Мировая общественность часто задается вопросом: зачем нужны еще коллайдеры, если Большой адронный коллайдер все равно самый мощный?
Однако самый мощный не всегда значит самый эффективный! Все зависит от задачи, а у современной физики в последние полвека есть несколько супербольших задач. Самая глобальная – это создание теории, которая объединила бы четыре известных нам взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
У нас есть Стандартная модель – теория, объединяющая три взаимодействия (все, кроме гравитационного). Ничего более гениального человечество за несколько тысяч лет своего существования пока не создало. Стандартная модель связывает микро- и макромир, объясняет все законы существования материи. Это красивое, элегантное уравнение всего из четырех комбинаций слагаемых и очень наглядная таблица (кварки и лептоны) и переносчики взаимодействия (бозоны). Семнадцать клеточек – это все, из чего построен наблюдаемый нами мир, мы сами и все явления вокруг Правда, это только 4% окружающей нас Вселенной. Остальное – темная материя и темная энергия, которые мы не видим и про которые мало что знаем. Физикам очень интересно: а что там, за границами Стандартной модели? Есть ли частицы, которые не вошли в таблицу? Кварк – это действительно элементарная частичка материи или есть что-то меньше? Существует ли дополнительные измерения? Что такое темная энергия?
Но мы все еще не вышли за пределы Стандартной модели (СМ). Задача БАК – как раз выяснить, что находится за границами Стандартной модели, обнаружить новые частицы, а значит, и новую физику. Однако для этого, утверждает Григорий Трубников – академик РАН, физик-экспериментатор, специалист в области ускорителей частиц и других установок: нужно достичь гораздо более высоких энергий.
Целью и задачами БАК является:
– прецизионная экспериментальная проверка положений и следствий СМ сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий элементарных частиц, в том числе для уточнения стандартных параметров модели, поиска бозона Хиггса, изучения t-кварков и кварк-глюонной плазмы.
– поиск отклонений от СМ и проверка других физических теорий, в том числе теории суперсимметрии и более экзотических теорий, включающих дополнительные пространственные измерения или гипотетические частицы, составляющие кварки и лептоны.
Однако, несмотря на беспрецедентную точность и предсказательную силу, СМ не объясняет такие явления, как гравитация, асимметрия материи и антиматерии, тёмная материя и тёмная энергия и т. д. Обнаружение отклонений от СМ может привести к объяснению этих явлений и более глубокому пониманию природы.
По состоянию на 2022 г. наиболее важный научный результат, полученный на БАК, – открытие бозона Хиггса, последней элементарной частицы, предсказываемой СМ. Это открытие экспериментально подтвердило справедливость механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии Браута – Энглера – Хиггса. Авторы теории – П. Хиггс и Ф. Энглер – в 2013 г. получили Нобелевскую премию по физике.
Сам Григорий Трубников будучи студентом, начал работать стажером и лаборантом в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в 1998 году поступил в аспирантуру и стал младшим научным сотрудником в лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Работал в должности заместителя главного инженера, руководителя проекта NICA, вице-директора ОИЯИ. С 2018 по 2020 год – первый заместитель министра науки и высшего образования России.
В конце 2020-го избран директором ОИЯИ.
БАК моделирует самую раннюю стадию развития Вселенной, так называемую планковскую эпоху, когда ее размер был уже гораздо больше, чем 10-33см, но все еще при совершенно гигантской плотности. Что было раньше, мы не знаем, но знаем, что в этот короткий момент, всего за 10-24 секунды, образовались кварки, электроны, нейтрино и другие элементарные частицы.
Энергия в момент рождения Вселенной была гигантской – в тысячу миллиардов раз больше, чем энергия Большого адронного коллайдера. По мнению академика РАН Григория Трубникова: это означает, что нам еще очень далеко до того, чтобы смоделировать условия Большого Взрыва, и отчасти объясняет, почему вопрос, есть ли частицы за пределами Стандартной модели, пока остается без ответа (рис.1).
Но есть не менее интересные загадки. Физик – ускорительщик Анатолий Сидорин, утверждает, что время динозавров ушло – они обречены на вымирание. Наступает время юрких и умных млекопитающих – относительно небольших универсальных ускорителей.
