08:00 14.04.2023
(обновлено: 14:02 01.06.2023)
Россия достраивает свой адронный коллайдер. Чего ждать после запуска
© Фото : ОИЯИ
Строящийся коллайдер NICA. Фото 2021 года
Читать ria.ru в
МОСКВА, 14 апр — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. На площадке Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) завершается строительство ускорительного комплекса NICA. Его называют "младшим братом" Большого адронного коллайдера. О крупнейшей российской установке уровня мегасайенс и о том, какие задачи ей предстоит решать, — в материале РИА Новости.
Продолжая традиции
В середине 1950-х практически одновременно в мире появились два крупных научных центра по изучению фундаментальных свойств материи: ЦЕРН в Швейцарии и ОИЯИ в СССР. Учредителями последнего стали 13 государств, в основном — представители социалистического лагеря.
Сегодня ОИЯИ объединяет 19 стран-участниц. Это единственная в России международная межправительственная научная организация, зарегистрированная ООН. На долю института приходится примерно половина достижений в области ядерной физики, сделанных на территории бывшего СССР за последние 70 лет.
Здесь открыли десять новых элементов таблицы Менделеева, среди которых московий (атомный номер 115), дубний (105), оганесон (118) и флеровий (114). Их назвали в честь Московской области и города Дубны, российских ученых Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, и Георгия Флерова — одного из основателей института.
В 1957-м в Дубне запустили самый мощный на тот момент в мире ускоритель заряженных частиц — синхрофазотрон, способный разгонять протоны до рекордной энергии 10 ГэВ (десять миллиардов электронвольт).
Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — прямой наследник этой уникальной установки. Синхрофазотрон остановили в 2002-м, а его огромный магнитовод, или, как говорят ученые, ярмо магнита, использовали для строительства одной из ступеней комплекса NICA.
© Фото : АНО "Национальные приоритеты"
В корпусе, где размещался первый синхрофазотрон ОИЯИ
Лучше БАКа
По современным теоретическим представлениям наша Вселенная родилась примерно 14 миллиардов лет назад во время Большого взрыва. В первую микросекунду после этого события возникли элементарные частицы — кварки. По мере разуплотнения среды они объединились в адроны — протоны и нейтроны, из которых затем сформировались ядра атомов.
Внутри адронов кварки скреплены особыми частицами сильного взаимодействия — глюонами (от англ. glue — клей). Физики считают, что до появления адронов среда была настолько плотной, что кварки и глюоны не образовывали никаких структур, а материя существовала в виде кварк-глюонной плазмы. Ее температура составляла триллионы градусов. Температура и плотность постепенно падали, и начали возникать связанные состояния вещества.
При каких условиях произошел фазовый переход от кварк-глюонной к ядерной форме существования материи, ученые не знают. Это один из главных вопросов современной физики. Как предполагают, если направить друг на друга два пучка ионов высокой энергии, в месте их столкновения возникнет "смешанная фаза" — переходное состояние между кварк-глюонной плазмой и адронным веществом. Именно такой эксперимент хотят провести на коллайдере NICA. Воссоздание изначального состояния вещества должно пролить свет на то, как образовались все материальные объекты во Вселенной.
В ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере тоже изучают кварк-глюонную плазму. Этим занимается детектор ALICE. Он анализирует результаты столкновения тяжелых ионов, но зафиксировать момент фазового перехода не может — мешает огромная ускорительная мощность БАКа. Частицы соударяются с такой энергией, что продукты столкновения очень быстро разлетаются в стороны. Огромную плотность вещества, необходимую для исследования кварк-глюонной плазмы, не удается удержать сколько-либо заметное время. Аналогичные опыты проводят и в Брукхейвенской национальной лаборатории в США — тоже пока без очевидного результата.
