Все ближе и ближе день, когда в коллайдерном комплексе NICA Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне пройдут первые эксперименты по исследованию фазового перехода между плазмой и материей. О том, как устроен ускоритель, какие задачи перед ним стоят и почему для изучения нейтронных звезд не нужны энергии Большого адронного коллайдера, корреспонденту «Научной России» рассказал Сергей Павлович Мерц, ведущий научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.
Коллайдерный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility — сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов) — проект, совместивший в себе тысячи прорывных технологий, разработанных десятками институтов со всего земного шара. Здесь планируют изучать принципиально иное состояние материи — кварк-глюонную плазму, существовавшую в первые мгновения после Большого взрыва. Ученые надеются исследовать фазовый переход, в ходе которого плазма превратилась в привычную для нас ядерную материю. Фактически они ищут «точку кипения» плазмы.
Центральный элемент комплекса — кольцо коллайдера длиной 503 м, собранное из нескольких сотен сверхпроводящих магнитов. Это труба диаметром около 80 см, внутри которой проложены ионопроводы — тонкие каналы диаметром всего 4 см, по которым движутся пучки заряженных частиц. Главная задача инженеров — заставить эти пучки лететь навстречу друг другу на скоростях, близких к скорости света, и столкнуться в строго заданной точке детектора. Чтобы выполнить ее без огромных энергозатрат, нужно магнитное поле, создаваемое в условиях сверхпроводимости.
«Возьмем, например, наш синхрофазотрон. Эта огромная машина весит 36 тыс. т. По своей массе это самый тяжелый когда‑либо созданный человеком электромагнит. Кто‑то подсчитал, что она равна суммарной массе всех танков, участвовавших в битве на Курской дуге. Почему синхрофазотрон такой большой? Потому что для создания мощного магнитного поля нужно пропускать через провода огромные токи. Соответственно, и провода должны быть очень толстыми, иначе они сгорят. Но с открытием сверхпроводимости люди научились делать более компактные магниты. Для этого нужно “всего лишь” охладить магнит до температуры чуть выше абсолютного нуля — примерно до 4 K, примерно как в космосе. Это жидкий гелий. Технология быстро циркулирующего жидкого гелия когда‑то была создана у нас в Дубне, и магниты так и называют во всем мире — магниты дубненского типа, или Dubna‑type magnets», — рассказал С.П. Мерц. Вся цепочка ускорителей на комплексе NICA работает в несколько этапов. Ионы рождаются в источнике, затем попадают в бустер, расположенный в историческом корпусе синхрофазотрона. Там происходит «обдирка» — с атомов снимают электроны, чтобы они стали заряженными. Далее пучки направляются в нуклотрон, работающий с 1993 г. После этого у частиц есть три возможных пути. Первый — кольца коллайдера, где они будут сталкиваться внутри детекторов MPD и SPD (спиновый детектор, который планируют ввести позже). Второй — в павильон с установкой BM@N (барионная материя на нуклотроне), где уже сейчас набираются данные в режиме фиксированной мишени: пучок налетает на неподвижную мишень, что позволяет изучать физику столкновений при несколько меньших энергиях. Третий путь ведет в зону прикладных исследований, где проводятся эксперименты с биологическими объектами и материалами.
Одним из ключевых элементов экспериментальной установки считается MPD (Multi-Purpose Detector) — многоцелевой детектор, предназначенный для регистрации частиц, рождающихся при столкновениях ионов. Дело в том, что напрямую «сфотографировать» кварк-глюонную плазму невозможно, но о ее образовании можно судить по косвенным маркерам.
«Это точка, в которой будет происходить регистрация взаимодействия, регистрация частиц — новых, старых, разных. В общем сборе это будет 1,2 тыс. т. Бóльшую часть — 800 т — занимает синее ярмо магнита, откованное на огромном кузнечном молоте, с помощью которого куют винты для лайнеров, плавающих по океанам. Магнит был сделан в Чехии, и оттуда его привезли на нескольких грузовиках», — рассказал С.П. Мерц.
Ярмо магнита выполняет важную роль: оно задает форму и направление магнитного поля. Внутри него располагается криостат — конструкция, создающая напряженность поля, достаточную для управления движением частиц. Оно удерживает частицы на круговой траектории ускорителя и позволяет «читать» результаты столкновений, искривляя траектории образовавшихся частиц.
«Вообще магнитное поле нам нужно для того, чтобы мы могли управлять частицами, манипулировать ими. Потому что если мы возьмем заряженную частицу, создадим электрическое поле, она ускорится, но полетит по прямой. Нам нужно, во‑первых, чтобы она летала по коллайдеру, по кругу, а во‑вторых, чтобы частицы, которые развалились внутри детектора, тоже как‑то завернулись и что‑то нам сказали. А это можно сделать только магнитным полем. Поэтому нужно очень четкое, аккуратное, точно выверенное магнитное поле», — подчеркнул С.П. Мерц.
Создание криостата — ключевого элемента магнита — было поручено итальянским специалистам. Выбор стоял между Италией и Японией, и в итоге предпочтение отдали европейской стороне. Однако доставка этой уникальной конструкции в Дубну превратилась в отдельную логистическую операцию.
