25 марта состоялась торжественная церемония закладки первого камня в основание перспективного ускорительного комплекса, приуроченная к началу работ по строительству российского коллайдера NICA в Подмосковной Дубне. Согласно планам, первый запуск коллайдера планируется в начале 2019 года. О проекте российских физиков, его главных задачах, направлениях исследований и текущем состоянии дел на объекте мы расскажем в нашей сегодняшней публикации.

Работы над созданием младшего брата БАК первого российского коллайдера NICA (Nuclotron-based Ion Collider facility) в Институте ядерных исследований (г. Дубна) были начаты в 2013 году. Глобальная цель проекта – моделирование момента возникновения Вселенной и изучение свойств плотной барионной материи. По словам директора лаборатории высоких энергий Объединенного Института ядерных исследований (ОИЯИ) Владимира Кекелидзе проект разделен на несколько этапов. Согласно намеченным планам коллайдер будет запущен в 2019 году и разовьет полную мощность спустя 3 года, после чего выйдет на штатный рабочий режим и будет готов к плановому использованию. Первый этап в реализации проекта — постройка детектора BM@N будет завершен уже в 2017 году. Завершение финального, третьего этапа — постройки детектора SPD, в соответствии с текущими планами и возможностями ОИЯИ намечено на 2023 год.

Несмотря на существенную разницу в размерах и бюджетах (на начальных этапах финансирование осуществлялось силами ОИЯИ), перед НИКОЙ, также реализуемой в международной кооперации, стоят ничуть не менее амбициозные задачи, чем перед церновской установкой. Главное отличие российского комплекса NICA от швейцарского в изначальных целях экспериментов. Если ЦЕРН создавался, главным образом, для поиска неуловимого бозона Хиггса — частицы, сообщающей массу всем остальным частицам, то НИКА позволит изучить аспекты возникновения Вселенной несколько миллиардов лет назад и, прежде всего, процесс формирования из глюонов и кварков частиц барионной материи, существовавшей только на ранних этапах эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд.

NICA позволит изучить взаимодействия пучков самых разных частиц: от протонов и поляризованных дейтронов – до массивных ионов золота. Тяжелые ионы планируется разгонять до энергий 4,5 ГэВ, протоны – до 12,6 ГэВ. Создается коллайдер на базе модернизированного ускорителя “Нуклотрон”, работающего в ОИЯИ с 1993 года. Регистрация параметров столкновений потоков частиц будет проводиться в двух точках.

Планы и перспективы

Проект НИКА не предполагает рытья тоннелей и шахт, поскольку установка, представляющая собой каскад из трех ускорителей разрабатывалась с учетом мощностей уже существующего сверхпроводящего ионного синхротрона-нуклотрона. Необходимую для проведения экспериментов интенсивность частицам обеспечит “бустер”, использующий уже существующие магниты синхрофазотрона. А разогнать протоны до нужных энергий позволят два кольца коллайдера, диаметром по 500 м.

Сверхпроводящий ускорительный комплекс NICA

“Есть еще область физики высоких энергий, не менее интересная и очень популярная сегодня. И в этой области мы ожидаем очень яркие интересные открытия. Одно из них – фазовый переход ядерной материи. Для того, чтобы изучать явления такого порядка, необходимо создать максимальную плотность барионной материи, ту, которая существует в нейтронных звездах. Для изучения этих процессов не требуется энергий таких масштабов, как те, что используются на БАКе или Брукхейвенской машине. В теории требуемая для наших экспериментов энергия очень близка к той, которая уже сегодня достижима на нашем Нуклотроне”, — пояснил директор лаборатории высоких энергий ОИЯИ Владимир Кекелидзе.

Ученые рассчитывают, что NICA сумеет создать лучшие условия для экспериментов с тяжелыми ионами, что позволит переместить в Подмосковье мировой центр исследований в этом сегменте физики.

Нуклотрон (Первый сверхпроводящий синхротрон тяжелых ионов)

“Теоретики сформулировали те условия, при которых стало возможным развитие Вселенной по тому пути, по которому оно пошло. А условия очень простые – определенная температура (или энергия) частиц и плотность ядерного вещества. Когда были обозначены критерии и граничные параметры, стало ясно, какой эксперимент следует поставить в лабораторных условиях у нас на Земле чтобы смоделировать те условия, которые были на ранних этапах формирования Вселенной”, — поясняет заместитель главного инженера ОИЯИ, член-корреспондент РАН Григорий Трубников.

В соответствии с гипотезами ученых, НИКА позволит моделировать условия, близкие к тем, которыми сопровождался «Большой взрыв» ставший по одной из рассматриваемых версий причиной возникновения нашей Вселенной.

