Знание-сила, 2009 № 01 (979) - Журнал «Знание-сила»

поисков каких-то видов частиц нужны, как раньше говорили, сверхвысокие энергии, а для исследования не менее важных для воссоздания адекватной картины мира явлений достаточны и просто высокие энергии. В чем разница между высокими и сверхвысокими энергиями ускорителей? Легко объяснить на примере.

Большой адронный коллайдер предназначен для энергий до 6 ТэВ — 6 тысяч ГэВ, а планирующийся в подмосковной Дубне коллайдер NICA — несколько ГэВ. Разница — в тысячу раз.

Заседание международного координационного комитета проекта NICA

О чем поведают тяжелые ионы

NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — это базирующийся на нуклотроне сверхпроводящий высокоэнергетический ускорительный комплекс тяжелых ионов на встречных пучках. Загадочное слово «нуклотрон» расшифровывается просто — ускоритель ядер. Поэтому нетрудно сообразить, что задуман коллайдер NICA для экспериментов с ядрами атомов. После того как из атома извлекают бегающие по орбитам вокруг ядра электроны, «ободранное» от электронов ядро превращается в положись тельно заряженный ион. И чем тяжелее этот ион, тем интереснее он для исследователей.

При низких энергиях эксперименты с тяжелыми ионами позволили ученым воссоздать целый ряд сверхтяжелых химических элементов, которые не обнаруживаются пока в природе, наверное, в силу очень недолгой продолжительности своей жизни, но которые точно были во времена сотворения мира. Один из таких элементов — номер 105 — назван дубнием, так как синтезирован был в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований путем бомбардировки ядер америция-243 ионами неона-22. Коллектив лаборатории под научным руководством академика Юрия Оганесяна уверенно шагает во главе фронта мировых исследований в области физики тяжелых ионов при низких энергиях. Именно в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций была экспериментально подтверждена гипотеза существования «острова стабильности» — группы долгоживущих сверхтяжелых элементов в море их столь же весомых коллег, моментально исчезающих из нашего мира в процессе распада на части.

При высоких энергиях изучение столкновений тяжелых ионов сулит тоже очень интересные перспективы, способные открыть некоторые тайны Вселенной. А именно: когда случилось то, что мы сегодня называем Большой взрыв — и вдруг появилась наша Вселенная, то она в первые микросекунды представляла собой чудовищной плотности и температуры клубок частиц, взаимодействовавших друг с другом. (Протоны и нейтроны сложились в ядра только минуты через три, а на образование атомов ушло целых 300 тысяч лет.) Теория предполагает, что в те незапамятные первые микромгновения кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, «гуляли» в свободном состоянии, образуя кварк-глюонную плазму или, лучше сказать, материю. До сих пор считалось, будто это что-то вроде слабо взаимодействующего газа из кварков и глюонов, а несколько лет назад выяснилось, что это скорее идеальная жидкость. Факт, вызывавший сначала скепсис у большинства теоретиков и экспериментаторов, в конце концов убедившихся в том, что кварк-глюонная плазма представляет собой самую идеальную жидкость из всех известных нам, стал открытием номер один 2005 года по классификации Американского института физики.

В Брукхейвене на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) кварк-глюонную материю уже пытались обнаружить, но получили лишь косвенные признаки ее существования. Однако есть еще одна тайна у Вселенной — физики-теоретики называют ее смешанной фазой адронной материи. Они считают, что подобно кипению воды, когда одновременно в кастрюле бурлят вода и пар, у кварк-глюонной материи тоже существовала смешанная фаза. Группа дубнинских теоретиков во главе с профессором Вячеславом Тонеевым в своих расчетах исходит из того, что смешанная фаза адронной материи должна включать одновременно свободные кварки, глюоны и протоны с нейтронами, внутри которых кварки уже связаны — склеены глюонами.

Экспериментаторы из Брукхейвена не прочь заняться поисками смешанной фазы, но при тамошних сверхвысоких энергиях пучков фазовый переход просто невозможно заметить. Это все равно, что мгновенно нагревать воду до 1000 градусов Цельсия — она тут же превратится в пар без привычной нашему глазу картины кипения с бурлящими в воде и исходящими паром пузырьками.

И тут явилась НИКА

Нуклотрон Лаборатории физики высоких энергий имени В.И.Векслера и А.М.Балдина ОИЯИ — сверхпроводящий ионный синхротрон с диапазоном энергий до 5 ГэВ на нуклон — вполне подходит для поисков смешанной фазы адронной материи, считают дубнинские физики. Этот ускоритель был построен в тяжелые 90-е годы и не успел еще проявить свои истинные возможности в должной мере, несмотря на то, что миниатюрные экономичные сверхпроводящие магниты нуклотрона стали яркой инновацией в области технологий строительства ускорителей. Нуклотрон нужно довести до его проектных параметров и использовать в качестве базового элемента нового коллайдера тяжелых ионов, решили в Дубне.

Коллайдер NICA, строительство которого планируется завершить к 2013–2014 годам, если вовремя поступит необходимое финансирование, будет представлять собой каскад четырех ускорителей. Схематично это выглядит так. Источник тяжелых ионов посылает ядра в линейный ускоритель, который будет создан специалистами Института физики высоких энергий из Протвино. Далее пучок летит в бустер-синхротрон, где энергия частиц поднимается до нужной величины. Оттуда 30 сгустков по10 миллиардов ядер в каждом попадают в нуклотрон и, выстраиваясь там сверхпроводящими магнитами в тончайшую нить длиной 30 сантиметров, разлетаются в виде двух встречных пучков из 15 сгустков ядер — каждый в свое кольцо ионного коллайдера длиной 225 метров.

Два кольца коллайдера должны пересечься в двух точках, оснащенных детекторами. Один из них — многоцелевой детектор MPD (Multipurpose Detector), который сможет засечь наличие смешанной фазы и все, что удастся обнаружить в этой области энергий. Его разработкой руководит профессор Владимир Кекелидзе — директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. Детектор сможет обнаруживать частицы, вылетающие из точки соударения пучков по всем возможным направлениям. Для создания прибора с таким высоким уровнем чувствительности потребуются принципиально новые технологические решения.

Другой детектор предназначен для спиновой программы исследований. Поляризация частиц — вот что интересует физиков, планирующих эксперименты по исследованию спина на коллайдере NICA — еще одна тайна мироздания. Что такое поляризация? Это такое состояние группы частиц, когда их спины выстроены в одном направлении. Это порядок в мире частиц, который влияет на их взаимодействие, их борьбу друг с другом: кто кого притянет или оттолкнет, кто кого разобьет, поглотит или породит новые частицы. Теоретики Дубны лелеют надежду, что и этим тайнам помогут раскрыться эксперименты на коллайдере NICA, проектируемом совместно со специалистами новосибирского Института ядерной физики имени Г.И.Будкера — асами ускорительных технологий на встречных пучках.

Но не только дубненские и сибирские физики рассчитывают поработать на новом коллайдере. Проект NICA уже объединил несколько отечественных научных организаций, заинтересованных в новой совершенной физической машине на российской земле. Разработка проекта ведется с середины 2006 года в тесном сотрудничестве