В конце марта произошло знаковое событие для мировой науки – стартовал первый сеанс работы российского коллайдера NICA. Торжественный запуск состоялся в лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), расположенного в подмосковной Дубне. Сеанс продлится около полугода и завершится столкновением встречных пучков ксенона в точке их пересечения в зале MPD (Multi-Purpose Detector). Большая часть первого – технологического – сеанса уйдёт на подготовку к физическому пуску коллайдера, включая настройку новых режимов работы. По словам вице-директора ОИЯИ Владимира Кекелидзе, по плану, в августе пучки начнут циркулировать в кольце коллайдера. И после установления стабильной работы ускорительного комплекса стартуют полномасштабные исследования с детектором MPD в рамках научной программы NICA. В настоящий момент в проекте участвуют более 1500 учёных из более чем 15 стран, включая российских исследователей, поддержанных грантами Минобрнауки.
Весь путь – от идеи до реализации – занял 19 лет. О предпосылках создания «младшего брата» Большого адронного коллайдера и о том, какие научные и прикладные задачи планируется решать с его помощью, в материале «Стола».
Кирпичики мироздания
Согласно современным научным теоретическим представлениям, Вселенная возникла около 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. В первые мгновения материя существовала в виде кварк-глюонной плазмы – сверхгорячей и сверхплотной смеси кварков и глюонов (частиц, «склеивающих» кварки внутри протонов и нейтронов, от англ. glue – клей). По мере остывания плазмы произошёл фазовый переход – кварки объединились в адроны (протоны и нейтроны), из которых позже сформировались атомные ядра. То есть кварки, по сути, – кирпичики мироздания, элементарные неделимые частицы, из которых состоит вся материя.
Однако точные условия перехода от кварк-глюонной плазмы к адронному веществу остаются загадкой. В начале 2000-х мировое научное сообщество начало поиск ответов на эти вопросы. Учёные предположили, что столкновение тяжёлых ионов на высоких энергиях может воссоздать переходные состояния: от кварков и глюонов в протоны и нейтроны – и обратно. И таким образом получится пролить свет на тайну образования материальных объектов во Вселенной.
Макрофотография периферического взаимодействия ядра Xe в ядерной эмульсии, полученная через 60-кратный объектив. Фото: nica.jinr.ruБольшой адронный коллайдер в силу своей огромной мощности не подходил под поставленные задачи. Он создавался для достижения предельно возможных энергий столкновений на современном технологическом уровне. Именно это позволило открыть бозон Хиггса, что и было одной из ключевых задач проекта.
Проект NICA
В ходе интенсивных дискуссий пришли к решению создать на базе существующего российского сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон» новую установку, которая позволила бы найти ответы на интересующие вопросы. Так появился проект NICA – Nuclotron based Ion Collider fAcility (коллайдерная установка на базе «Нуклотрона»).
Схема ускорительного комплекса проекта NICA. Фото: nica.jinr.ruГлавная цель 503-метрового кольцевого коллайдера – создание максимально плотной ядерной материи. Такое состояние вещества встречается в нейтронных звёздах. В них под действием чудовищной гравитации протоны и нейтроны «распадаются» на кварки и глюоны, образуя кварк-глюонную плазму («кашу» из фундаментальных частиц). Только создавать такую «кашу» – освобождать кварки – будут не путём гравитационного сжатия, а за счёт столкновения тяжёлых ядер – например, двух ионов золота. Для успешного образования кварк-глюонной плазмы критически важен строго определённый диапазон энергий – около 10 ГэВ на каждый нуклон иона. Если энергия будет ниже – не удастся разрушить ядро и нуклоны, а если выше – не получится создать большую ядерную плотность. Именно поэтому такой энергетический режим – до 11 ГэВ – и был выбран в качестве рабочего для коллайдера NICA, что делает установку уникальным инструментом для изучения фазовых переходов ядерной материи.
