Сильные взаимодействия: NICA дорисует пейзаж
Академик Владимир Кекелидзе
Новый ускорительный комплекс NICA в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне, запущенный в эксплуатацию год назад, создаёт широкий спектр пучков.
Новый ускорительный комплекс NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, запущенный в эксплуатацию год назад, создаёт широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных до пучков, состоящих из таких тяжёлых ионов, как ядра золота. В столкновениях тяжёлых ионов будут изучать свойства плотной барионной материи.
Рассказывает академик Владимир КЕКЕЛИДЗЕ, вице-директор ОИЯИ.
Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Владимир Димитриевич, с чего и как начался проект NICA?
— Нет определённой точки отсчёта. Я бы сказал, что это началось в 2005—2006 годах, примерно 20 лет назад. Тогда во главе нашего института встал академик Алексей Норайрович Сисакян. Он инициировал обсуждения с привлечением международного научного сообщества, в каком направлении развивать наш институт. В ходе этих обсуждений определились основные научные задачи, которые мы хотели бы решить. Они были отражены в четырёх изданиях так называемой Белой книги.
— Почему она «белая»?
— Потому что интенсивное исследование этой области только начинается, тут много белых пятен. Преамбулу к первому изданию написал нобелевский лауреат Ти Ди Ли*, большой вклад в обоснование наших задач внёс другой нобелевский лауреат, Дэвид Гросс. Это выдающиеся учёные, и мы были рады такому сотрудничеству. В Белой книге собраны все мысли, все идеи, которые волновали физиков на тот момент. В результате мы пришли к пониманию, как создавать этот комплекс, на что он будет нацелен, как с его помощью решить те задачи, которые в другом месте, с другими установками решить невозможно.
Сегодня наш институт — это международная межправительственная организация, в которой работают более пяти тысяч сотрудников. У нас семь лабораторий, и каждая продвигает своё научное направление. Причём лаборатории эти — как отдельные институты. В самой крупной лаборатории, которая отвечает за физику высоких энергий, основная базовая установка — ускорительный комплекс NICA.
— А какие основные задачи будет решать NICA?
— Главная научная задача комплекса — изучение так называемых сильных взаимодействий в области, где ядерная материя максимально плотная. Изучение этого фундаментального взаимодействия, одного из четырёх основных, важно для понимания структуры ядерной материи и связи между её структурными элементами — кварками и глюонами. С одной стороны, сильные взаимодействия хорошо изучены и опираются на строгую теорию — квантовую хромодинамику, а с другой — нет пока ответов на ряд принципиальных вопросов. Прежде всего неясно, в чём причина того, что кварки и глюоны не могут существовать в свободном состоянии, а всегда находятся в связанном состоянии так называемого конфайнмента внутри адрона — элементарной частицы, участвующей в сильном взаимодействии.
Кварки и глюоны — это самые элементарные фундаментальные частицы материи, элементарнее ничего нет. В природе известно 12 фундаментальных частиц, из них можно построить любую существующую ядерную материю, которая может находиться в разных фазовых состояниях: простейшем, состоящем из кварков и глюонов, или в более сложном, включающем составные частицы — протоны, нейтроны, мезоны и др. Фазовый переход от составных к самым элементарным происходит при характерных температурах около 170 МэВ, это приблизительно 20 миллиардов градусов, что в миллионы раз горячее, чем в недрах Солнца.
Мы хотим воссоздать и изучить ядерную материю в этом состоянии, когда она имеет максимально возможную плотность, и постараться понять, почему кварки и глюоны всегда находятся в состоянии конфайнмента. Мы знаем, что их там удерживают именно сильные взаимодействия. В ходе реализации проекта NICA будет также изучаться спиновая структура нуклонов — протонов и нейтронов. В 2000-х годах возникла так называемая проблема кризиса спина: раньше считалось, что спин протона и нейтрона — это сумма спинов трёх кварков, из которых они состоят. Три кварка — значит, там три спина, они определённым образом складываются, и получается конфигурация протона или нейтрона. Но оказалось, что кварки вносят в величину спина только треть, а остальное формируется другими механизмами. Какими? Орбитальными моментами движения кварков, глюонами и прочим. Тут тоже предстоит разбираться.
— Какие установки будут работать в этом проекте?
— Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сначала скажем, зачем требуются ускорители и какие они бывают. Ускоритель нужен для того, чтобы разогнать ядро атома и столкнуть его с мишенью или с другим ядром. В последнем случае, когда два ядра сталкивают между собой, установку называют коллайдером. Ускорители должны столкнуть частицы при определённой энергии. При этом элементарные частицы не разрушаются, а происходят фазовые переходы между состояниями ядерной материи.