© 2019 CERN
Детектор ALICE
По сравнению со "старшими братьями" коллайдер NICA — менее мощный. Если в эксперименте ALICE ионы разгоняют до энергии 2.76 ТэВ, то здесь по плану тяжелые ядра будут ускоряться до 4,5 ГэВ, протоны — до 12,6 ГэВ. Зато он способен удерживать максимальную плотность плазмы — около 20 миллиардов тонн на кубический сантиметр. Это сопоставимо с плотностью нейтронных звезд. Поэтому для воссоздания в лабораторных условиях особого состояния вещества, в котором пребывала Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, ускоритель в Дубне подходит даже лучше, чем БАК.
"Теоретики предсказали множество фазовых переходов внутри этого первичного вещества, — говорит Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. — Их и будут исследовать на нашем коллайдере. Задача — определить, как меняются свойства вторичных родившихся частиц в зависимости от энергии и размеров сталкивающихся ядер".
Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ
Как устроен NICA
Комплекс NICA представляет собой каскад, состоящий из двух линейных ускорителей, выполняющих роль источников частиц (тяжелых и легких ионов), двух циклических ускорителей — бустера и нуклотрона, осуществляющих поэтапный разгон практически до скорости света, и, собственно, коллайдера с двумя детекторами, фиксирующими столкновения.
Схема ускорительного комплекса проекта NICA
"Сначала частицы доводят в линейном ускорителе до небольшой энергии — примерно 20 процентов от скорости света, — объясняет Сидорин. — После этого пучок ускоряется в бустере высокочастотным электрическим полем. Примерно за три секунды он набирает энергию, соответствующую 60 процентам скорости света. Оставшиеся 40 процентов добирает в нуклотроне".
В туннеле бустера ускорительного комплекса NICA
Линейный ускоритель тяжелых ионов и две циклические ступени уже готовы. В здании коллайдера завершаются инженерные работы. К концу года закончат сборку всех магнитов, проведут пусконаладочные работы. Первые столкновения должны получить в начале 2024-го. В высокой степени готовности находится и главный аналитический узел комплекса — многоцелевой детектор MPD (Multi-Purpose Detector).
© Фото : АНО "Национальные приоритеты"
Многоцелевой детектор MPD коллайдера NICA
"Он будет измерять все основные параметры, необходимые для понимания происходящих процессов, — рассказывает Сергей Мерц, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. — Второй, детектор SPD, или детектор спиновой физики, запустят позже, ориентировочно к 2030-му. Его задача — изучать столкновения поляризованных протонов, дейтронов, нейтронов, их спиновую структуру".
Сергей Мерц, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ
Увидеть своими глазами
Помимо фундаментальных проектов на комплексе NICA уже реализуют множество практических экспериментов. Сейчас, например, там проходят испытания микросхемы, предназначенные для работы в космосе. В космических лучах содержатся тяжелые ионы, и нужно понимать, как на них будет реагировать электроника приборов. Изучают также влияние излучения на организм человека и биологические объекты.
В перерывах между циклами столкновений на ускорителе планируют проводить исследования в области наук о жизни, материаловедения, ядерной энергетики.
"За прошедшие восемь лет огромное количество технологий и разработок, которые нужны были для NICA, вышли в промышленность, на коммерческие предприятия и уже улучшают качество нашей жизни, — сообщил на встрече с журналистами директор ОИЯИ, академик РАН Григорий Трубников. — Например, в системах безопасности и на транспорте. Камеры распознавания лиц пришли из физики частиц, из наших детекторов".
© АНО "Национальные приоритеты"
Директор ОИЯИ, академик РАН Григорий Трубников
Есть у комплекса NICA и просветительская функция. Как правило, обычному человеку попасть на подобные закрытые объекты очень трудно. Но теперь такая возможность появилась. Одним из направлений Десятилетия науки и технологий в России (с 2022 по 2031-й) стала инициатива "Научно-популярный туризм".
В феврале 2023-го состоялся первый тур в Дубну. Школьники восьмых–десятых классов из Москвы в сопровождении учителей приехали в наукоград, чтобы познакомиться с ОИЯИ и его научными установками и исследованиями. А также — узнать больше про ядерную физику. Такие экскурсии планируют проводить регулярно.
© Фото : АНО "Национальные приоритеты"
В туннеле коллайдера NICA
Строительство коллайдера NICA реализуется в рамках национального проекта "Наука и университеты".
