В туннеле бустера комплекса NICA, где на протяжении сотен метров уходят вдаль серебристые трубы сверхпроводящих магнитов, рождается вселенная в миниатюре.
Пролог: Замысел великой машины
В 2006 году в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне началось обсуждение амбициозного проекта, которому предстояло бросить вызов величайшим тайнам мироздания. Ученые задумали построить ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — уникальную установку, способную воссоздать в лабораторных условиях состояние вещества, существовавшее во Вселенной первые микросекунды после Большого взрыва.
Слово "NICA" выбрано не случайно — оно отсылает к имени Ники, древнегреческой богини победы. Это имя символизировало грандиозность цели: не просто разогнать частицы, как это делается на других ускорителях, а "поймать" тот самый момент, когда из первичного "супа" — кварк-глюонной плазмы — начала формироваться привычная нам материя: протоны и нейтроны.
Проект стал международным — в нем участвуют более 20 стран, включая Россию, Германию, Италию и другие европейские государства, а также страны Азии и Африки. Стоимость проекта оценивается в сотни миллионов долларов, а его реализация рассчитана на долгие годы.
Научная цель: Почему NICA — это "машина времени"?
Основная задача коллайдера NICA — изучение свойств ядерной материи в области максимальной барионной плотности. Такая материя существовала только на ранних стадиях эволюции нашей Вселенной и сегодня существует в недрах нейтронных звезд .
Григорий Трубников, доктор физико-математических наук, объясняет это так:
"Мы с вами находимся в туннеле бустера ускорительного комплекса NICA. Комплекс построен по схеме классического коллайдера: несколько каскадов подготовки и ускорения пучка. Специалисты управляют всем этим "железом" таким образом, что два сгустка сталкиваются и образуют в лабораторных условиях здесь, на Земле, близкие температуры и плотности ядерного вещества, которые сейчас существуют в нейтронных звездах, а когда-то были в той самой юной Вселенной. Это безумно интересно" .
Что такое кварк-глюонная плазма?
Согласно современным представлениям, сразу после Большого взрыва вещество представляло собой сверхплотную и сверхгорячую плазму, состоящую из свободных кварков и глюонов — фундаментальных частиц, которые в обычных условиях "заперты" внутри протонов и нейтронов .
Через 10 микросекунд после Большого взрыва кварки объединились в тройки, образовав протоны и нейтроны, из которых затем сформировались ядра атомов . Именно этот переходный момент и стремится изучить международная команда ученых на коллайдере NICA.
Главная особенность NICA заключается в том, что он будет работать в области энергий, которые не охватываются ни одной из ныне существующих установок в мире, включая Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе . Если БАК изучает материю при высоких температурах, но относительно низких плотностях, то NICA сосредоточится на области высоких плотностей барионного вещества.
Техническое воплощение: Устройство "машины времени"
Ускорительный комплекс NICA — это сложная многоступенчатая система, каждый элемент которой выполняет свою уникальную функцию в процессе разгона и столкновения частиц.
Основные параметры коллайдера NICA
Длина колец коллайдера 503 метра"Беговая дорожка" из двух арок и двух прямолинейных секций
Максимальное поле в дипольных магнитах 1.8 Тл Обеспечивает необходимую линейность поля
Кинетическая энергия ионов золота 1.0-4.5 ГэВ/нуклонОптимальный диапазон для изучения кварк-глюонной плазмы
Энергия протонов до 12.6 ГэВДля экспериментов со спиновой физикой
Расстояние между плоскостями колец 32 см Достигается использованием магнитов с двумя апертурами в одном ярме
Каскады ускорения: Путь иона от источника до столкновения
- Источник частиц — инжекционный комплекс состоит из двух независимых частей: инжектора легких ионов и инжектора тяжелых ионов. Для получения тяжелых ионов используется вольфрамовая проволочка, покрытая тонким слоем золота, которая подогревается до тысячи градусов Цельсия. Золото начинает испаряться с поверхности, и это ионизированное облако ядер золота с помощью разницы потенциалов подхватывается в режим ускорения.