Проект NICA представляет собой масштабный научный комплекс, объединяющий целый ряд уникальных установок и развитую инженерную инфраструктуру. В его составе сверхпроводящий ускоритель «Нуклотрон», способный разгонять частицы до требуемых энергий, а также дополнительный кольцевой ускоритель (бустер), разгоняющий частицы до промежуточных энергий. Кроме того, в комплекс входят линейные ускорители и каналы транспортировки частиц между всеми ускорителями, а также каналы, выводящие частицы на три исследовательские установки: одна для проведения эксперимента с фиксированной мишенью (BM@N) и две для экспериментов на детекторы MPD и SPD.
Исключительное инженерное сооружение
Отдельно стоит рассказать о создании и доставке в Дубну главного элемента детектора MPD на коллайдере – сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь весом более 70 тонн. На её изготовление ушло пять лет.
Эскиз здания Центра NICA и схема расположения основных элементов криогенного комплекса на площадке ЛФВЭ. Фото: nica.jinr.ru«Сам по себе магнит такого размера – уже исключительное инженерное сооружение. Причём мы должны не просто получить катушку с большим объёмом магнитного поля, внутри которого будут располагаться детектирующие элементы, но нам необходимо будет создать поле очень высокой однородности; это позволит восстанавливать с высокой точностью процессы, которые мы будем изучать в ходе столкновения ионов на пучках коллайдера.
Катушка, создающая поле, проектировалась в России («Нева-Магнит»), но собиралась в Италии на известном предприятии ASG Superconductors. Компания уже имела опыт изготовления похожих катушек – в частности, для одного из детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), поэтому выбрали именно эту фирму.
Подготовка к установке катушек в магнитопровод. Фото: nica.jinr.ruПроцесс изготовления занял около пяти лет. Почему так долго? Потому что, прежде чем создать магнит такого размера, обеспечивающий магнитное поле высокой однородности, причём из уникальных материалов, надо было спроектировать и сделать набор инструментов, с помощью которого изготавливаются основная и корректирующие катушки, криостат (вакуумный сосуд) и многие другие элементы магнита. Кстати, этот набор инструментов – намоточная машина, механическая оснастка, внушительных размеров печь для запекания обмотки – имеет гораздо большие размеры, чем сама катушка.
Несколько лет ушло на разработку и создание набора инструментов, с помощью которого надо было протестировать сверхпроводящий кабель для катушки, поскольку она работает при температуре, близкой к нулю по абсолютной шкале Кельвина, намотать основную и корректирующие катушки. Далее необходимо было изготовить криостат и поместить в него основную катушку – и это тоже очень непростая инженерная задача. Затем всё собрать, обеспечить вакуум в криостате и испытать», – рассказал вице-директор ОИЯИ Владимир Кекелидзе в одном из интервью.
Вице-директора ОИЯИ Владимира Кекелидзе. Фото: jinr.ruИз-за размера и веса криостата с катушкой доставка возможна была только по воде и заняла больше месяца. Из Генуи на корабле она прибыла в порт Санкт-Петербурга, а оттуда на барже через Ладожское, Онежское и Белое озёра и далее по Волге была доставлена в Дубну. Для перегрузки с баржи на автомобильную платформу саркофага с ценным инженерным сооружением был задействован самый мощный портовый кран в мире. Последние 3 км от порта до института заняли по времени несколько часов – из-за больших габаритов груза. В городе на это время даже пришлось отключать электричество.
Прикладные исследования
Планируется, что помимо фундаментальных задач NICA позволит проводить и прикладные исследования. В частности, уже намечено три проекта, которые могут принести ощутимую пользу. Первый нацелен на изучение работы электроники в радиационных условиях. Такие исследования необходимы для создания аппаратуры, устойчиво работающей в условиях высокой радиации и космического излучения.
Фазовая диаграмма барионной материи. Фото: nica.jinr.ruВторое не менее важное направление – продолжить испытания биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию. Это особенно актуально в контексте планируемых длительных космических миссий на другие планеты. На комплексе NICA планируется создать специальную зону, где живые организмы будут облучаться, благодаря чему можно будет понять, как они меняют свои свойства под воздействием радиации.