“Для решения стоящих перед нами задач потребуется четко определенная энергия, до которой требуется разогнать тяжелые ядра. Для этой цели мы выбрали “золото по золоту”, что легче технологически. Значительно ускоряет и упрощает процесс реализации проекта тот факт, что коллайдер создается на базе существующего и работающего Нуклотрона. Возможности NICA позволят нам вести исследования в двух направлениях: изучать тяжелую ионную программу, пытаться достичь той максимальной плотности барионной материи и смотреть, что из этого получится и, вместе с тем, изучать не менее интересное направление — спиновую физику", — пояснил Кекелидзе.

Эксперимент BM@N для изучения барионной материи на Нуклотроне

Столкновения тяжелых ионов высоких энергий предоставляют уникальные возможности для изучения свойств ядерной материи при экстремальных условиях. Одними из основных проблем в современной астрофизике являются описание механизмов образования и стабильности нейтронных звезд, а также процессов протекающих при взрыве сверхновых. При этом уравнение состояния сверхплотной ядерной материи может быть получено только на основании экспериментальных данных по ядро-ядерным столкновениям.

Одним из наиболее интригующих является предсказание о частичном восстановлении киральной симметрии в плотной ядерной материи наблюдаемое по значительным изменениям свойств адронов (масс и времен жизни) под влиянием ядерной плотности. Однако, дефицит точных экспериментальных данных для энергий столкновения порядка нескольких ГэВ на нуклон на настоящий момент затрудняет выбор в пользу какого-либо одного из предложенных сценариев модификации. При столкновении релятивистских ядер рождается большое количество частиц со странностью (К-мезонов и Λ-гиперонов). В процессе вторичного взаимодействия этих частиц с нуклонами среды возможно множественное образование каскадных гиперонов и гиперядер. Изучение рождения гиперядер позволит прояснить важные свойства гиперон-нуклонного и гиперон-гиперонного потенциала взаимодействия в среде. Более того, планируемые исследования имеют значительный потенциал открытия, поскольку данные по двойным гиперядрам на сегодня представлены крайне скупо.

Программа по физике тяжелых ионов на Нуклотроне предполагает развитие следующих направлений исследований: изучение уравнения состояния ядерной материи и динамики ядерных столкновений, изучение свойств адронов в плотной среде, изучение рождения каскадных гиперонов вблизи порога и рождения гиперядер.

Значительную долю в собранной статистике составят реакции p+p, p+n(d), которые потребуются для нормировки данных по A+A столкновениям.

Рис. 1. Схема эксперимента BM@N

Проведенные эксперименты позволят ученым исследовать распределения адронов по скорости, азимутальному углу, поперечному импульсу, изучить флуктуации и корреляции адронов в событии. На Рис. 2 (см. ниже) представлена схема экспериментальной установки. Детектор BM@N представлен трековой системой, время-пролетной системой для идентификации заряженных частиц и детекторами для определения параметров столкновения. Трековая система состоит из набора GEM (Gaseous Electron Multipliers) детекторов, располагающихся внутри анализирующего магнита (мах поле 0.8 Тл), а также Cathode Pad (CPC) и дрейфовых (DCH) камер позади магнита. Для эффективного разделения частиц предназначены время-пролетные детекторы (TOF1,2) на основе технологии mRPC (multigap Resistive Plate Chambers) со стриповым считыванием. Параметры таких детекторов дают возможность идентифицировать частицы вплоть до импульсов порядка нескольких GeV/c. Калориметр под нулевым углом (ZDC) предназначен для определения прицельного параметра столкновения (центральности) по измерению энергии частиц-фрагментов пучка. Планируется также восстанавливать центральность взаимодействия независимо по измерениям энергии частиц-фрагментов мишени в детекторе отдачи (Recoil), частично перекрывающем заднюю полусферу (-1<η<1.2).

Рис. 2. Модуль GEM-детектора на тестовом пучке Нуклотрона

Нужно отметить, что GEM-детекторы для эксперимента BM@N создаются группой ОИЯИ с использованием разработок ЦЕРНа. Экспериментальный образец GEM-детектора уже прошел тест-контроль в течении сеанса на пучке протонов Нуклотрона в феврале 2014г. (Рис. 2) и во всех тестах подтвердил операционную стабильность и эффективность регистрации.

Характеристики BM@N по реконструкции гиперонов с помощью трековой информации с GEM детектора представлены на Рис. 3. Качество идентификации Λ-гиперонов по инвариантной массе остается высоким даже в событиях с высокой множественностью частиц (в т. н. центральных Au+Au взаимодействиях).

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе для пар протонов и π-мезонов, реконструированных в центральных Au+Au столкновениях при 4.5 ГэВ/нуклон.