Физики – теоретики довольно уверенно говорят, что спустя микросекунды после Большого взрыва свободные кварки и глюоны внутри своего кварк-глюонного «экстракта» начали формировать базовые ядерные единицы: протоны и нейтроны.
Почему-то они объединились именно в тройки, а не в квадриги или пятерки – в протоне и нейтроне по три кварка. И тройки эти оказались наиболее стабильными системами. Дальше из них начали образовываться ядра: от водорода до железа, а из них звезды, галактики и все остальное – эта история нами уже лучше понимается. Но как произошел фазовый переход от свободных кварков к ядерной материи, из которой мы состоим? На эти вопросы БАК не ответит: не тот диапазон энергий, да и невозможно просто достичь такой гигантской плотности ядерной материи. А вот NICA сможет благодаря идеальным условиям – энергии и плотности ядерного вещества!
NICA – это новый ускорительный комплекс, который создаётся на базе ОИЯИ с целью изучения свойств плотной барионной материи (рис. 2, а, б, в и г).
Наиболее важными фундаментальными направлениями исследований в этой области являются:
– Природа и свойства сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики частиц – кварками и глюонами;
– Поиск признаков фазового перехода между адронный материей и кварк-глюонную плазму (КГП), поиск новых состояний барионной материи;
– Изучение основных свойств сильного взаимодействия и КГП – симметрии.
Комплекс NICA обеспечит широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных, до пучков, состоящих из таких тяжёлых ионов, как ядра золота. Тяжёлые ядра будут ускоряться до энергии вплоть до 4,5 ГэВ/нуклон, протоны — до энергии 12,6 ГэВ. Сердце комплекса NICA – модернизированный ускоритель Нуклотрон (действует в ОИЯИ с 1993 года).
В коллайдере NICA предусмотрены две точки взаимодействия: одна для изучения столкновения тяжёлых ионов на MPD детекторе, другая для поляризованных пучков для эксперимента на установке SPD.
Коллайдер будет сооружён в отдельном здании с туннелем для магнитной структуры, двумя павильонами для детекторов и павильоном для системы электронного охлаждения (рис. 2, а – г и 3, а – е).
Коллайдер состоит из инжекционного комплекса, в состав которого входят следующие элементы:
– криогенный источник тяжёлых ионов электронно-струнного типа КРИОН;
– лазерный источник;
– дуоплазматрон;
– источник поляризованных протонов и дейтронов;
– модернизированный линейный ускоритель ЛУ-20;
– новый тяжёлоионный линейный ускоритель (HILAC);
– каналы транспортировки пучков.
Все источники частиц располагаются на изолированных платформах под напряжением 150 кВ для обеспечения инжекции в линейные ускорители.
Инжекционный комплекс состоит из двух независимых частей: инжектор лёгких и тяжёлых ионов.
Первый, – инжектор лёгких ионов включает в себя источники (лазерный, дуоплазматрон, источник поляризованных протонов и дейтронов), модернизированный ускоритель ЛУ-20 (рис.4) и существующий канал транспортировки пучков в Нуклотрон.
Второй, – инжектор тяжёлых ионов состоит из источника КРИОН, HILAC и двух каналов транспортировки пучков Ускоритель тяжёлых ионов с отношением заряда к массе q/A ≥ 1/6 и током пучка до 10 мА состоит из трех ускоряющих структур: секции RFQ и двух секций DTL с двумя согласующими каналами транспортировки пучков средней энергии.
Кроме этого в коллайдере присутствуют следующие узлы:
1) Нуклотрон – сверхпроводящий синхротрон предназначен для работы в трёх основных режимах:
- Ускорение тяжёлых ионов для инжекции в коллайдер. В этом режиме он работает как элемент инжекционной цепочки коллайдера и предназначен для ускорения одиночного сгустка полностью ободранных тяжёлых ионов (Au79+, Pb82+ или U92+) от кинетической энергии 0,6 до 1 ÷ 4,5 ГэВ/н. Требуемая интенсивность сгустка составляет примерно 1 ÷ 1,5⋅109 ионов. Потери частиц в процессе ускорения не превышают 10%. Темп роста поворотного поля магнитов ≥ 1 Tл/с.
