Доктор наук Кекелидзе — о создании коллайдера NICA в Дубне

Каскад ускорителей коллайдера NICA собран и работает идеально — испытания завершились в марте этого года. Сейчас специалистам Объединённого института ядерных исследований осталось собрать только большое кольцо коллайдера и сопутствующую инфраструктуру. Основные эксперименты планируется начать в конце следующего года. Об этом в интервью RT сообщил вице-директор ОИЯИ, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Владимир Кекелидзе. Он рассказал о главных научных задачах, которые планируется решить с помощью NICA: это изучение кварк-глюонной материи в условиях высокой плотности и спиновой структуры нуклона. Учёный также раскрыл подробности экспериментов, которые международная команда исследователей уже провела на ускорителях в Дубне.

— Владимир Димитриевич, расскажите, пожалуйста, как возникла идея создания коллайдера NICA в Дубне и какие задачи он должен будет решать?

— Физика высоких энергий изучает микромир и фундаментальные законы природы, которые едины и для атома, и для Вселенной. Стройная теория, описывающая фундаментальные силы природы, за исключением гравитации, называется Стандартной моделью. Эти силы — электромагнетизм, слабые взаимодействия, из-за которых происходят распады ядер, и, наконец, сильные взаимодействия, ответственные за удержание протонов и нейтронов в ядрах. Стандартная модель хорошо описывает все эти три вида взаимодействий, но имеет ряд белых пятен — особенно в описании процессов сильного взаимодействия, которые являются самыми сильными в природе.

В 2000-х годах мировым научным сообществом начался поиск решений вопросов перехода ядерной материи в различные состояния (фазы) — от кварков и глюонов в протоны и нейтроны и обратно. Учёные нашего института также были вовлечены в дискуссии по этим вопросам, и в результате интенсивных обсуждений было принято решение начать такие исследования, для чего на базе существующего сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон» создать такую установку, которая позволила бы найти ответы хотя бы на часть поставленных вопросов и, возможно, закрыть некоторые белые пятна. Таким образом было положено начало проекту NICA, название которого расшифровывается как Nuclotron based Ion Collider fAcility (Коллайдерная установка на базе «Нуклотрона»).

Кирпичики нашего мироздания — это кварки и глюоны. Кварки — элементарные неделимые частицы, из которых состоит вся материя, а глюоны — связывающие их силы, переносчики сильного взаимодействия. Каждый протон или нейтрон (их обычно называют нуклонами) состоит из трёх валентных кварков. Но если сложить их массу, то мы получим только 2% от массы нуклона, 98% придётся на энергию взаимодействия между кварками за счёт глюонов. То есть, по сути, мы с вами состоим в основном из энергии глюонов, которая связывает кварки. Это очень сильные и сложные взаимодействия, которые достигают максимальной силы на расстоянии характерного размера нуклона, когда вы попытаетесь вырвать кварк из него. И напротив, при сближении кварков эти силы ослабевают, так что, если сблизить их достаточно тесно, взаимодействие может настолько ослабнуть, что кварки освободятся. После того как кварки теряют связи и разлетаются, они вскоре всё равно начинают заново группироваться в протоны и нейтроны или другие так называемые элементарные частицы.

Есть разные способы сблизить кварки: например, можно разогнать два протона и столкнуть, тогда кварки, из которых они состоят, тоже столкнутся, если приложить достаточно энергии и хорошо прицелить.

А можно сжать материю так, чтобы протоны и нейтроны в ядрах атомов проникли друг в друга и кварки сблизились настолько, что почти перестали бы взаимодействовать. Тогда мы получим так называемую кварк-глюонную кашу или кварк-глюонную плазму, которая в природе существует только в недрах нейтронных звёзд — там она образуется за счёт сильной гравитации, под очень большим давлением.

