Мега проект NICA

Немного истории

Международная межправительственная организация Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) образована 26 марта 1956 года. Одиннадцать стран объединили усилия для проведения совместных исследований фундаментальных свойств материи.

В настоящее время полноправными членами ОИЯИ являются 18 государств Европы, Азии и Латинской Америки. На правительственном уровне заключены соглашения о сотрудничестве еще с шестью странами, являющимися ассоциированными членами Института.

ОИЯИ поддерживает связи более чем с 700 научными центрами и университетами в 64 странах мира.

Основные направления теоретических и экспериментальных исследований, проводимых интернациональным коллективом учёных семи лабораторий ОИЯИ, — это физика элементарных частиц, ядерная физика, физика конденсированных сред и радиационная биология.

ОИЯИ располагает уникальным набором экспериментальных установок, которые позволяют проводить фундаментальные и прикладные исследования с использованием новейших технологий, включая информационные, и развивать университетское образование.

Формирование ОИЯИ как одного из мировых центров фундаментальных исследований ознаменовано вехами в истории теоретической и экспериментальной физики.

Ускорительный комплекс Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина

В 1944 году академиком В.И. Векслером был открыт принцип автофазировки, лежащий в основе всех современных ускорителей частиц высоких энергий. Запущенный под его руководством в 1957 году в Лаборатории высоких энергий ускоритель Синхрофазотрон на тот момент был самым мощным в мире и позволял ускорять протоны до энергии 10 миллиардов электрон-вольт. Это событие стало началом ускорительной эры физики высоких энергий.

Более чем 40-летняя работа Синхрофазотрона была увенчана рядом выдающихся результатов, зарегистрированных как открытия и отмеченных высшими премиями государств-участниц ОИЯИ:

• март 1960 г. — открытие новой частицы антисигма-минус гиперон;

• июль 1963 г. — открытие явления потенциального рассеяния протонов высокой энергии;

• февраль 1967 г. — открытие распада фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару;

• 60-е гг. — создание технологии внутренних мишеней;

• 70-е гг. — обнаружение ядерного кумулятивного эффекта;

• 1979 г. — обнаружение эффекта каналирования в изогнутом монокристалле;

• 1980 г. — наблюдение явления полного разрушения ядер под действием частиц высокой энергии.

В 70-е годы академиком А.М. Балдиным было предложено новое научное направление — релятивистская ядерная физика. Для проведения в ОИЯИ экспериментальных исследований в этой области был спроектирован, построен и в 1993 году введён в эксплуатацию первый в Европе ускоритель тяжелых ионов высоких энергий, основанный на сверхпроводящих магнитах — Нуклотрон.

Это был шаг, опередивший время как в области физических исследований, так и в области новых технологий, так как для создания Нуклотрона учёными ОИЯИ была предложена и реализована уникальная технология сверхпроводящих быстроциклирующих магнитов, широко востребованная и сегодня.

В наши дни физика тяжелых ионов высоких энергий является одной из наиболее динамично развивающихся областей науки.

Синхрофазотрон

Нуклотрон

От Нуклотрона к коллайдеру NICA

В 2005 году была разработана и предложена программа развития Института, нацеленная на проведение передовых исследований на установках ОИЯИ. Одним из главных направлений этой программы является создание ускорительно-накопительного комплекса и экспериментальных установок для изучения фундаментальных свойств барионной материи.

По современным теоретическим представлениям материя может находиться в нескольких состояниях: адронном, кварк-глюонном и так называемой смешанной фазе, состоящей из композиции первых двух состояний.

Cпустя миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой необычайно горячую и плотную плазму из кварков и глюонов (Кварк-Глюонную Плазму, КГП). Отсутствовали не только ядра, но и протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы. По мере остывания Вселенной кварки и глюоны «слипались» в мезоны и барионы, происходил фазовый переход от КГП к адронной материи. Уже давно делались попытки получить кварк-глюонную плазму в лаборатории и проследить процесс ее охлаждения и рождения частиц.

Фазовая диаграмма барионной материи

Понимание сильных взаимодействий является одним из ключевых вопросов современной физической картины мира. Теория, описывающая сильные взаимодействия (квантовая хромодинамика — КХД), предсказывает для систем с высокой температурой и/или плотностью барионного заряда достижение деконфайнмента адронной материи и переход к состоянию с восстановленной киральной симметрией — кварк-глюонной плазме (КГП). Однако до сих пор остается открытым вопрос о типе кварк-адронного фазового перехода, достигаемого в соударениях тяжелых ионов. Экспериментальные данные, полученные на коллайдере тяжелых ионов RHIC на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе говорят скорее о фазовом переходе второго рода, — «кроссовере», предсказываемом при высоких температурах и малом барионном химическом потенциале. Помимо плавного «кроссовера», недавние расчеты КХД на решетке указывают на возможность фазового перехода первого рода при низких температурах и высоком барионном химическом потенциале, а следовательно, и на существование «критической точки», где тип перехода меняется с первого рода на кроссовер.