2) Ускорение пучков поляризованных протонов и дейтронов для инжекции в коллайдер. В данном режиме он будет использоваться для ускорения поляризованных протонов от 20 МэВ до 12 ГэВ, и поляризованных дейтронов от 5 МэВ/н до 5,6 ГэВ/н. Интенсивность сгустка в этом случае должна составлять несколько единиц на 1010 частиц.
3) Ускорение протонов, дейтронов (поляризованных и неполяризованных) и тяжёлых ионов для экспериментов на внутренней мишени или медленного вывода для экспериментов на фиксированных мишенях. В данном режиме его работа аналогична работе в первом и втором режимах с последующим медленным выводом пучка для экспериментов на фиксированной мишени, вместо перевода пучка в коллайдер.
2. Детектор спиновой физики (SPD). Измерения асимметрии рождения лептонных пар в столкновениях неполяризованных, продольно и поперечно поляризованных пучков протонов и дейтронов предлагается проводить на коллайдере NICA ОИЯИ с использованием специализированного детектора спиновой физики (рис.5). Эти измерения могут обеспечить доступ ко всем ведущим твист-коллинеарным и зависимым от поперечного импульса функциям распределения кварков и антикварков в нуклонах. Измерения асимметрии в образовании J/Ψ и прямых фотонов, которые предоставляют дополнительную информацию о структуре нуклона, будут выполняться одновременно с данными Дрелла-Яна с использованием специальных триггеров. Совокупность этих измерений позволяет протестировать кварк-партонную модель нуклонов на уровне КХД твист-2 с минимальными систематическими ошибками. Будут представлены физические обоснования и возможная схема СПД, а также планы по поляризованным лучам в NICA.
3. Бустер (рис. 6). Основными задачами Бустера – промежуточного синхротрона тяжелых ионов являются: накопление 2∙109 ионов золота 197Au31+ и ускорение их до энергии 578 МэВ/н, которой достаточно для последующей обдирки их до состояния 197Au79+.
Существующее положение Нуклотрона, возможные направления каналов ввода и вывода позволяют разместить Бустер с периметром 210,96 м внутри ярма магнита Синхрофазотрона.
Модель дипольного магнита бустера. Диаметр вакуумного кожуха криостата составляет 640 мм. Между вакуумным кожухом и магнитом расположен тепловой экран, охлаждаемый потоком кипящего азота. Снизу к магниту прикреплены питающий и отводящий гелиевые коллекторы. Однослойная изогнутая обмотка магнита изготовлена из трубчатого сверхпроводящего кабеля, разработанного в ОИЯИ для магнитов Нуклотрона.
Модель квадрупольного магнита бустера. Диаметр вакуумного кожуха криостата составляет 640 мм. Между вакуумным кожухом и магнитом расположен тепловой экран, охлаждаемый потоком кипящего азота. Снизу к магниту прикреплены питающий и отводящий гелиевые коллекторы. Однослойная изогнутая обмотка магнита изготовлена из трубчатого сверхпроводящего кабеля, разработанного в
ОИЯИ для магнитов Нуклотрона.
4. Барионная материя на Нуклотроне будет обеспечивать пучки тяжелых ионов с энергией до 6 А ГэВ для изоспин-симметричных ядер и 4,65 А ГэВ для ядер Au. При центральных столкновениях тяжелых ионов при таких энергиях может быть достигнута плотность ядер, примерно в 4 раза превышающая плотность ядерной материи. Эти условия хорошо подходят для исследования уравнения состояния (EOS) плотной ядерной материи, которое играет центральную роль в динамике коллапса ядра сверхновых и стабильности нейтронных звезд.
В то же время столкновения тяжелых ионов являются богатым источником странностей, а слияние каонов с лямбдами или лямбд с нуклонами приведет к образованию огромного разнообразия мультистранных гиперонов или легких гиперядер соответственно. Ожидается, что даже образование легких двойных гиперядер или двойных странных дибарионов можно будет измерить в столкновениях тяжелых ионов при энергиях нуклотрона. Наблюдение за этими объектами стало бы прорывом в нашем понимании странной материи и проложило бы путь к экспериментальному исследованию третьего (странного) измерения ядерной карты. Расширение экспериментальной программы связано с изучением внутрисредовых эффектов для векторных мезонов и распада странностей в адронных модах. Предполагается проведение исследований реакций p+p и p+A для сравнения. Обсуждаются возможные измерения электромагнитных зондов.