- Линейный ускоритель HILAC — тяжелые ионы золота ускоряются здесь до энергии 3.2 МэВ/нуклон. Интенсивность пучка составляет 2 миллиарда частиц на импульс с частотой повторения 10 Гц .
- Бустер — сверхпроводящий синхротрон длиной 211 метров, где ионы накапливаются, охлаждаются и ускоряются до 600 МэВ/нуклон. Здесь сгусток приобретает плотную форму: длина — несколько десятков сантиметров, толщина — несколько миллиметров .
- Нуклотрон — сверхпроводящий ускоритель, в котором ядра разгоняются до скоростей, очень близких к скорости света (несколько миллиардов электронвольт). При этом ядра "обдираются" — на их оболочках почти не остается электронов .
- Коллайдер — два кольца общей длиной 503 метра, где пучки частиц движутся навстречу друг другу и сталкиваются в точках расположения детекторов .
Детекторы: Окна в раннюю Вселенную
- MPD (Multi-Purpose Detector) — многоцелевой детектор, предназначенный для изучения горячей и плотной барионной материи, в частности, процессов рождения странных частиц и гиперядер .
- SPD (Spin Physics Detector) — детектор для исследования спиновой физики в столкновениях поляризованных протонов и дейтронов .
- BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) — барионный детектор, работающий с пучками ускорителя Нуклотрон, а не коллайдера .
Долгий путь реализации: Хроника строительства
Проект NICA развивался поэтапно, преодолевая технические и организационные challenges:
2013 год — завершен международный тендер на поставку научного оборудования, выбрано пять основных поставщиков .
2016 год — презентация проекта коллайдера правительствам стран-участниц. Начало активной фазы строительства .
2019 год — большая часть оборудования доставлена и смонтирована. Начаты первые испытания .
2021 год — запуск Станции облучения чипов (SOCHI) с тяжелыми ионами углерода, извлеченными из линейного ускорителя HILAC .
2022 год — первоначально планировавшийся срок завершения строительства (перенесен с 2016 года) .
25 марта 2025 года — стартовал первый сеанс исследований столкновения пучков ионов ксенона .
Июль-август 2025 года — ожидаются первые научные результаты .
Прикладное значение: Не только для фундаментальной науки
Помимо решения фундаментальных задач, комплекс NICA имеет важное прикладное значение. На его базе созданы станции для прикладных исследований:
- SOCHI (Station of Chip Irradiation) — станция для облучения микрочипов, важная для испытания электроники для космической и авиационной промышленности .
- ISCRA (Irradiation Setup for Components of Radioelectronic Apparatus) — установка для облучения компонентов радиоэлектронной аппаратуры с энергией ионов от 150 до 500 МэВ/нуклон .
- SIMBO (Setup for Investigation of Medical Biological Objects) — установка для исследования медико-биологических объектов с энергией ионов от 400 до 1100 МэВ/нуклон .
Эпилог: Ожидание открытий
Месяц назад, 25 марта 2025 года, в Дубне на ускорителе NICA стартовал первый сеанс исследований столкновения пучков ионов ксенона. Запущенный процесс не быстрый, он займет около полугода, и в июле-августе 2025 года, скорее всего, появятся первые научные результаты .
Как отмечается в репортаже с места событий, "сложно подобрать слова, чтобы описать, насколько критично для современной российской физики иметь подобное оборудование, особенно с учетом отсутствия допуска к исследованиям на Большом адронном коллайдере" .
NICA — это не просто установка для фундаментальных исследований. Это настоящая "машина времени", позволяющая заглянуть в самые глубины материи и в самые отдаленные эпохи существования Вселенной. Проект, который шел к своему воплощению почти два десятилетия, наконец начинает приносить первые плоды, открывая новую страницу в изучении происхождения нашего мира.
Спустя 19 лет после начала , дубненский коллайдер готов к работе — работе, которая может перевернуть наши представления о фундаментальных основах мироздания.