Hilac. Линейный ускоритель тяжелых ионов

НИКА, по мнению ученых, поможет раскрыть структуру Вселенной и принципы, лежащие в основе ее фундаментальных сил и явлений: черных дыр, темной материи, темной энергии, “кротовых нор”, экстра-измерений.

“Когда вы знаете, как образовывалось вещество, как образовывалась материя, как она формировалась, вы сможете спрогнозировать, что будет с этой материей, как она будет развиваться далее, как будет распадаться и, наконец, как гибнуть. Вообще, это те фундаментальные вопросы, которые позволят получить ключ к пониманию эволюции нашей Вселенной”, — делится своим мнением Григорий Трубников.

Параметры создаваемой установки позволят достичь сверхвысокой плотности вещества, высокой энергии, исследовать поведение множества разнообразных частиц, что открывает беспрецедентные возможности для решения целого ряда прикладных задач. Новыми знаниями пополнится углеродная терапия, появится возможность изучения процессов трансмутации радиоактивных отходов и новых подходов получения энергии.

По словам Кекелидзе, проект NICA будет реализован с использованием самых передовых технологий и материалов, что обеспечит российскому ускорителю преимущество в скорости получения информации о столкновениях частиц в 100–1000 раз, в сравнении с его предшественником и главным конкурентом – ускорителем RHIC в американском Брукхейвене.

“Изначально ученые планируют сталкивать между собой не только ионы, но и ионы и протоны, другие элементарные частицы и легкие ядра. Это позволит накопить первичные данные, определить отправные точки и понять, куда и как двигаться дальше. Подобные исследования привлекают внимание не только физиков-ядерщиков, но и теоретиков, занятых изучением того, как зародилась Вселенная и тех процессов, которые происходят в недрах сверхплотных сгустков материи — нейтронных звезд и прочих вырожденных объектов космоса” – убежден физик.

Текущая ситуация

В проекте NICA, реализуемом на базе ОИЯИ принимают участие ведущие международные эксперты. И очень важно, что проект будет именно в России, а не за рубежом и создаст уникальные возможности для развития отечественного научного потенциала, рабочие места с блестящими перспективами для развития поколений российских физиков.

Кевелидзе отметил, что реализация проекта НИКА проходит в полном соответствии с графиком. События последних 3-х лет, связанные с политической ситуацией практически не отразились на проекте, изначально реализуемом, помимо российских ученых, специалистами из Белоруссии, Украины, Казахстана, Болгарии и Германии. В общей сложности список стран-участниц насчитывает сегодня уже 24 страны, текущая стоимость проекта, по словам Кекелидзе оценивается в $545 млн.

В какой-то мере осложнились пути преодоления проблем, связанных с событиями на Украине и, прежде всего, усложнились схемы логистики. Вместе с тем, Украина остается активным участником проекта, хотя определенные проблемы со взносами, по словам Кевелидзе ожидаются. Так совсем недавно завод в Краматорске – добавил он, поставил часть необходимой комплектации. На 85–90% научное сообщество Украины, дистанцировалось от происходящих событий и продолжает поддерживать связи с российскими коллегами. Практически не ощутили в ОИЯИ и западных санкций, значительно сильнее давят те эмбарго, которые были приняты в 50-х годах прошлого века на этапе холодной войны. Вместе с тем, находятся пути и способы их обхода – “аренда” готовых изделий вместо закупки сырых материалов и т. п. И европейские коллеги, по словам Кекелидзе, проявляют активную заинтересованность в поиске таких путей.

В 2016 году запланировано начало набора физических данных в эксперименте BM@N. Продолжается активная работа по созданию элементов детектора, модернизации канала пучка, оптимизации параметров установки с помощью методов моделирования Монте-Карло.

Краткая справка:

Объединенный Институт ядерных исследований (Дубна, Россия) основан в 1956 году на базе Института ядерных проблем Академии наук СССР. Именно в Дубне создавался первый в мире протонный ускоритель, синхрофазотрон. В составе института работает 7 лабораторий. Основные направления исследований – физика элементарных частиц, ядерная физика, конденсированное состояние вещества.

Сайт проекта

Литература:

1. I.Sagert et al, Phys. Rev. C 86, 045802 (2012).
2. R. Rapp, J. Wambach, Eur. Phys. J. A 6 (1999) 415;
3. R. Shyam and U. Mosel, Phys. Rev. C 67, 065202 (2003);
4. R. Rapp, J. Wambach and H. van Hees, arXiv:0901.3289.
5. J. Steinheimer, K. Gudima, A. Botvina, I. Mishustin, M. Bleicher, H. Stocker, Phys. Lett. B 714 (2012), pp. 85
6. Searching for a QCD mixed phase at the Nuclotron-based ion collider facility (NICA White Paper). nica.jinr.ru
7. BM@N Conceptual Design Report.