От ускорения пучков протонов до создания Вселенной в лаборатории

65 лет назад в наукограде Дубне в одной из лабораторий Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) был осуществлен первый запуск синхрофазотрона, в то время самого крупного и самого мощного в мире ускорителя заряженных частиц. Его магнит весом в 36 тысяч тонн занесен в Книгу рекордов Гиннеса как самый тяжелый в мире. Легендарный синхрофазотрон проработал до 2002 года. Над какими научными проектами работают в ОИЯИ сегодня — читайте в репортаже корреспондентов Молодежного медиацентра при Минобрнауки России.

Для того чтобы усилить экспериментальную базу лаборатории и дать физикам современный инструмент для решения научных проблем, в 80-е годы прошлого столетия в здании, где был запущен ускоритель заряженных частиц, построили нуклотрон, который после остановки синхрофазотрона стал базовой установкой лаборатории. С конца первого десятилетия ХХI века на его базе разрабатывается комплекс NICA со сверхпроводящим коллайдером протонов и тяжелых ионов. Проект NICA вошел в категорию «Мегасайенс-проекты», которая реализуется в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Его активная фаза продолжается с 2013 года. 

В рамках прикладной части эксперимента ученые исследуют различные процессы, которые приводят к выходу из строя компонентов микроэлектроники в космосе. Необходимо понимать, при каких значениях интенсивности энергии они перестают работать, чтобы создать более устойчивую систему. Не менее важно оценить влияние на мозг высокоэнергетических заряженных ионов. Помимо этого, NICA реализуется для изучения свойств плотной барионной материи.

Как устроен коллайдер

ОИЯИ в лице заместителя начальника научно-экспериментального отдела сверхпроводящих магнитов и технологий Лаборатории физики высоких энергий Артема Галимова провел для нас экскурсию в историческом месте — здании синхрофазотрона. Мы побывали в комплексе проекта NICA, экспериментальном корпусе детектора MPD и кольце коллайдера. Именно здесь, в кольце, будет располагаться коллайдер синхрофазотрона, который позволит вывести эксперименты в области физики частиц на принципиально новый уровень, сэкономив ученым немало времени. Его строительство движется к завершению.

Именно эти туннели образуют кольцо коллайдера, максимальный диаметр которого достигает 503 метров. В ближайшее время они будут соединены между собой в цепочку, которая образует магнитно-криостатную систему накопителя.

Кстати, сами магниты производятся тут же, в Дубне, на территории ОИЯИ на Фабрике магнитов. Для них в институте при проектировании нуклотрона была разработана конструкция сверхпроводящего кабеля и обмотки для магнитов. Хладагент в таких обмотках течет внутри охлаждающего канала (трубки), на который навиты проволочки со сверхпроводником — так называемые сверхпроводящие стренды. Если посмотреть на сечение стренда под микроскопом, то можно увидеть медную матрицу, в которую может быть внедрено до 8 тысяч сверхпроводящих жил из ниобий-титанового сплава. 

Фабрика магнитов

Сверхпроводящий кабель, придуманный в наукограде Дубна

Многоцелевой детектор MPD

Для исследования ядерных реакций в точках взаимодействия заряженных частиц будут размещаться детектирующие системы. К примеру, система MPD состоит из магнита со сверхпроводящей обмоткой, суммарный вес которого около 800 тонн, и множества независимых детекторов, разрабатываемых в институте совместно с другими исследовательскими центрами. С противоположной стороны коллайдера будет установлена система SDP для проведения исследований в области спиновой физики.

Прежде чем попасть в коллайдер, пучки должны пройти каскад ускорителей, который располагается в здании синхрофазотрона. Сейчас здесь почти непрерывно проводятся пуско-наладочные работы, и доступа к ускорителям нет. Но нам улыбнулась удача: был объявлен технический перерыв, и мы смогли поближе разглядеть каждый ускоритель.

В центре здания синхрофазотрона

Эксперимент начинается с рождения заряженных частиц в источнике ионов. На ускорительном комплексе применяются различные источники ионов: к примеру, для тяжелых ядер — электронно-струнный источник, а для легких ядер — лазерный. После сепарации частицы с нужным зарядом попадают в каскад линейного ускорителя, где ускоряются до энергии 3,2 МэВ/н — минимальной энергии, с которой бустер способен подхватить пучок.

Линейный ускоритель HILac

В бустере пучок снова начинает ускоряться. Здесь же на канале есть управляющие элементы, например, четырехполюсная линза, пролетая через которую пучок сжимается. Есть магниты, которые нужны для того, чтобы аккуратно управлять пучком. Подавая ток на обмотки магнитов, можно изменить конфигурацию магнитного поля таким образом, чтобы пучок отклонялся на необходимую величину.

Бустер

Нуклотрон — сверхпроводящий сильнофокусирующий синхротрон в цокольном этаже, под бустером, собранный и запущенный в 1993 году. Это следующий в каскаде ускоритель после бустера. В нем частицы ускоряются до энергии 4,5 ГэВ/н —оптимальной энергии для накопления частиц в коллайдере и проведения физических экспериментов.

Однако у нуклотрона есть и конструктивные недостатки, а именно ограничения по вакууму. Частицы остаточного газа создают немалые препятствия для эксперимента, так как могут столкнуться с частицами пучка, что приведет к потере последних. Безусловно, это неэффективно. Именно поэтому было решено дополнительно построить новый ускоритель — бустер.

У частицы есть определенный диапазон энергии на начальной стадии ускорения, на которой идут большие потери в том вакууме, который есть в нуклотроне. Но после прохождения этого диапазона потери становятся незначительными. Сечение ионизации уменьшается, и вероятность столкновения с молекулами остаточного газа падает.

Что можно ожидать от проекта NICA?

Существует теория Большого взрыва, которая предполагает, что после Большого взрыва образовалась настолько высокая плотность, что кварки и глюоны не были связаны между собой. Другими словами, возникло состояние плазмы. В какой-то момент частицы начали связываться между собой, образуя материю.

 Чтобы экспериментально подтвердить теорию, нужно понять, что именно привело к образованию материи. Сейчас многие экспериментальные институты в мире направлены на изучение этого переходного процесса. После того как коллайдер NICA будет запущен, ученые ОИЯИ смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, — кварк-глюонную плазму.

Сейчас на ускорительном комплексе NICA продолжаются пуско-наладочные работы, в ходе которых впервые была осуществлена совместная работа нуклотрона и бустера. К концу 2022 года планируется завершение строительства комплекса NICA, далее предстоит ввод в эксплуатацию и обеспечение бесперебойной работы. Несмотря на все сложности, ОИЯИ рассчитывает на своевременное достижение поставленных целей.

Запуск экспериментального комплекса NICA ознаменует новые возможности как для фундаментальных, так и для прикладных исследований, результаты которых приблизят научное сообщество к ответам на основополагающие вопросы о рождении Вселенной и существовании материи.