Необходимость поиска координат критической точки в пространстве «температура — барионный химический потенциал» стимулировала исследования при пониженной энергии пучков на ускорителе RHIC, продолжению исследований на ускорителе SPS в ЦЕРНе, и начало строительства новых ускорительных комплексов FAIR в GSI в Германии и NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Одним из наиболее важных признаков приближения к критической точке является усиление пособытийных флуктуаций, приводящих к особенностям в энергетической зависимости различных наблюдаемых.

В частности на коллайдере NICA планируется изучать коллективные потоковые эффекты (радиальный и анизотропный потоки), характеризуют гидродинамическое поведение образованной материи. Анализ глобальных характеристик соударений (множественность и импульсные спектры заряженных адронов, азимутальная анизотропия, дальнодействующие азимутальные корреляции, плотность потока энергии в широком диапазоне быстрот), позволяет получать новую информацию о таких свойствах образованной материи (на стадии ее «вымораживания») как плотность энергии, радиальная коллективная скорость, коэффициенты азимутальной анизотропии, коэффициенты вязкости.

Рождение КГП приводит к увеличению числа степеней свободы и, как следствие, к увеличению пространственно-временных размеров области испускания частиц, изучаемых методами корреляционной фемтоскопии.

Такие исследования позволяют понять динамику соударения, наложить сильные ограничения на предсказания моделей.

Для экспериментального изучения необходимо создать барионную материю в экстремальных условиях в соударениях тяжелых ионов высоких энергий.

Фундаментальными направлениями исследований в этой области являются:

• поиск и изучение новых, не наблюдавшихся ранее состояний барионной материи;

• объяснение причины связанности кварков в нуклонах;

• исследование механизмов нарушения симметрии, объясняющих загадку отсутствия антивещества в нашей части Вселенной.

Для проведения таких исследований в 2008 году была образована Лаборатория физики высоких энергий (ЛФВЭ), объединившая коллективы Лаборатории высоких энергий и Лаборатории физики частиц, и начата реализация проекта, получившего название NICA.

Ускорительный комплекс NICA

Ускорительная часть проекта NICA предполагает создание на базе модернизированного ускорителя Нуклотрон уникального комплекса, позволяющего проводить исследования:

• на встречных высокоинтенсивных пучках ионов (вплоть до золота Аи79) при средней светимости L=1027см-2сек1 (Au79) в диапазоне энергий = 4-11 ГэВ;

• на встречных пучках поляризованных протонов и дейтронов с продольной и поперечной поляризацией со светимостью 1032см-2сек-1

• на выведенных пучках протонов и ионов с энергиями 12,6 ГэВ (для протонов), 5,8 ГэВ (для дейтронов) и 4,5 ГэВ на нуклон для тяжелых ионов, а также на пучках поляризованных протонов и дейтронов.

В состав ускорительного комплекса входят как действующие объекты, так и создаваемые:

• модернизированный ускоритель ионов Нуклотрон (действует);

• сверхпроводящий коллайдер NICA (планируемый запуск в 2019 г.);

• бустерный синхротрон, необходимый для создания в коллайдере пучков требуемой интенсивности (планируемый запуск в 2017 г.);

• новые источники ионов и поляризованных частиц;

• новый первичный инжектор-предускоритель ионов (Линак);

• экспериментальные установки MPD и SPD;

• экспериментальные установки на канале выведенных пучков Нуклотрона.

Ускорительный комплекс NICA

Ускорительный комплекс Нуклотрон-NICA создаётся специалистами ОИЯИ с привлечением наиболее авторитетных экспертов в области ускорительной физики и техники из других мировых центров. Ход реализации проекта контролируется международным экспертным комитетом (Machine Advisory Committee, MAC), включающим ведущих учёных в области ускорительной физики из ЦЕРН, BNL и FNAL (США), GSI (Германия), ИФВЭ и ИТЭФ (Россия), Токийского университета (Япония).

Многоцелевой детектор MPD

Основная задача, которая будет решаться на ускорительном комплексе NICA, требует создания экспериментальной установки, способной:

• регистрировать с высокой эффективностью частицы, рождающиеся при столкновении пучков тяжелых ионов;

• идентифицировать тип и определять энергию частиц;

• восстанавливать вершины первичного взаимодействия и координаты рождения вторичных частиц.

