NICA в поисках ответов на вселенские вопросы
Если сто лет назад научные прорывы были в основном связаны с теоретическим осмыслением мироустройства, то сегодня самые интересные результаты получают экспериментаторы, подтверждая (реже опровергая) эти теории. Наш мир как никогда полон загадок: тёмная материя остаётся «тёмной лошадкой», спины элементарных частиц ведут себя так, как хочется им, нет единой общепризнанной теории происхождения жизни на Земле. На некоторые из научных загадок постараются дать ответ учёные из Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), расположенного в подмосковной Дубне, где с 2008 года реализуется международный проект NICA.
Владимир Кекелидзе Старт назначен на 2019 год
Коллайдер NICA (Nuclotron Ion Collider fAcility) создаётся для изучения горячей и максимально плотной кварк-глюонной материи. «Мы хотим воссоздать мини-большой взрыв в лаборатории - рассказал директор лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Владимир Кекелидзе. -
В первые миллисекунды (после Большого взрыва - Ред.) произошло формирование нашего мира, появились «кирпичики мироздания», их изучают в ЦЕРНе. А вот как из этих кирпичиков родился тот мир, в котором мы живём, как возникли протоны и нейтроны? Это мгновение мы и пытаемся воссоздать».
Часть инфраструктуры NICA уже построена. В частности, в новый комплекс войдёт работающий с 1992 года ускоритель Нуклотрон. Строительство самого коллайдера начнётся 25 марта этого года. Запуск установки поделён на два этапа, сообщил Кекелидзе: «Ускорительный комплекс, в стартовой конфигурации, ещё не с полной интенсивностью - конец 2019 года, окончательная проектная мощность - 2023 год».
Схема NICA. Источник: официальный сайт проекта
Путешествие к Большому взрыву
Учёные рассчитывают реконструировать условия, в которых находилась материя после Большого взрыва, сталкивая ионы (то есть лишённые электронов атомы) золота друг с другом. «Золото используется, потому что с ним технологически удобнее работать», - пояснил учёный секретарь лаборатории физики высоких энергий Дмитрий Пешехонов.
«Если мы попадём ядром по ядру при определённой энергии, создастся такая плотность ядерной материи, которую ещё никто не наблюдал, она есть только в нейтронных звёздах. На мгновение она появится, и мы сможем это увидеть и зафиксировать. Изучить свойства этой материи - главная наша задача», - подчеркнул Владимир Кекелидзе.
Полученная таким способом кварк-глюонная плазма - это определённое агрегатное состояние вещества. Оно отличается от привычной материи примерно как лёд от водяного пара - те же элементы за счёт изменения температуры и давления организованы по-другому. Только в качестве элементов тут выступают не молекулы, а кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, «склеенные» глюонами - переносчиками сильного взаимодействия. Характерной особенностью кварк-глюонной плазмы является хаотичность поведения этих частиц: заряженные цветовыми зарядами кварки и глюоны почти свободно двигаются в ограниченном давлением пространстве. Предположительно, в первые мгновения после Большого взрыва всё вещество Вселенной находилось именно в таком состоянии.
Переход вещества из адронной фазы в кварк-глюонную происходит при повышении температуры и плотности. Учёные стремятся зафиксировать момент перехода
Как водяной пар при охлаждении конденсируется, собирается в кластеры и становится жидкостью, так и кварк-глюонная материя при уменьшении энергии (остывании и расширении) «кластеризуется», образуя нейтрально заряженные адроны (протоны и нейтроны). Это, конечно, очень грубая аналогия и совершенно неочевидная с точки зрения физики высоких энергий. В атомарном ядре чем ближе друг к другу расположены протоны и нейтроны - тем сильнее между ними взаимодействие (этим и воспользовались создатели ядерной бомбы или энергостанции - они «разрывают» ядра атомов, отталкивая протоны и нейтроны друг от друга, что и приводит к выделению огромного количества энергии). Но внутри протонов и нейтронов наблюдается противоположная картина: чем ближе расположены три кварка, составляющие протон или нейтрон, тем меньше сила взаимодействия между ними. Это явление получило название ассимптотической свободы кварков, и за его открытие в 2004 году была присуждена Нобелевская премия трём физикам-теоретикам из США: Дэвиду Гроссу, Дэвиду Политцеру и Фрэнку Вильчеку. Кстати, учёные из Дубны активно сотрудничают с Гроссом и ожидают, что он прочитает лекцию в рамках празднования шестидесятилетнего юбилея ОИЯИ, который отмечается 26 марта 2016 года.
