Ион и она: тайны начала Вселенной позволит приоткрыть новый ускоритель NICA в Дубне

В России начали первый сеанс ускорения частиц на комплексе NICA — уникальной научной установке класса «мегасайенс». Эксперимент продлится полгода. В нем будут задействованы все основные элементы комплекса. Благодаря этой новой научной инфраструктуре исследователи рассчитывают найти ответы на фундаментальные загадки мироздания. Например, из чего состоит темная материя и как устроены сильные взаимодействия, которые связывают друг с другом частицы внутри ядра. Вместе с тем, отметили эксперты, NICA станет инструментом для изучения на новом уровне материалов и живых тканей.

Как устроен ускоритель NICA

Первый сеанс ускорения частиц на комплексе NICA положил начало циклу исследований, которые позволят раскрыть фундаментальные тайны мироздания. Например, как Вселенная формируется из «кирпичиков» кварков и глюонов. Или как устроены сильные взаимодействия — самые могучие и самые загадочные силы природы, которые связывают частицы внутри ядра и ответственны за формирование почти всей материи во Вселенной. Вместе с тем исследователи благодаря новой научной инфраструктуре рассчитывают приблизиться к пониманию темной материи. Об этом «Известиям» рассказал вице-директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Владимир Кекелидзе.

Точкой отсчета для развертывания исследований стал запуск 25 марта первого сеанса работы ускорителя NICA, он продлится около полугода. В процессе будут задействованы все основные системы мегаустановки. Завершится эксперимент столкновением встречных пучков ксенона в точке их пересечения в многоцелевом детекторе, одной из двух базовых частей комплекса.

— Это исторический момент, это путь длиной в 19 лет. Мы все ждем данных первых физических экспериментов, когда увидим на мониторах в пультовой сталкивающиеся пучки. Думаю, этот момент наступит в июле–августе, — сообщил директор ОИЯИ академик РАН Григорий Трубников.

Как объяснили исследователи, NICA был построен на базе синхрофазотрона — ускорителя для разгона протонов до высоких энергий. Его построили в Дубне в 1950-х годах. В свое время эта установка считалась одной из лучших в мире, но со временем она потеряла научную актуальность. В 2006-м предложение физиков о развитии комплекса получило поддержку правительства России и было включено в программу развития ОИЯИ. В 2016 году состоялась закладка первого камня основного здания NICA. В строительстве приняло участие более 2 тыс. компаний из России и десятков других стран.

Как рассказал Владимир Кекелидзе, научная программа NICA была принята после широкого обсуждения мировым научным сообществом, в ходе которого были определены по-настоящему уникальные задачи.

— Работы на NICA не только интенсифицируют уже ведущиеся в мире исследования, но и расширят их в сферы, которые недоступны в других мировых центрах. Например, это области экстремальных состояний ядерной материи — максимально возможной ее плотности, существующей только в недрах нейтронных звезд, — пояснил ученый.

Он уточнил, что NICA включает в себя ускорительный комплекс, детекторы, инженерную и IT-инфраструктуру, которые расположены в десятках зданий. При этом собственно ускоритель состоит из нескольких источников ионов, двух линейных ускорителей, двух циклических сверхпроводящих ускорителей (периметром около четверти километра) и ряда каналов транспортировки пучков. Вершина комплекса — коллайдер (установка, где сталкивают частицы).

Какие эксперименты будут проводить на комплексе NICA

По словам Владимира Кекелидзе, в основе NICA — технология криогенных быстроциклирующих магнитов, разработанная в ОИЯИ. В соответствии с ней на ускорителях ионы разных сортов (от легких ядер водорода до тяжелых — висмута или золота) разгоняют до энергий в десятки гигаэлектронвольт и скоростей, близких к скорости света.

Сердце комплекса — это сотни тысяч каналов микроэлектроники и сложный набор датчиков, которые детектируют частицы, образованные в результате столкновения ускоренных ионов.

— Основное научное направление при запуске коллайдера NICA — это исследование столкновений тяжелых ионов и исследование перехода ядерной материи в кварк-глюонную плазму в многоцелевом детекторе MPD. Это состояние материи с высокой плотностью и температурой, которое существовало в первые мгновения после Большого взрыва. Для этих целей NICA обладает уникальными характеристиками и отлично дополняет существующие в мире эксперименты, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Юрий Сеничев.

Другое не менее важное направление — это изучение спиновой физики (спин — собственный момент импульса элементарной частицы. — Прим. «Известия»), где сталкиваются пучки поляризованных легких ядер в детекторе SPD. В результате будут получены данные о спиновой структуре нуклонов — частиц, из которых состоят атомные ядра, пояснил ученый.

— Спиновая программа существенно расширяет научный потенциал NICA. Так, одна из основных задач комплекса, помимо изучения столкновения поляризованных пучков, — исследование электрического дипольного момента (ЭДМ) легких ядер. Обнаружение этого сигнала позволит описать важнейшие аспекты эволюции нашей Вселенной и станет окном в новую физику, — дополнил младший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Алексей Мельников.

По его словам, эксперимент по измерению ЭДМ легких ядер на накопительном кольце — первый в России. Разработанная техника позволит улучшить точность измерения ЭДМ на четыре порядка по сравнению с проводимыми в мире ранее.

Это может стать важным открытием, так как нахождение ЭДМ позволит объяснить, к примеру, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, что противоречит нынешним представлениям, которые предполагают полную симметрию в происхождении вещества. Помимо этого, ЭДМ может быть чувствителен к взаимодействиям частиц с темной материей, поэтому, научившись его измерять, можно приблизиться к пониманию этой субстанции, добавил ученый.

— Эксперименты на ускорительном комплексе NICA важны для углубленного понимания новой физики, которая достигла своего предела на таких мегасайенс-установках, как Большой адронный коллайдер или синхротроны, — отметил директор по управлению научно-техническими программами частного учреждения «Наука и инновации» госкорпорации «Росатом», заместитель директора по науке НЦФМ Михаил Романовский.

Например, пояснил эксперт, на NICA будут сталкивать тяжелые частицы, в результате чего получат кварк-глюонную плазму. Ранее ее исследовали только в соударении различных относительно легких частиц, например, протонов. Однако этого недостаточно для понимания физики. Эксперименты же на ускорителе позволят продвинуться в понимании материи внутри нуклона (частиц, которые составляют атомное ядро). В результате могут быть открыты новые эффекты и в дальнейшем получены технологии, которые будут способствовать развитию альтернативных источников энергии.

— NICA — это одна из немногих за долгое время установок мирового класса, которые запустили в России. Причем на ней будут решать задачи, которые не перекрываются другими существующими в мире ускорителями. Это существенно поднимает значимость и научный престиж страны, — считает профессор кафедры «Проблемы теоретической физики» Московского физико-технического института, доктор физико-математических наук Николай Николаев.

Кроме того, такие комплексы, отметил ученый, позволят внутри страны подготовить новое поколение передовых ученых в различных науках. В частности, вокруг NICA будет создано множество специализированных лабораторий, которые будут использовать пучки ускоренных частиц для исследования веществ и живых тканей на атомарном уровне. Эти исследования необходимы для получения новых высокотехнологичных материалов, лекарственных препаратов, химических катализаторов и других целей, резюмировал ученый.