Благодаря Большому адронному коллайдеру задачи современной ядерной физики стали интересны не только узкому кругу профессионалов. Но фундаментальные исследования свойств элементарных частиц ведутся не только за рубежом, в настоящее время в России запланирована масштабная научная программа в области физики высоких энергий, включающая в себя строительство ускорителя коллайдера на встречных пучках тяжелых ионов в подмосковной Дубне.

Проект NICA/MPD (Nuclotron-based Ion Collider fAcility/Multi-Purpose Detector) на территории Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) станет установкой мирового уровня (megascience). Основной целью проекта будет изучение перехода ядерной материи в кварк-глюонную плазму и смешанной фазы этих состояний, экспериментальное наблюдение свойств которых является одной из самых актуальных задач современной физики высоких энергий и элементарных частиц.

Эволюция Вселенной

Задача, поставленная перед дубненскими экспериментаторами, может дать информацию о первых этапах эволюции Вселенной. Теория возникновения нашей Вселенной вследствие Большого взрыва предполагает, что именно

кварк-глюонная плазма, возникшая и просуществовавшая несколько миллионных долей секунды после взрыва, стала строительным материалом современного мира.

Ранняя Вселенная представляла собой изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения Вселенной произошла цепочка фазовых переходов, аналогичных конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Первым в этой цепочке стал переход, когда кварки и глюоны, образующие в составе плазмы некую непрерывную среду и существующие как свободные частицы, начали объединяться в нуклоны (нейтроны и протоны).

Рис. 1. Эволюция Вселенной после большого взрыва.

Дальнейшее расширение Вселенной и падение температуры привело к возникновению физических сил и элементарных частиц в их современном виде, вследствие чего произошло объединение протонов и нейтронов – нуклеонсинтез, и образованию легких ядер дейтерия, гелия, и еще нескольких легких изотопов. Следующий фазовый переход привел к тому, что доминирующей силой стала гравитация и появилась возможность возникновения атома водорода, а потом и атомов более тяжелых элементов. Если протоны и нейтроны сложились в ядра примерно за 3 минуты, то на образование атомов ушло порядка 300 тысяч лет. В ходе эксперимента станет возможным повторить этот процесс, но в обратном порядке: от атомов к кваркам и глюонам, и разобраться, какие силы притянули кварки друг к другу.

Кварк-глюонная плазма в современности

В современном мире существование кварк-глюонной плазмы возможно только внутри нейтронных звезд, а кварки и глюоны находятся в связанном состоянии в составе ядерной материи. Для получения плазмы экспериментальным путем в физике высоких энергий используют ускорители релятивистских (движущихся с околосветовыми скоростями) тяжелых ионов. Согласно теоретическим ожиданиям, существует узкая область энергий, от 4 до 11 гигаэлектронвольт на нуклон в системе центра масс, где может происходить процесс деконфаймента, когда силы, удерживающие кварки в составе элементарных частиц, более не действуют, и становится возможным существование кварк-глюонной плазмы. В начале 2000 года в CERN была продемонстрирована возможность получения кварк-глюонной плазмы путем столкновения ионов свинца с золотом. Плотность образовавшейся материи превышала плотность ядерной материи почти в 20 раз.

Рис. 2. Каждое соударение пары ионов
порождает тысячи частиц, их траектории
показаны цветными линиями (цвета
отражают энергию).

В рамках проекта NICA планируется изучение не только свойств кварк-глюонной плазмы, но и ее смешанного состояния с ядерной материей. Предполагается, что кварк-глюонная и ядерная материи могут сосуществовать, как сосуществуют жидкость и пар, в состоянии смешанной фазы. Согласно теоретическим расчетам, граница такого состояния представляет собой не тонкую линию, а целую область, получившую название «дубненской поляны», границы которой пока сложно предсказать. Свойства смешанного состояния и непосредственно самого перехода пока не исследованы и очень интересны.

Коллайдер NICA и его конкуренты

Для решения поставленных задач будет построен коллайдер NICA, в котором столкнутся пучки ядер золота, разогнанные навстречу друг другу до энергий 5,5 ГэВ на нуклон. Выбор ядер тяжелых элементов, в частности золота, обусловлен тем, что для возникновения кварк-глюонной плазмы необходима большая барионная плотность при сравнительно низких энергиях столкновения ядер.

Интерес к смешанной фазе существует и у экспериментаторов из Брукхейвена (США), но при сверхвысоких энергиях ускорителя RICH переход просто невозможно заметить. В настоящее время там ведется работа по модернизации ускорителя с целью понижения энергии сталкивающихся ионов и одновременного повышения плотности взаимодействия ядер. Эти моменты учтены при разработке концептуального дизайна будущего ускорительного комплекса в Дубне.

При столкновении ядер золота будет образовываться «сгусток» материи с высокой плотностью и температурой. Плотность вещества в таком «сгустке» по прогнозам будет в 7–10 раз превышать плотность обычной ядерной материи. Затем он будет расширяться и остывать, начнет происходить образование элементарных частиц, которые будет фиксировать многоцелевой детектор MPD. По полученным распределениям можно будет судить о свойствах новых состояний материи, которые возникли на различных этапах соударения ядер.