Схема и масштаб многоцелевого детектора MPD (Multipurpose Detector), разрабатываемого для реализации данной задачи на встречных пучках коллайдера NICA, представлены на рисунке.

MPD состоит из вершинного детектора (IT), внутреннего трекера и системы для определения энергии, заряда и типа заряженных частиц (TOF, ТРС), электромагнитного калориметра (ECal) и окружающего их сверхпроводящего магнита (SC Coil).

По торцам установки располагаются системы, необходимые для мониторирования пучка (ВВС, ZDC) и детекторы, перекрывающие область малых углов рассеяния (FS-A, FS-B).

Программа исследований на выведенных пучках

Эксперименты на выведенных пучках Нуклотрона и установках с фиксированными мишенями проводятся с момента его пуска в эксплуатацию. Создаваемый комплекс NICA сохранит эти уникальные возможности.

Ионные пучки позволяют изучать свойства барионной материи и ее фазовых переходов, скрытой странности в нуклоне, гиперядра и другие экзотические объекты.

В 2011 году был предложен проект BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron), нацеленный на эти исследования.

Установка BM@N создается коллаборацией из 19 стран при активном участии представителей проекта CBM (FAIR, Германия). Таким образом, проект BM@N станет первой очередью комплекса NICA для изучения свойств барионной материи в экстремальных условиях. В 2015 году был проведен первый, тестовый, сеанс на установке. Полномасштабный запуск установки планируется в 2017 году.

Кроме того, пучки Нуклотрона предоставляют интересные возможности для исследования спиновой структуры нуклона и свойств поляризационных явлений при промежуточных энергиях.

Конкурентоспособность проекта NICA

В результате реализации проекта N1CA будет создан уникальный, не имеющий аналогов в мире комплекс из линейных ускорителей, сверхпроводящих ускорительных колец и экспериментальных установок, основанных на самых передовых технологиях.

В отличие от Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРН, нацеленного на достижение максимальной энергии пучков, коллайдер NICA должен обеспечить максимальную барионную плотность возбужденной ядерной материи. Требуемые условия могут быть получены в результате столкновения тяжёлых ионов в строго определенной области энергий. На приведенной выше фазовой диаграмме представлены характеристики действующих и создаваемых ускорительных комплексов в энергетическом диапазоне, где ожидается формирование материи с максимально возможной барионной плотностью. Параметры коллайдера NICA являются оптимальными как по энергии, так и по достигаемой светимости для решения этой сложной задачи.

Многоцелевой детектop MPD

Создаваемый комплекс NICA обеспечит исключительные возможности для постановки экспериментов по изучению горячей и плотной ядерной материи в экстремальных условиях, недоступных в других ускорительных центрах мира, в диапазоне энергий, оптимальном для поставленной задачи.

Актуальность и высокую научную значимость проекта NICA подтверждают уже ведущиеся исследования по этой проблематике на коллайдере RHIC (США), а также подготовленная программа исследований на строящемся в Дармштадте (Германия) ускорительном комплексе FAIR. Ускорительный комплекс FAIR дополняет NICA, пересекаясь с ним по диапазону энергий и времени запуска, но используя другую методику проведения экспериментов — выведенные на фиксированные мишени пучки ионов. По мнению международного научного сообщества и установившейся практике такая конкуренция независимых проектов необходима и является гарантией достоверности и надёжности получаемых результатов.

Создание комплекса NICA и выполнение его научной программы позволит России и государствам-участникам ОИЯИ занять достойное место в мировой программе исследований с пучками тяжёлых ионов и поляризованных частиц высоких энергий, на равных правах участвовать в её формировании, а также создаст благоприятную среду для естественной интеграции комплекса в мировую научно-исследовательскую инфраструктуру.

Международное сотрудничество

Проект создания ускорительного комплекса NICA и экспериментальных установок MPD и SPD вызывает большой интерес международного научного сообщества.

В настоящее время в создании различных подсистем и в разработке научной программы участвуют ученые и специалисты из институтов и организаций более чем 30 стран мира. География участников постоянно расширяется.

Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) также заинтересована в реализации проекта NICA. Так, ЦЕРН передал ОИЯИ оборудование (дрейфовые камеры эксперимента NA48) для проекта BM@N и активно участвует в создании комплекса, привлекая ведущих экспертов по ускорительной физике и физике детекторов. Кроме того, ОИЯИ получил возможность использовать разработанное в ЦЕРН математическое и программное обеспечение для контроля за ходом реализации проекта (EVM), а также работы экспериментального оборудования (DAQ и slow-control).

Э.Э. Боос, заведующий отделом НИИЯФ МГУ, д. ф.-м. н., профессор

М.М. Меркин, заведующий лабораторией, д. ф.-м. н.