«Это была довольно высокая конструкция, несколько метров в высоту. В нее упаковали криостат, множество различных ударных, шумовых датчиков, закрыли и опломбировали. Но везти криостат через всю Европу по дорогам было невозможно: была бы очень сложная логистика. Поэтому его повезли морем. Вышли из Генуи: Средиземное море, Атлантический океан, Северное море, Балтийское. Осенью 2020 г. аппаратура приплыла в Санкт-Петербург. Дальше криостат перегрузили на более маленькие баржи, и он доплыл до Дубны по рекам и каналам. Последние 3–4 км он практически полдня ехал на огромном грузовике со скоростью медленного пешехода. Соответственно, все высоковольтные кабели в городе срезали», — вспоминает С.П. Мерц.
После прибытия криостата потребовались его тонкая настройка и охлаждение до сверхпроводящего состояния. Критическая температура здесь — 4 K. Без достижения этого режима работа магнита невозможна. Российские специалисты успешно справились с задачей: в декабре 2024 г. были получены первые результаты.
«Привезти его мало, нужно довести до температуры 4 K. Если мы ее не достигнем, эксперимент вообще не состоится. Необходимо, чтобы он работал на сверхпроводимости, чтобы все функционировало. Это было достигнуто в декабре 2024 г. Мы поняли, что все хорошо, мы это можем, это работает. В конце 2025 г. — начале нынешнего года параллельно с тем удалось довести пучки до коллайдера (это было большой работой), мы также смогли довести магнит до необходимого магнитного поля, до полной Теслы. Это тоже был важный этап, и мы понимаем, что теперь все состоится», — отметил С.П. Мерц.
Однако наличие поля — еще не финал. Его необходимо измерить с высокой точностью. Для этого привлекли специалистов из новосибирского Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, которые с помощью специального датчика сканируют внутреннее пространство магнита.
«Нам нужно очень хорошо знать магнитное поле, потому что чем точнее мы будем его знать, тем точнее будем устанавливать траекторию частиц. А это нужно, чтобы извлекать различные параметры. Потому что если поле будет “плюс-минус лапоть”, то у нас и треки полетят так, как заложено в природе, а мы будем про них знать “плюс-минус лапоть”. Никакой, конечно, тонкой физики мы не извлечем», — пояснил ученый.
Сам коллайдер NICA значительно меньше Большого адронного коллайдера, и это, по словам физиков, определяется разницей в научных задачах.
«Если сравнить с Большим адронным коллайдером, где 27 км, понятно, что это совершенно разные машины. Но здесь все определяется задачей. Поскольку нам для исследования фазового перехода, о котором я говорил, не нужны огромные энергии, соответственно, нам не нужна и такая большая машина. На Большом адронном коллайдере огромные энергии необходимы, потому что им нужно было закачать в маленькое пространство гигантское количество энергии, чтобы там родилось что‑то интересное, например бозон Хиггса. У нас задачи другие, но нужна более высокая плотность, чтобы частицы медленнее проходили друг через друга», — объяснил С.П. Мерц.
На данный момент коллайдер еще не вышел на режим штатных столкновений, хотя пучки уже были проведены по кольцу в обе стороны. Сейчас специалисты измеряют магнитное поле в детекторе MPD, после чего, предположительно летом 2026 г., начнется его подноценный монтаж.
Главная научная цель, которую ставит перед собой команда NICA, — исследование свойств кварк-глюонной плазмы и фазового перехода, в результате которого эта плазма превратилась в обычное ядерное вещество.
«Мы надеемся исследовать состояние материи, которая находится в нейтронных звездах сейчас, или, если смотреть в прошлое, которое было в первые мгновения после Большого взрыва. Это то, что называется кварк-глюонной плазмой. Но интереснее исследовать не саму эту кварк-глюонную плазму, а фазовый переход между нашей материей, которая нас окружает, ядерной, и кварк-глюонной плазмой. Соответственно, в какой‑то момент эта материя была кварками и глюонами и стала ядерной материей. В обратную сторону эволюция не идет. Почему так происходит? Это белое пятно современной физики, и мы планируем в том числе при наших энергиях и плотностях исследовать на коллайдере NICA этот феномен и узнать больше о том, что было в начале времен, и о том, что происходит сейчас в таких объектах, как нейтронные звезды», — подчеркнул С.П. Мерц.
Коллайдер в Дубне не существует изолированно, он встроен в общую структуру ускорительного комплекса. Именно эта инфраструктура, по словам ученого, придает установке прикладное значение, хотя сам коллайдер ориентирован только на фундаментальные исследования.
«Прикладного значения у коллайдеров нет никакого, это такие ускорители, которые нужны лишь для фундаментальной науки. Но у всего ускорительного комплекса оно есть. И в нем есть различные элементы, на которых производятся реальные прикладные исследования — в частности, облучение микросхем для исследования их резистивности к радиации, чтобы в космос летали космические корабли. Необходимо понимать, как радиация воздействует на человеческое тело с точки зрения не только онкологических заболеваний, но и когнитивных способностей», — пояснил С.П. Мерц.
Фундаментальные исследования неизбежно ведут к прикладным результатам. Технологии, разработанные для ускорителей и детекторов, со временем находят применение в самых разных областях, но все всегда начинается с простого любопытства, желания понять, как устроена Вселенная. «Во все века все упиралось в любопытство. И огонь люди когда-то впервые тронули из любопытства. Обожглись, но поняли, как его можно использовать себе во благо. Любопытство ученых приводит к большим открытиям», — заключил исследователь.
Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"