Для этих целей предлагается установить экспериментальную установку в зале с фиксированной мишенью Нуклотрона с конечной целью выполнить исследовательскую программу, направленную на образование странной материи в столкновениях тяжелых ионов при энергии пучка от 2 до 6А ГэВ. Базовая установка будет состоять из дипольного магнита большой приемной способности с внутренними следящими детекторными модулями на основе двусторонних кремниевых микрополосковых датчиков и газовых детекторов. Внешнее отслеживание будет основано на дрейфовых камерах и детекторе строу-трубок. Идентификация частиц будет основана на измерениях времени пролета.
При работе на эксперимент энергия частиц в коллайдере постоянна.
Для подготовки пучков предусмотрена возможность относительно медленного доускорения или замедления (рис. 8). Для обеспечения требуемой линейности поля максимальная величина магнитной индукции поворотного поля в диполях выбрана равной В=1,8 Тл. Два кольца коллайдера расположены одно над другим, сведение и разведение пучков осуществляется в вертикальной плоскости (рис. 9). Расстояние между медианными плоскостями колец составляет 32 см. Дипольные и квадрупольные магниты имеют по две апертуры в общем ярме. Конструкция магнитов позволяет независимую регулировку поля в каждом из двух колец. Каждое кольцо имеет форму беговой дорожки с двумя арками и двумя длинными прямолинейными секциями. Минимальное значение бета-функции в точках встречи составляет 35 см. Аксептанс кольца ограничен апертурой линз финального фокуса и составляет не менее 40π ⋅ мм ⋅ мрад. Среднеквадратичная длина сгустка в режиме столкновений выбрана равной 60 см. Расстояние между соседними сгустками составляет не менее 21 м, что исключает паразитные столкновения на общем участке траекторий частиц. Оптическая структура арок содержит 12 регулярных ячеек со структурой типа ФOДO (рис.8).
Для обеспечения накопления пучков и формирования коротких сгустков в коллайдере используются 3 независимые ВЧ системы:
1. ВЧ система барьерных напряжений RF1 с амплитудой напряжения до 5 кВ, обеспечивающая накопление пучка требуемой интенсивности.
2. Первая узкополосная ВЧ система RF2, работающая на гармонике, равной количеству сгустков, которая обеспечивает группировку пучка и сжатие сгустков. Максимальная амплитуда напряжения для этой системы составляет 100 кВ.
3. Вторая узкополосная ВЧ система RF3, работающая на гармонике в трое большей, чем первая, которая обеспечивает сжатие сгустков до проектной длины, необходимой при столкновениях пучков. Максимальная амплитуда напряжения этой системы составляет 1 МВ.
Система инжекции коллайдера состоит из септумного MS и ударного K магнитов, которые расположены в ячейках с пропущенным дипольным магнитом в поворотных арках.
Эмиттанс пучка при инжекции из Нуклотрона составляет εx,y = 1,2 π ⋅ мм ⋅ мрад. Для поддержания высокого уровня светимости в режиме столкновения тяжёлых ионов используются электронное и стохастическое охлаждение (PU-X, PU-Y, PU-L – горизонтальные, вертикальные и продольные пикапы, K-X, K-Y, K-L –соответствующие кикеры). Система электронного охлаждения будет использоваться в интервале энергий ионов от 1 до 4,5 ГэВ/н, стохастическое охлаждение – от 3 до 4,5 ГэВ/н. Полоса пропускания системы стохастического охлаждения составляет от 2 до 4 ГГц. Охлаждение продольной степени свободы осуществляется методом Палмера.
Таким образом, после того, как коллайдер NICA будет запущен, учёные ОИЯИ смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, – КГП. Всего в мире сейчас проводится четыре эксперимента по изучению уравнения состояния ядерной материи, и Нобелевскую премию получит тот, кто первым воспроизведет этот переход.
Возможно, именно здесь, на коллайдере NICA, произойдет прорыв в новую физику. Да и просто это безумно интересно – узнать, как мы произошли и куда эволюционируем.
Материалы собраны, систематизированы и подготовлены, доцентом кафедры электроэнергетики ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В.И. Даля» к.т.н. Парсентьевым Олегом Сергеевичем.