Построенный в Дубне коллайдер для разгона ионов, который должен воспроизвести первые мгновения Вселенной после Большого взрыва, обещает прорыв в радиоэлектронике, материаловедении и ядерной медицине
Тринадцатого июня в подмосковной Дубне начались работы по технологическому пуску установки класса мегасайенс — сверхпроводящего коллайдера ускорительного комплекса NICА (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Его начали строить на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) еще в 2013 году — через год после того, как детекторы Большого адронного коллайдера в швейцарском CERN «поймали» бозон Хиггса — недостающее звено Стандартной модели. В отличие от БАКа, который разгоняет пучки протонов и ядер свинца для получения известных и открытия новых элементарных частиц и состояний материи, коллайдер NICA будет ускорять тяжелые ионы золота для воссоздания первых микросекунд после Большого взрыва и изучения фазовых переходов внутри первичного вещества. БАК ориентирован на достижение максимально возможных энергий; NICA — на создание кварк-глюонной плазмы, ядерной материи наивысшей во Вселенной плотности.
Считается, что именно в таком состоянии пребывал в пространстве 13,7 млрд лет назад некий сгусток размером 10^-33 см и плотностью 10^94 г/см3, который в результате взрыва разлетелся на мельчайшие «кирпичики» — кварки и глюоны, сформировавшие элементарные частицы, а затем ядра атомов, сами атомы, вещество, звезды, планеты и галактики.
На Земле в обычных условиях формирование кварк-глюонной плазмы невозможно. По современным представлениям, эта субстанция естественным образом сегодня образуется только в недрах нейтронных звезд: там ядра под воздействием очень сильного гравитационного сжатия превращаются в «кашу» из кварков и глюонов. Температура и плотность такого микса настолько высоки, что кварки не «склеиваются» в частицы привычной для нас материи (глюоны в этом случае должны были бы играть роль «клея»).
В коллайдере NICA кварк-глюонная плазма будет рождаться искусственно — с помощью столкновения тяжелых ядер при определенной энергии. Цель — понять, как ядерная материя (все, из чего состоит окружающий мир, в том числе и мы) переходит из одной фазы в другую, в итоге формируя новые частицы и ядра.
Технически комплекс NICA представляет собой относительно небольшую систему. Длина его основного кольца для разгона частиц не превышает 500 метров против 27 километров у БАКа; ускорять тяжелые ядра он будет до 4,5 ГэВ, протоны — до 12,6 ГэВ (для сравнения: в CERN ионы удается разогнать до 2,76 ТэВ). Но сами по себе, в отрыве от контекста задач, эти показатели мало что значат — они отражают лишь подход к поиску ответов на загадки мироздания.
«Если вы плеснете кружку воды на раскаленные камни, то увидите брызги и пар, больше ничего. А если вы будете потихоньку нагревать воду в кастрюльке на плите, то заметите образование пузырьков, их схлопывание, кипение и так далее — переходные процессы. Для этого не нужна огромная энергия, скорее наоборот. Вот и нашу NICA можно сравнить с кастрюлькой на плите, а БАК — с раскаленными камнями», — поясняет главный конструктор комплекса Николай Топилин.
Главной «фишкой» установки в Дубне ученые называют именно работу в области энергий, которая не покрывается ни одним из существующих ускорителей, в том числе Большим адронным коллайдером.
«Любая уникальность — преимущество. Потому что “никто, кроме нас”, — отмечает директор Института физики высоких энергий им. А. А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт», координатор российских групп в CERN Виктор Егорычев. — А поскольку в физике, как и в любой другой науке, любой результат — и успех, и фиаско — с точки зрения открытия нового явления очень значим, то у ученых появляется еще один инструмент для проведения исследований. На NICA надеются получить раннюю фазу ядерной материи, которая возникла в первые мгновения после Большого взрыва. В определенном смысле современные исследовательские ускорители можно считать машинами времени, с помощью которых ученые двигаются к началу, к моменту “ноль”».
Что касается безопасности, то коллайдеры, в том числе NICA, считаются надежными машинами, несмотря на то что работают с ядерным «сырьем» и нацелены на реконструкцию взрывных процессов в масштабе Вселенной. Беспокойство некоторых СМИ по поводу вероятности создания в дубнинском эксперименте нейтронной звезды, которая породит черную дыру и погубит нашу планету, физики считают столь же несостоятельным, как и генерацию нового Большого взрыва в CERN. При всем уважении к земной науке, масштабы далеко не те. В коллайдере NICA предполагается получить микроскопические объемы материи, свойства которой будут улавливать и рассчитывать косвенно, с помощью чрезвычайно чувствительных приборов.