На службе у производства
Наряду с фундаментальными исследованиями NICA позволит расширить и некоторые прикладные исследования, которые сейчас ведутся на ускорителе Нуклотрон. Все они связаны с ионным облучением.
Во-первых, это медицинские эксперименты, которые помогут развить такие направления, как лучевая и углеродная терапии рака с использованием уникальных сверхпроводящих технологий. Подобные исследования начались в ОИЯИ с конца 1960-х.
Второе направление - это изучение поведения различных объектов в космосе. Учёные имитируют на Земле космическое излучение и исследуют его воздействие на электронику и живые организмы. Например,
проводятся эксперименты над обезьянами, чтобы понять, как их мозг реагирует на «космические лучи» - это важно для подготовки к возможному полёту человека на Марс, подчеркнул Кекелидзе.
Наконец, третье направление - это разработка способов утилизации радиоактивных отходов. В его рамках учёные исследуют возможность перевода долгоживущих радионуклидов в короткоживущие.
Магниты haute couture
Но основная задача проекта - это фундаментальные исследования, и чтобы их проводить максимально эффективно, необходимо тонко настроить параметры экспериментальной установки.
Коллектив ОИЯИ не одинок в стремлении изучить кварк-глюонную плазму. Помимо NICA под эти исследования будет заточен строящийся в Германии FAIR, а американский STAR уже пытается проводить подобные эксперименты. Но, как отметил Кекелидзе, действующие ускорители не откалиброваны под эту задачу: в них поток частиц слишком разрежен, и вероятность столкновения ядер (без которого никакая кварк-глюонная плазма не образуется) значительно снижается: «У американцев интенсивность будет на 2-3 порядка хуже. Может быть, они что-то увидят, но изучить не смогут, ведь чтобы набрать ту же статистику для изучения, потребуется 100, а то и 1000 лет». В Российской NICA, где будут учтены все тонкости, вероятность лобового (а значит, самого эффективного) столкновения ионов всего 5-10%, ещё около 50% ядер будут цеплять друг друга краем.
«Параметр, описывающий, как пучки сходятся, называется светимость, - пояснил глава лаборатории физики высоких энергий. -
Представьте, что два снайпера на расстоянии в несколько километров пытаются попасть пулей в пулю. Они могут выпускать не по одной, а по целому пучку пуль - это и будет светимость. Если она очень кучная, вероятность попадания большая, но всё равно это лишь вероятность».
Неудивительно, что для такого «штучного» товара, как новый коллайдер, комплектующие нужны тоже штучные. Главной «мотор», ускоряющий частицы, - это магниты, которые помогают создать электро-магнитное поле, воздействующее на положительно заряженные ионы. Сверхпроводимые магниты с трубчатым кабелем, по которому запускают охлаждающий гелий, для NICA изготавливают на специализированной фабрике на территории института. Для разных участков установки нужны разные магниты, так как они решают различные задачи. Например, в бустере (круговом ускорителе) стоят магниты, разгоняющие частицы с 600 мегаэлектроновольт до 4,5 гигаэлектроновольт, а в самом коллайдере магниты вообще не ускоряют частицы, только накапливают их.
Для различных устройств NICA изготавливаются индивидуальные сверхпроводящие магниты
Там же по схожей технологии изготавливаются магниты для немецкого проекта FAIR. В отличие от российского эксперимента там частицы будут не сталкивать друг с другом, а запускать в мишень, поэтому магниты для FAIR тоже немного отличаются по габаритам и строению.
Первая стадия производства - изготовление сверхпроводящего кабеля
Но такое тесное сотрудничество с германским центром неудивительно. Коллаборация NICA - один из шести проектов класса megascience, реализуемых в России. Такие проекты обязательно подразумевают международное партнёрство, ведь они нацелены на совершение прорывов в фундаментальной науке. Так, в рамках NICA Россия сотрудничает с научными организациями 30 стран.
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=117115#.VvQ7GU-E4c0