Изучая процессы возникновения и свойства кварк-глюонной плазмы, мы могли бы приблизиться к пониманию одной из нераскрытых больших загадок: каким образом кварки связаны в нейтронах и протонах самой сильной из известных науке связей. Теория не даёт строгого описания этого явления, недостаточно и экспериментальных данных. Получить такие данные можно, если столкнуть ядра атомов, где есть очень много протонов и нейтронов — например, золота или свинца. Теоретики предсказывают определённый диапазон нужной для этого энергии. Ясно, что, если она будет слишком большой, протоны и нейтроны просто пройдут сквозь друг друга и сжать их не получится. И если энергия будет слишком слабой, то эксперимент тоже не удастся.

— То есть NICA строится специально под эту задачу?

— Да, это главная задача, ради решения которой мы начали этот проект — изучить кварк-глюонную материю в условиях высокой плотности. Но есть и вторая задача. Как известно, спин частицы можно условно представить как её орбитальное вращательное движение. Он есть у кварков, и логично предположить, что сложение спинов кварков, из которых состоит нуклон, могло бы определить и спин нуклона. Но первые же эксперименты показали, что спинами кварков объясняется только 30% спина всего нуклона.

А чем объясняются остальные 70%, теория пока не даёт точного ответа. Изучить, как устроен спин нуклонов, — вторая наша задача. Для этого нужно будет столкнуть уже не ядра атомов, а два протона, в которых спин уже не хаотичен, а поляризован, выстроен. В этом случае можно будет понять логику спиновых взаимоотношений. Наша вторая задача — изучение спиновой структуры нуклона.

Обычно рассматривают два экспериментальных подхода для исследований столкновений частиц. В первом используется обычный ускоритель, из которого выводится ускоренная частица и ударяется о неподвижную мишень. Во втором подходе используется коллайдер, в котором сталкиваются две летящие навстречу друг другу частицы.

Каждый из подходов имеет свои плюсы и свои минусы. В первом случае мы, как правило, не можем зарегистрировать все продукты реакции, потому что часть из них застревает в мишени. Зато в этом случае у исследователей есть огромная статистика, потому что каждый снаряд попадает в мишень.

В коллайдере же процесс можно сравнить с двумя снайперами, которые на расстоянии километра пытаются попасть пулей в пулю. Столкновение произойдёт, возможно, только в каждом миллионном случае. Нам же нужно набрать многие миллиарды столкновений, чтобы с высокой точностью определить закономерности изучаемых процессов. Важная характеристика каждого коллайдера — так называемая «светимость», показатель частоты попадания частиц друг в друга.

Сейчас в мире два проекта нацелены на решение схожих задач, но разными методами. Это эксперимент на коллайдере NICA и эксперимент с фиксированной мишенью на ускорителе FAIR, который строится в Германии при участии России, кстати. Два проекта дополняют друг друга — учёные всегда считали их взаимным продолжением. Это как братья, которые до последнего времени работали вместе.

— Сейчас взаимодействие приостановлено?

— Да, пока что германская сторона приостановила сотрудничество, но я надеюсь, что оно возобновится. Они без нас не смогут дальше работать, и нам без них тоже будет сложно — хотя что-то мы сделаем, пусть и хуже.

Как было сказано выше, базой коллайдера NICA является сверхпроводящий синхротрон «Нуклотрон» — он был построен ещё в начале 1990-х и модернизирован в 2010 году, когда приняли решение строить коллайдер NICA. «Нуклотрон» — уникальная, интересная машина, впервые в России был построен ускоритель на криогенных сверхпроводящих магнитах, которые работают при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Магниты были разработаны у нас, в ОИЯИ, поэтому и называются дубненскими. Они позволят очень быстро наращивать магнитное поле и идеально подходят для работы при таких энергиях, какие будут использоваться в коллайдере NICA или в ускорителе FAIR, для которого мы их также производили. Аналогов в мире нет, поэтому германские партнёры не смогут продолжить работу без наших магнитов.

— А что немецкая сторона поставляет для коллайдера NICA?

— Высокотехнологичные полупроводниковые стриповые так называемые вершинные детекторы. Мы создали альтернативные детекторы, уступающие по характеристикам, но всё же такое оборудование позволит начать исследования.

