15364ЦЕРН отдыхает. Чем российский коллайдер NICA лучше Большого адронного
Учёные намерены выяснить, что творится внутри нейтронных звёзд и за что кварки приговорены к пожизненному заключению.
Можно сказать, половина подмосковной Дубны — почти весь правый берег Волги — на три с лишним часа осталась без электричества. И не из-за какой-то аварии, а по статусу наукограда. По улицам на тягаче величественно проследовал гигантский жёлтый металлический саркофаг весом в 120 тонн. Он оказался таким высоким, что пришлось убирать с дороги электрокабели.
Провода поднимали с таким расчётом, чтобы между грузом и проводами оставался просвет в один метр. А высота груза с учётом автомобиля составляла 7,6 метра. Это нестандартный груз, и мы знали с самого начала, что будут такие сложности
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
Внутри — стальной цилиндр: восемь метров в длину, 5,6 метра в диаметре. Он обмотан сверхпроводниками — особой металлической "проволокой", которая при очень и очень низких температурах проводит ток беспрепятственно, то есть с нулевым сопротивлением. Очень и очень низкие температуры обеспечит жидкий азот. Его будут заливать в эту огромную трубу. Она называется криостатом. Это крупнейшая часть мощного сверхпроводникового магнита для нового коллайдера NICA. Её сделали в итальянской Генуе и сначала ровно месяц везли морем в Санкт-Петербург, а затем ещё неделю — по Неве, Ладожскому, Онежскому, Белому озёрам, Рыбинскому водохранилищу, Волге и, наконец, по реке Дубне.
Мы были очень ограничены во времени, потому что надо было довезти до реки Дубны до завершения навигации. А груз нельзя оставлять на холоде, он очень чувствителен к температурному режиму, ко всяким вибрациям. Мы очень волновались, нам дали координаты корабля, и мы следили за ним в приложении, каждый день по нескольку раз смотрели на карту, где он находится
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
Почему эта труба так важна?
Благодаря советскому кино множество совершенно далёких от физики и математики людей наизусть знают, что положено в основу работы синхрофазотрона. Итак, это... Правильно, с ударением на последние слова: принцип ускорения заряженных частиц магнитным полем. Так вот, синхрофазотрон — это и есть ускоритель. И запущен он впервые был именно в Дубне. Впервые в мире. Это произошло в 1957 году, за полгода до запуска "Спутника", и эти два события считают равными по значимости.
Фото © NICA
Так что без нужного магнита эксперименты на новейшем уникальном ускорителе были бы совершенно невозможны: именно магнитное поле позволяет наблюдать за "поведением" сталкивающихся частиц.
Без магнитного поля частицы летят по прямой линии, и всё, и вы ничего не знаете, какая же у них энергия. А если есть магнитное поле, они летят не по прямой линии, а закручиваются, по кругу летят. И если измеришь кривизну этого круга, радиус кривизны этого круга, то узнаешь энергию этой частицы
Иван Кооп
Заведующий кафедрой физики ускорителей Новосибирского государственного университета
Что будет происходить в коллайдере
На НИКЕ главная задача — понаблюдать, как протоны и нейтроны ударяются друг в друга и разбиваются на составные части: кварки и глюоны. Кварки — это составные части любого протона и любого нейтрона, а глюоны — это такие безмассовые частицы, которые обеспечивают кваркам взаимодействие. Глюон — от слова glue, "клей". Так вот, то, что получается после такого раздробления, называется кварк-глюонной плазмой. По современным представлениям физиков, именно так выглядела Вселенная в самом-самом начале — в первые доли секунды после Большого взрыва.
Фото © NICA
Частицы будут сталкивать золотые. Кроме шуток — ионы золота. В них очень много протонов и нейтронов, а как раз это и нужно для интересных наблюдений.
ЦЕРН работает со свинцом, Брукхейвенская лаборатория (коллайдер RHIC в США. — Прим. Лайфа) использует золото. Мы хотели бы использовать те же самые ядра, чтобы сравнивать результаты одних и тех же наблюдений. Если будет сделано открытие, мы должны доказать, что результаты согласуются с другими, тогда можно претендовать на открытие. Если это будет другое ядро, могут сказать: "Ребята, это особенности ядра", и доказать будет сложно
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
За что "сидят" кварки?
После возникновения в коллайдере "первичного бульона" самых что ни на есть элементарных частиц в таком состоянии он живёт недолго — всё очень быстро снова склеивается в привычные протоны и нейтроны. Это называется фазовым переходом. И всей мировой науке это не даёт покоя. Предстоящие эксперименты в Дубне — попытка разгадать одну из величайших загадок теоретической физики.
