Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA, расположенный в Дубне Тверской области, поможет ученым воссоздать особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва. 13 июня 2024 года коллайдер прошел технический запуск. Рассказываем, чем интересен мегапроект и чем отличается от большого адронного коллайдера.
Осенью 2024 года российских физиков вероятно отстранят от возможности использовать для исследований Большой адронный коллайдер (БАК). Хотя намерения ЦЕРН окончательно неясны, понятно одно — рассчитывать на международное сотрудничество в научной области становится все сложнее. В свете этого особенно важным выглядит открытие в Дубне российского аналога БАК — коллайдера NICA.
Как появился NICA
В последние годы, когда мы слышим словосочетание «адронный коллайдер», сразу возникают ассоциации с европейским проектом. Установка расположена на границе Франции и Швейцарии, она часто становится поставщиком научных новостей.
Комплекс с высоты птичьего полета источник: Atomic Energy
Но еще в 50-х годах прошлого века в мире были сформированы два научных центра, ориентированных на изучение свойств материи на фундаментальном уровне. На Западе это был швейцарский ЦЕРН. В СССР — ОИЯИ.
В списке создателей ОИЯИ было 13 государств. В те времена это позволило не допустить научной изоляции, а сами исследователи не переставали работать. Эксперты отмечают, что институту принадлежит не менее половины достижений в ядерной физике, которые были совершены за последние 70 лет, как в самом СССР, так и на его бывшей территории.
Среди важных достижений института — открытие 10 элементов таблиц Менделеева, запуск самого мощного по тем временам синхрофазатрона (10 ГэВ).
Новый проект носит полное название «Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility)». Он стал закономерным развитием идей синхрофазатрона.
Интересный факт, сам советский синхрофазатрон был полностью остановлен только в 2002 году. При этом некоторые его элементы, такие, как гигантский магнитовод, стали частью нового комплекса.
Как устроен комплекс
Любой коллайдер — это комплекс элементов, которые выполняют отдельные задачи. NICA можно разделить на несколько основных частей:
Линейные ускорители. Здесь их установлено два. Они служат, чтобы создавать тяжелые и легкие ионы — это частицы, которые используются учеными при проведении исследований.
Циклические ускорители. Их тоже два — это нуклотрон и бустер. Они нужны, чтобы постепенно разогнать частицы практически до уровня скорости света.
Коллайдер. Это основной элемент, внутри которого сталкиваются разогнанные частицы. Данные для ученых фиксируют два детектора.
Схема строения комплекса источник: Atomic Energy
Сам процесс работы можно описать как поэтапный разгон. Все начинается в линейных ускорителях, где их скорость составляет около 20% от световой. Далее пучок частиц проходит через бустер, где разгоняется до 60% от скорости света. Оставшуюся энергию поток добирает в нуклотроне.
Ученым остается фиксировать полученную от датчиков информацию и использовать ее для своих исследований. Несмотря на кажущуюся простоту принципа работы, комплекс — это сложный набор оборудования и само создание чего-то подобного на территории нашей страны является серьезным достижением научного сообщества.
Для чего используется комплекс
Ученые всегда хотели проникнуть в тайны материи, понять, как именно работает время. Современная наука говорит о том, что Вселенная родилась из Большого взрыва более 14 млрд лет назад.
Так комплекс выглядит внутри источник: Atomic Energy
Первыми частицами, которые вырвались на волю в первую микросекунду творения, стали кварки. Постепенно среда становилась все менее плотной, и кварки начинали соединяться между собой, формируя нейтроны и протоны. Из них затем начали создавать ядра атомов.
Если рассмотреть кварки, можно увидеть, что в адронах они соединяются глюонами. Их еще называют «частицами сильного взаимодействия». Многие ученые говорят о том, что среда еще до формирования адронов была невероятно горячей — температура составляла триллионы градусов.
Важной загадкой остается момент перехода, когда связь из глюонов и кварков перешла к формированию материи. При создании коллайдеров ученые стараются воссоздать этот момент переходного состояния, когда начинает формироваться материя. Попутно происходит множество других научных открытий. К примеру, Бозона Хиггса.