Проект NICA — это широкий набор различных установок и большая инженерная инфраструктура. Поэтому всё в целом называется комплексом NICA. Он включает в свой состав «Нуклотрон», который может разогнать частицы до нужной энергии. Но для достижения высокой светимости коллайдера требуется большая интенсивность разгоняемых в «Нуклотроне» частиц, а для этого необходим ещё один кольцевой ускоритель так называемый бустер, в котором частицы предварительно разгоняются до промежуточных энергий.

Также в состав комплекса входят линейные ускорители и каналы транспортировки частиц между всеми ускорителями и каналы, выводящие частицы на исследовательские установки — три исследовательские установки: одна для проведения эксперимента с фиксированной мишенью (BM@N) и две для экспериментов на коллайдере (MPD и SPD).

Проведён первый эксперимент с фиксированной мишенью (BM@N) на выведенном из «Нуклотрона» пучке ионов углерода, который длился с 7 по 31 марта. Было набрано 185 млн взаимодействий углерода с покоящейся протонной мишенью. В этой работе участвует большая международная команда учёных из США, Израиля, Франции, Германии, России — всего около 250 человек. Цель эксперимента — изучение так называемых короткодействующих корреляций в ядре.

— Поясните, пожалуйста, что это?

— Это ближе к ядерной физике, но задача тоже очень интересная. Известно, что, если отделить нейтрон или протон от ядра атома, свойства и масса этих отдельных протонов или нейтронов будут отличаться от свойств нуклонов, находящихся в ядре, потому что в ядре они сближены и между ними возникают сильные взаимодействия, меняются их свойства и даже масса. И здесь тоже есть много белых пятен. Явление, которое называется «короткодействующая корреляция», заключается в следующем: в ядре с вероятностью около 20% всегда найдётся пара протон — нейтрон, которые случайным образом так сильно сближаются, что начинают испытывать сильное отталкивание, разлетаются и получают энергию, заметный импульс разлёта, хотя в целом вся пара обладает очень маленьким импульсом. Изучение этого явления поможет понять механизмы сильных связей в ядре, но для этого нужно такую пару нуклонов извлечь из ядра.

В ранее проведённых экспериментах ударяли ускоренным протоном по ядру углерода, чтобы выбить из него такую пару. Тогда путём обратных расчётов можно выяснить, как протекал весь процесс. Однако этот подход имеет минусы: чтобы описать всю кинематику, нужно просчитать её для всех продуктов реакции, включая осколок ядра, из которого мы выбиваем пару нуклонов. Но ядро в этом случае получит слабую отдачу и осколок не сможет вылететь из мишени, у него не хватит для этого энергии. Зарегистрировать можно только вылетевшую пару и протон, которым били по этому ядру, соответственно, не получится восстановить всю кинематику реакции.

Впервые было предложено поступить наоборот — ударить ядром по неподвижному протону. В этом случае все продукты столкновения летят вперёд, включая остатки ядра, и будут зарегистрированы, можно увидеть всю картину. В качестве мишени для ускоренных ядер углерода использовали водород в жидком состоянии.

Зарегистрированные 185 млн взаимодействий — это хорошая статистика. Ожидается, что из этого массива предварительных данных удастся выделить около 100 событий с полной кинематикой короткодействующих корреляций, или Short-range correlation (SRC). Это очень интересно, потому что пока в мире никто не проводил экспериментов в системе обратной кинетики — когда ядром бьют по протону. Эта идея сама по себе стала научным событием и получила признание — она была опубликована в престижном научном журнале Physics Nature.

— Международная команда учёных, которая проводила эти эксперименты, сейчас продолжает работать?

— Конечно, тем более что обработка данных обычно ведётся удалённо, в объединённой компьютерной среде. Учёные проводят регулярные совещания, обмениваются полученными результатами. Так что уже в этом году мы ждём несколько публикаций по результатам этого эксперимента.

