На российском коллайдере НИКА планируется запустить международный исследовательский проект Spin Physics Detector (SPD), результаты которого могут перевернуть теорию элементарных частиц и представления об устройстве Вселенной. Доцент кафедры «Физика элементарных частиц» Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ, заместитель координатора физических исследований коллаборации SPD Евгений Солдатов рассказал порталу Наука Mail об этом амбициозном исследовании.
– В чём состоит основная научная цель эксперимента SPD — почему именно спин нуклонов остаётся одной из ключевых загадок физики элементарных частиц?
– Научная цель эксперимента SPD заключается в решении загадки как образуется спин, равный 1/2, у протонов, нейтронов - составных ядра атома (нуклонов). Данной загадке уже несколько десятков лет. Изначально считалось, что объяснение максимально простое: есть 3 кварка со спином 1/2 и при определённом их расположении достигается суммарный спин 1/2. Однако позже выяснилось, что эти кварки вносят лишь часть вклада в общий спин (менее 30%). В нуклоне также присутствуют частицы переносчики сильного взаимодействия - глюоны, есть, наконец, хаотично рождающиеся и уничтожающиеся кварк-антикварковые пары, т.н. "морские кварки". Ожидается, что вклад каждой такой части в спин - существенный. Эксперимент SPD прежде всего будет измерять вклад глюонов в спин нуклона с достаточно хорошей точностью. Не понимая таких основ, человечеству чрезвычайно сложно развивать отрасли науки и наукоёмких технологий, которые строятся на спиновых эффектах. А на данный момент на этой основе базируются квантовые компьютеры и спинтроника, магнитно-резонансная томография, а также становится возможным более полное понимание периодической системы Менделеева и др.
– Как эксперимент поможет приблизиться к пониманию того, откуда берётся спин протона и нейтрона?
– На эксперименте SPD планируется получить трёхмерную спиновую структуру нуклона. Поляризованные пучки протонов и дейтронов будут сталкиваться при энергии достигающей 27 ГэВ. По асимметриям в угловых распределениях вылета частиц из зоны столкновений возможно установить данные по корреляциям (взаимосвязям) между направлениями спина нуклона, его импульса, а также направлением спина, продольным и поперечным импульсами глюонов внутри нуклона. Данная информация позволит определить вклад глюонной составляющей в спин составной системы - нуклона.
– Как участие студентов и аспирантов в таком проекте помогает готовить новое поколение исследователей?
– Ни для кого не секрет, что участие российских учёных в зарубежных проектах за последние 3 года сильно сократилось. Это произошло не по нашей инициативе. В некоторых экспериментах нам просто указали на дверь. В таких условиях сохранение компетенций и подготовка нового поколения кадров является чрезвычайно сложной задачей. Необходимо иметь свои установки, свои эксперименты международного уровня. Именно таким и является весь проект НИКА с экспериментами, которые на нём будут запущены. В эксперименте SPD для ребят доступен весь спектр работ, начиная от прототипирования детекторов до высокоуровневого моделирования и анализа данных, а также решения ИТ-задач создания и поддержки вычислительной инфраструктуры большой научной установки.
– Планируется ли подключение новых российских или зарубежных университетов к коллаборации SPD?
– Коллаборация SPD неуклонно растёт. В данный момент она включает в себя 40 университетов из 10 различных стран и около 400 участников. Совсем недавно к коллаборации присоединились 2 университета из Китая - из Шандонга и из Хэфея. Двери коллаборации открыты для всех, кто готов к упорному труду по подготовке детекторных систем, физической программы и ИТ инфраструктуры эксперимента.
– Когда ожидается первый физический запуск SPD и каких результатов учёные ждут в первые месяцы эксперимента?
– Планируется, что эксперимент SPD будет запускаться в 2 фазы. Первая начнётся примерно в 2028 году: эксперимент будет включать лишь основные детекторные системы и целью данной фазы является прежде всего проверка работоспособности детекторов, их проверка в полевых условиях, а также первые физические исследования, возможные в данной конфигурации. Планируется исследование упругих столкновений протонов, дейтронов, поляризации Лямбда гиперонов и др. Далее, в начале 30-ых годов эксперимент будет доукомплектован всеми планируемыми детекторными системами и приступит ко второй фазе, которая и будет включать целевые исследования коллаборации: изучение трехмерной спиновой структуры нуклона в наиболее чувствительных к этому процессах (образование чармония, открытого чарма и прямых фотонов).