Комплекс в Дубне тоже будет заниматься разгоном и сталкиванием друг с другом частиц.
В чем отличия от БАК
Возникает резонный вопрос — насколько сильно коллайдер NICA будет отличаться от БАК. И здесь есть несколько параметров, которые можно принять во внимание.
Первый — это мощность. Если в БАК ионы удается разогнать до 2.76 ТэВ, то в NICA этот показатель находится на уровне 4,5 ГэВ для тяжелых ядер и до 12,6 ГэВ для протонов.
При этом ученые называют внушительной максимальную плотность плазмы — до 20 млрд тонн на кубический сантиметр. По показателям это можно сравнить с нейтронными звездами. Почему это важно? Благодаря такому параметру, NICA больше подойдет для формирования мгновений, максимально приближенных к первым микросекундам образования вселенной, чем БАК.
Важно понимать, что частицы, которые исследуются в двух коллайдерах, будут отличаться друг от друга. Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, отмечает, что важной задачей коллайдера станет исследование теоретических фазовых переходов внутри первичного вещества. «Задача — определить, как меняются свойства вторичных родившихся частиц в зависимости от энергии и размеров сталкивающихся ядер», — заметил ученый.
Главный конструктор проекта NICA — MPD Николай Топилин также говорит о важности понимания отличий в работе NICA и БАК. «Если вы плеснёте кружку воды на раскалённые камни, то увидите воду и пар, больше ничего. А если вы потихоньку нагреваете воду в кастрюльке на плите, то заметите образование пузырьков, их схлопывание, кипение и так далее. То есть вы видите переходные процессы. Для этого не нужна огромная энергия, а скорее наоборот. Вот и нашу «Нику» можно сравнить с кастрюлькой на плите, а БАК — с раскалёнными камнями», — отмечает он.
Владимир Путин посетил комплекс NICA источник: Atomic Energy
По причине разного подхода, задач и специфики нельзя однозначно трактовать как минус и то, что NICA, по меркам такого комплекса, является сравнительно небольшой. Длина кольца разгона частиц у комплекса составит 500 метров против 27 км аналогичной конструкции у БАК.
Не только коллайдер
NICA стоит воспринимать и как многофункциональный научный комплекс. Помимо исследований формирования материи и ее переходных свойств, здесь проводятся испытания микросхем, которые будут работать в условиях космоса. Именно внутри коллайдера можно подвергнуть электронику нагрузке тяжелыми ионами, с которыми она сталкивается в космической среде.
Среди других направлений исследований — работы в сфере материаловедения, воздействия космоса на живые организмы, ядерной энергетики. Даже само создание коллайдера помогло создать массу разработок, многие из которых уже вышли в промышленность, к примеру, в области детекторов распознавания для камер. Это отметил директор ОИЯИ, академик РАН Григорий Трубников.
Не менее важна и просветительская функция проекта. Планируется проводить экскурсии для школьников, которые могли бы больше узнать о ядерной физике, заинтересоваться этим направлением науки.
Настоящее и будущее
Владимир Путин дал старт пуску коллайдера и отметил, что не против поделиться результатами исследований с мировым сообществом. «Мы открыты для того, чтобы результаты этой работы были использованы не только в России, но и в других странах», — подчеркнул он во вступительной речи.
Проект уже можно назвать международным, весь он стал продуктом сотрудничества 19 стран. Несмотря на то, что старт пуску был дан, работы по созданию ускорительного комплекса будут продолжаться до конца 2024 года. В декабре планируется начать технологические испытания, а в 2025 году — запустить международную программу исследований.
Сегодня ускорительный комплекс занимает внушительную площадь в 6 Га. В проекте работают более 2,4 тыс. специалистов. В перспективе возможности NICA позволят проводить исследования в области теоретической, частичной и нейтринной физики.
Основная цель работы проекта была сформулирована директором ОИЯИ академиком Григорием Трубниковым: «Фактически, NICA ― это машина времени: мы хотим понять, что происходило в ранней Вселенной, как сформировалось видимое вещество».
Автор: Роман Андреев