А в сентябре планируется сеанс работы уже по основной программе. Речь идёт об изучении кварк-глюонной плазмы в эксперименте c фиксированной мишенью (BM@N) на пучках тяжёлых ионов (Хе), выведенных из «Нуклотрона».

Что касается основного кольца коллайдера, то здание для его размещения построено уже на 98%, осталось смонтировать и запустить в нём инженерную инфраструктуру: системы охлаждения, отопления, кондиционирования и т. п. На это уйдёт примерно полгода. Конечно, потребуется время на пусконаладочные работы. Скорее всего, эксперименты на встречных пучках мы сможем начать в конце следующего года.

— Повлияет ли на ход работ нынешняя ситуация с разрывом международных научно-технических связей?

— Да, повлияет. Сегодня ни одна страна не владеет полностью технологией создания таких сложных установок, как коллайдер, — это всегда результат международной кооперации. Заместить полностью импортное оборудование невозможно, на наш проект работало почти 70 стран, с производителями из которых у нас были заключены контракты. Сейчас эти поставки частично зависли — что-то ещё предстоит произвести, а какое-то оборудование уже произведено, но есть трудности с его доставкой и оплатой. Поставщики не отказываются передать нам это оборудование, оно сделано специально под наши установки, но нам приходится искать новые схемы доставки и пути перевода средств. Поиск решений ведётся с обеих сторон, надеюсь, что вместе мы преодолеем эти трудности.

— Если вернуться к тем задачам, которые должен будет решить коллайдер NICA, то верно ли, что речь, кроме прочего, идёт о том, чтобы заглянуть в раннюю историю Вселенной?

— Согласно общепринятой теории, всё началось с Большого взрыва, в котором родились кварки и глюоны. Это был сгусток колоссальной энергии, но в нём не было привычной нам материи, потому что вещество и антивещество находились в полном балансе. Сам по себе кварк может существовать только мгновение, он всегда «подхватывает» себе антикварк и образует мезон или объединяется с двумя другими кварками и образует нуклон. Таким образом формировалась Вселенная, однако был ещё один процесс, который привёл к нарушению баланса между веществом и антивеществом: сейчас антивещества в чистом виде практически нет. И эта загадка до сих пор не решена.

Но мы будем изучать кварки не в их изначальном состоянии, сразу после Большого взрыва, а в том состоянии, в котором они оказались в недрах нейтронных звёзд. Это уже примерно сотни миллионов лет с момента возникновения Вселенной.

— Есть ли какое-то прикладное применение у этих исследований?

— Нет, коллайдер — это установка для проведения только фундаментальных исследований. Напомню, что Фарадей открыл электромагнитную индукцию, не думая о практическом применении своего открытия, он занимался фундаментальной наукой. Однако благодаря ему мы сегодня пользуемся электричеством. Фундаментальная наука занимается познанием окружающего нас мира, и полученные знания рано или поздно дают новый толчок человеческой цивилизации. Но когда и как это произойдёт, никто не предскажет.

Впрочем, такой большой проект, как Комплекс NICA позволяет решать и практические задачи. Во-первых, создание таких установок всегда требует самых передовых технологий — мы ставим новые задачи перед промышленностью. И в процессе их решения уже возникают инновации, мы этому косвенно способствуем.

Кроме того, из ускорителей, входящих в состав Комплекса NICA (кроме коллайдера), можно вывести пучки для решения многих прикладных задач. Во-первых, изучается воздействие ионизирующего облучения на биологические объекты. У нас проводятся опыты с ионами, от которых очень сложно защититься в далёком космосе и которые производят очень большие разрушения в живых организмах. Также ведётся работа по разработке устойчивой к радиации электроники для космоса и атомной энергетики. Есть ещё одно интересное направление — ведутся попытки уменьшать радиоактивность ядерных отходов путём их облучения различными частицами — протонами или ионами. Это называется «трансмутация». Речь идёт о нейтрализации ядерных отходов, но пока что неясно, получится ли разработать необходимую технологию. Однако работать в этом направлении всё равно нужно.