sieć wczesnego wykrywania awarii obiektów jądrowych nadzorowanej przez Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej oraz Państwową Agencję Atomistyki prowadząc ciągły monitoring skażeń promieniotwórczych przyziemnej warstwy powietrza atmosferycznego. Czwarte Laboratorium Wzorcowania Przyrządów Dozymetryczny posiada akredytację na wzorcowanie przyrządów stosowanych w ochronie radiologicznej: mierników promieniowania gamma, mierników skażeń promieniotwórczych powierzchni, dawkomierzy elektronicznych a także pasywnych (m.in. termoluminescencyjnych). Laboratoria te poza prowadzeniem komercyjnych pomiarów prowadzą także badania rozwojowe. Nasze dozymetry indywidualne wykorzystywane były na orbicie w celu badania narażenia poszczególnych części ciał astronautów na promieniowania kosmiczne podczas ich misji. Nieco bliżej ziemi badaliśmy narażenie pasażerów linii lotniczych. Na uwagę zasługuje także prowadzony projekt badawczo-rozwojowy TIWADOZ, który umożliwi wyposażenie wszystkich żołnierzy oraz członków innych służb państwowych w dozymetry indywidualne. Infrastruktura laboratoriów oraz zgromadzone przez dekady doświadczenie w szerokim wachlarzu pomiarów poziomu promieniowania i stężenia radioizotopów w środowisku czyni nas wartościowym elementem w rozwoju polskich projektów infrastrukturalnych i naukowych wymagających ochrony radiologicznej. We współpracy z Politechniką Krakowską kształcimy od 2024 r. kadry specjalistów ukierunkowanych na pracę w budowanym sektorze energetyki jądrowej.
Zaangażowanie naszych badaczy wynika z ich ciekawości i dociekliwości, które prowadzą do chęci poznania jak działa natura. Potwierdzeniem tego jest m.in. publikowanie przez naukowców IFJ PAN około 600 prac rocznie w czasopismach naukowych. Coraz częściej badania podstawowe przynoszą także praktyczne zastosowania. Ostatnia dekada to 9 zgłoszeń wynalazków z IFJ PAN do Urzędu Patentowego RP oraz 5 zgłoszeń, w których nasi naukowcy wspierali inne placówki przy opracowaniu nowych rozwiązań.
Ósmą dekadę Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie rozpoczyna mając do dyspozycji wykwalifikowaną i zaangażowaną kadrę, własną rozbudowaną infrastrukturę badawczą oraz pozostając we współpracy z kluczowymi centrami badawczymi na świecie.