Первым звеном установки NICA служит инжекционный комплекс, где производятся ионы. В инжекторы системы загружается покрытая тонким слоем золота вольфрамовая проволока. Под воздействием высокой температуры золото испаряется с поверхности и превращается в облако ядер, которое переносится в линейный ускоритель и разгоняется до скорости, равной примерно 0,1 скорости света (около 30 тыс. километров в секунду). Затем это облако залетает в первый циклический ускоритель, «Бустер», где достигает 0,5 световой и становится плотным сгустком, состоящим из миллиардов ядер. При этом с оболочек ядер слетают все электроны, а «голые» ядра, точнее уже ионы, отправляются в следующий синхротрон, «Нуклотрон», а их скорость приближается к скорости света.
После они попадают в коллайдер — самое грандиозное сооружение комплекса. Две его прямолинейные секции и два кольца пересекаются в двух точках — такая форма называется racetrack («беговая дорожка»). Все «железо» настроено таким образом, что с двух сторон вылетают два пучка ядер, мчатся навстречу друг другу и сталкиваются там, где сходятся апертуры колец. На этих участках расположены детекторы, которые регистрируют продукты распада частиц в результате их взаимодействия. Основных детекторов в коллайдере два: MPD (MultiPurpose Detector) и SPD (Spin Physics Detector). Это сложнейшие и тоже достаточно габаритные сооружения; в 2020 году при доставке на площадку ОИЯИ изготовленного в Италии криостата со сверхпроводящим магнитом для MPD в нескольких районах Дубны пришлось отключить электричество, чтобы беспрепятственно провезти груз рядом с высоковольтными линиями.
Всего система комплекса включает порядка 10 крупных исследовательских установок, общая стоимость проекта в полной конфигурации оценивается в 650 млн долларов, что в несколько раз превосходит стоимость разработки аппаратов для полета, например, к Луне.
При этом профит от исследований ожидается не только фундаментальный (впрочем, как и от космических проектов). На установке запланировано проведение прикладных работ по созданию радиационно стойких микросхем и материалов, для этих целей уже смонтированы специальные станции — СОЧИ (Станция облучения чипов) и ИСКРА (Испытательная станция компонентов радиоэлектронной аппаратуры). А на строящейся СИМБО (Станция исследований медико-биологических объектов) планируется изучать вопросы безопасности пилотируемых космических полетов и решать проблемы космической биологии и медицины.
Отдельные технологии NICA уже используются на практике: в частности, изготовленные отечественными разработчиками системы распознавания образов сейчас установлены в российских аэропортах, на железнодорожных вокзалах и в метро.
Свой вклад в создание многочисленных компонентов комплекса внесли 35 стран, а также Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN). В общей сложности в проекте были задействованы 130 научных институтов, университетов и предприятий, в том числе 36 отечественных; 2400 ученых, включая 1650 российских; 185 специалистов из зарубежных лабораторий проводили свои эксперименты непосредственно в ОИЯИ.
Все это добавляет нашей науке необходимые сегодня политические бонусы. К сожалению, волна санкций затронула и международные коллаборации в ядерной физике: CERN еще в 2022 году объявил, что в конце 2024-го прекратит сотрудничество с учеными из России и Беларуси; из работающих на БАКе 500 российских специалистов останется лишь несколько десятков человек.
Это решение деструктивно и несправедливо; кроме того, оно может притормозить развитие мировой науки в целом. Как минимум потому, что наша страна была и остается одним из ключевых центров ядерных исследований. Именно создание в 1967 году протонного синхротрона У-70 в Протвино (Московская область), который до сих пор входит в тройку самых мощных ускорителей, подтолкнуло физиков к разработке Большого адронного коллайдера.
NICA, несмотря ни на что, сохранит статус международного проекта. «Мы ничего не закрываем на замок, ничего не прячем. Мы открыты для сотрудничества, открыты для того, чтобы результаты работы на NICA были использованы не только в России, но и в других странах», — отметил во время технологического пуска установки президент РФ Владимир Путин.
Физический старт комплекса намечен на рубеж 2024–2025 годов. До этого времени будет проходить тестирование источников питания сверхпроводящих магнитов коллайдера, служащих для разгона частиц и удержания их на требуемой траектории в блоках ускорителя. Эта проверка, отмечают в ОИЯИ, выводит подготовку запуска всех систем на финишную прямую.