Это позволит теоретикам более чётко сформулировать, почему кварки заключены, как в тюрьме, в любом нуклоне, в любом адроне. Кварк никогда не существует отдельно, даже если его вырвать, он тут же ищет себе либо антикварк, либо ещё два кварка, чтобы образовать частицу. Это большая загадка, это одна из задач тысячелетия
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
И ни Брукхейвен, ни даже сам ЦЕРН не в силах повторить то, на что нацелена NICA, подчёркивают учёные. Они не могут полноценно наблюдать фазовый переход. И, как ни странно, как раз потому, что Большой адронный коллайдер и американский RHIC — слишком мощные.
Фазовый переход происходит на низких энергиях, а "церновские" энергии большие очень, поэтому там явление исследуется, но не полностью. Ближе к параметрам NICA находится установка RHIC в Брукхейвене, США. Но там тоже энергии великоваты. Вот по результатам "риковских" экспериментов было установлено, что нужно иметь коллайдер на чуть меньшую энергию, чем RHIC. И NICA нацелена как раз на очень важный диапазон энергий, где происходит как раз фазовый переход. Они хотят попасть в точку
Иван Кооп
Заведующий кафедрой физики ускорителей Новосибирского государственного университета
Мы выбрали те энергии, при которых достигается максимальная плотность ядерной материи — такая, какая существует только в недрах нейтронных звёзд
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
А людям какая польза?
Оказывается, очень большая. Учёные подчеркнули, что многие изобретения вошли в нашу жизнь благодаря дотошным попыткам решить какой-нибудь далёкий, казалось бы, от простого человека фундаментальный научный вопрос. Точно так же и с коллайдерами.
Основные базовые элементы ускорителя — сверхпроводящие магниты, разработанные по нашей технологии ещё в 80-х годах. Эти уникальные и очень экономичные магниты могли бы быть наиболее эффективны в медицинских аппаратах для лучевой терапии. Мы такие наработки делаем и, возможно, будем двигать
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
Проект таких аппаратов уже много лет разрабатывают в Объединённом институте ядерной физики. И надеются создать их в ближайшие годы.
Ядерная медицина непосредственно вытекает из того, что создаётся для фундаментальной физики. То есть, в частности, терапия рака с помощью пучков да просто рентгеновские малодозные установки, компьютерная томография, позитронно-электронная томография — все эти приборы возникают на основе разработок для физики элементарных частиц
Иван Кооп
Заведующий кафедрой физики ускорителей Новосибирского государственного университета
И это ещё не всё. Создатели НИКИ с самого начала обозначили государству, что намерены заниматься в том числе и прикладной наукой, рассказал Владимир Кекелидзе. По его словам, в коллайдере радиация такая же, как в дальнем космосе, то есть за пределами земного магнитного поля. Значит, можно исследовать, как поведёт себя электроника на космическом корабле и как будут себя чувствовать будущие марсианские колонисты во время полёта к Красной планете.
Мы уже облучали на наших ускорителях приматов небольшими дозами. Примерно такими, какими люди облучаются, когда рентген делают. И наши учёные следят в том числе за тем, как меняются их когнитивные способности, когда гиппокамп облучается. Например, я на одном из семинаров узнал, что значительные дозы радиации сначала повышают когнитивные способности, а потом они резко падают
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
Когда запустят НИКУ?
На самом деле частично она уже работает — на одном из ускорителей уже с 2018 года запускают пучки частиц. Надо сказать, в Дубне построили не один, а целых пять ускорителей частиц. Криостат, который с такими треволнениями везли из Италии, предназначен для самого коллайдера — эллипса диаметром в 503 метра. "Бочку" — как её называют учёные, благополучно ввезли в тот зал, где она будет работать, но пока что она стоит "нераспакованной". И всё из-за пандемии.
Мы не можем извлечь этот криостат из саркофага без представителей компании-производителя, а их сейчас не выпускают из Италии, потому что там куча ограничений. Мы надеемся, что к концу ноября хотя бы они приедут, чтобы мы могли хотя бы извлечь этот груз. Магнит будет испытываться в лучшем случае где-то весной следующего года
Владимир Кекелидзе
Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований
Магнит — составная часть одного из главных детекторов, в которых будут происходить столкновения частиц. Он называется многоцелевым детектором — MPD (Multipurpose detector). Его планируют подготовить к работе примерно к середине 2022 года. Но, собственно, коллайдер, по расчётам учёных, к тому времени ещё не будет полностью готов — на нём удастся лишь провести первые испытания с пучком частиц. Первые эксперименты по их сталкиванию намечены лишь на весну 2023 года.