Рис. 3. Достопримечательность Дубны в стиле «Ретро» – синхрофазотрон.

У проекта NICA/MPD есть конкуренты среди ведущих научных центров Германии, Швейцарии и США, так как эксперимент очень актуален, но у ОИЯИ уже имеется богатый опыт строительства крупных ускорительных комплексов. Еще в конце 1950-x на территории института был построен Синхрофазотрон, который мог ускорять пучки протонов до рекордных для того времени энергий, достигнутых на ускорителях, – 10 гигаэлектронвольт. А в 1992 году в здании устаревшего к этому времени Синхрофазотрона на основе технологии сверхпроводящих магнитов был построен новый ускоритель – Нуклотрон, способный ускорять ядра вплоть до ядер железа.

Рис. 4. Достопримечательность Дубны сегодняшнего дня – нуклотрон.

В настоящий момент он является базовой установкой ОИЯИ. Создание нового ускорительного комплекса предполагается осуществить поэтапно, уже началась модернизация основных систем Нуклотрона, на базе которого планируется строительство коллайдера.

Рис. 5. Схема комплекса NICA/MPD.

Работа ускорителя

Схематично работа ускорительного комплекса будет выглядеть так. Источник тяжелых ионов КРИОН посылает ободранные от электронов ядра в линейный ускоритель, где пучок ядер получает начальное ускорение до энергии 5–6 МэВ на нуклон, и передается в бустер синхротрона, где энергия частиц пучка поднимается до значения, когда уровень потерь на остаточном газе в Нуклотроне становится приемлемым. Бустер аккумулирует несколько сгустков из источника и передает их в Нуклотрон, который в свою очередь аккумулирует сгустки из бустера и разгоняет их до энергий 3,5 ГэВ на нуклон. Источник тяжелых ионов, линейный ускоритель, бустер и Нуклотрон составляют инжекционный комплекс коллайдера. Его задача – доставить частицы непосредственно в кольца коллайдера. Для получения проектных характеристик в каждом кольце должно быть накоплено около 15 миллиардов ионов золота, которые будут разгоняться на встречу друг другу.

Рис. 6. Многоцелевой детектор MPD.

Накопление осуществляется за счет многократной инжекции ядер соответствующим комплексом. Время такого накопления может составлять до 1 часа, но после его окончания эксперимент может проводиться бесконечно долго с восполнением потерь ионов и охлаждением пучка. Длина кольца коллайдера составит 251 метр. В двух точках пересечения колец будут установлены детекторы. Один из них – многоцелевой детектор (MPD), задачей которого будет фиксация наличия смешанной фазы и других эффектов, которые удастся обнаружить в этой области энергий. Другой детектор предназначен для спиновой программы исследований.

Рис. 7. Технология изготовления прототипа время-проекционной камеры TRD для MPD.

Основной проблемой детектирования продуктов столкновения тяжелых релятивистских ядер является огромное множество рождающихся частиц, не все из которых одинаково «полезны» для решения поставленной физической задачи. Поэтому в MPD будет включено несколько основных систем детектирования, задачей которых будет фиксировать траектории, энергии и время пролета рождающихся частиц. Только совокупность данных сможет дать возможность правильно расшифровать информацию о том, какая частица родилась в результате взаимодействия ядер. Также необходим высокий уровень чувствительности детектора, что требует принципиально новых технологических решений. Проведение эксперимента на встречных пучках, а не на фиксированной мишени, как у главного конкурента NICA/MPD проекта FAIR (Германия), даст возможность фиксировать частицы, вылетающие по всем направлениям из точки соударения пучков. Эксперимент на мишени не сможет дать полного обзора, и в тени могут оказаться искомые события.

Начальная стадия проекта

В настоящее время проект NICA находится на стадии развития. Ведутся работы по модернизации ускорителя Нуклотрона – доведение его параметров до предельно возможных, созданы прототипы детекторов, которые войдут в состав MPD. Идет разработка технических параметров ускорительного комплекса, деталей коллайдера и исследования характеристик детекторов на пучках Нуклотрона. Затем наступит стадия конструкторской разработки, строительство бустера и колец коллайдера. Работы должны завершиться к концу 2012 года. По их окончанию будет проводиться монтаж элементов ускорителя и детектора MPD. При достаточном финансировании завершить строительство ускорительного комплекса NICA/MPD планируется в 2015 году. Общая стоимость проекта составит порядка 200 млн долл., финансирование будет осуществляться за счет бюджета ОИЯИ, который состоит из вклада 23 стран-участниц этого международного исследовательского центра, а также дополнительного государственного финансирования программы физики тяжелых ионов.

Проект будет иметь не только научное, но и практическое значение. Это отличная база для создания и испытания новых технологий, а новые и интересные задачи смогут привлечь молодежь в российскую науку.

Автор: Анна Максимчук, научный сотрудник ОИЯИ, специально для R&D.CNews.ru.