Чтобы разогнать частицы до требуемых высоких энергий, нужны даже несколько каскадов ускорителей. В случае NICA это несколько ГэВ. Поэтому в нашем комплексе NICA есть несколько источников ионов, линейные и циклические ускорители как для лёгких и поляризованных ионов, так и для тяжёлых. Они разгоняют заряженные частицы до нужных энергий, например, во вспомогательном ускорителе (бустере) до 600 МэВ. А уже затем в кольце коллайдера их можно разогнать почти до 5 ГэВ.
В состав комплекса входит зона исторического синхрофазотрона, кольцо диаметром около 250 м, и к ней примыкает зона коллайдера в форме эллипса с периметром 503 м. Это тот самый знаменитый, легендарный протонный синхрофазотрон**, который после запуска в 1957 году стал мировым лидером по энергии. Его отец-основатель — академик Владимир Иосифович Векслер, первый директор нашей Лаборатории высоких энергий. Векслер знаменит не только тем, что создал синхрофазотрон, но и тем, что в 1944 году открыл принцип автофазировки, по которому работают все современные релятивистские ускорители. Эдвин Макмиллан, будущий нобелевский лауреат, независимо открыл этот принцип спустя три года. Но поскольку в 1944 году всё было засекречено и закрыто, на Западе об открытии Векслера узнали лишь в 1950-х годах, когда физики встретились.
Но рекорд (10 ГэВ) нашего синхрофазотрона, построенного в 1957 году, продержался недолго. Спустя два года в ЦЕРНе тоже сделали протонный синхротрон, но уже на энергию в три раза больше, около 30 ГэВ. Началась гонка за энергией. Следующий рекорд опять был достигнут у нас в СССР, а точнее в Институте физики высоких энергий в Протвино (1968 год, энергия 70 ГэВ). До сих пор этот ускоритель работает. Затем пальму первенства перенял опять ЦЕРН — 200 ГэВ, потом уже в «Фермилаб» (США) была достигнута энергия 400 ГэВ и 450 ГэВ снова в ЦЕРНе. Был ещё замечательный проект УНК (ускорительно-накопительный комплекс. — Прим. ред.) у нас в Протвино на энергию 2 ТэВ, но его сгубила «перестройка». И был не менее масштабный Сверхпроводящий суперколлайдер на энергию 20 ТэВ в пучке в США, который был закрыт на стадии активного строительства в 1993 году решением Конгресса. Это драматические истории о том, как можно сгубить мощные научные проекты, на которые уже потрачены большие силы и деньги. Мне больно об этом говорить.
— Создание комплекса NICA завершено полностью?
— Практически все установки построены. Это не только ускорители, линейные, кольцевые и сам коллайдер, это ещё и необходимая инженерная, энергетическая и криогенная инфраструктура. Причём подавляющее большинство из них построено с нуля, включая здания коллайдерного комплекса. Например, криогенная инфраструктура необходима, поскольку наш комплекс — сверхпроводящий, единственный такой в России, и он работает при очень низких температурах, которые надо обеспечивать. Для этого и установлено оборудование, которое находится в отдельных зданиях. Имеются, в частности, ректификационные колонны высотой в десятки метров, где хранятся жидкие азот, гелий, мощные компрессоры. Запущены площадки по производству большинства передовых детекторов. Это современный комплекс, который позволяет делать всё на современном высоком уровне. У нас своя технология производства сверхпроводящих магнитов. Других таких в мире нет.
— Даже в ЦЕРНе?
— ЦЕРН по другому принципу строит магниты. Наши магниты более эффективны, более экономичны, правда, они не могут достичь настолько больших значений магнитного поля, какие нужны в ЦЕРНе. Но такие нам и не нужны, поскольку энергия у нас ниже. Наши магниты отвечают всем предъявляемым требованиям. Больше того, мы настолько востребованы, что крупнейший ускорительный центр, который построен в Дармштадте, в Германии, решил использовать наши технологии для производства магнитов.
— Насколько я знаю, прямо сейчас на установке NICA идут эксперименты…
— Да, с начала 2026 года идёт сеанс на ускорительном комплексе NICA, на установке BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron. — Прим. ред.). Планируем в трёх энергетических точках (для трёх энергий частиц) набрать статистику по миллиарду столкновений ксенона с ядрами мишени «цезий-йод» (CsI, иодид цезия. — Прим. ред.). Три энергетические точки позволят нам понять, можем ли приблизиться к точке фазового перехода. Миллиард — это минимум, который надо набрать. В первой точке уже набрали 1,2 миллиарда событий. Сейчас идёт набор на второй точке 1,6 ГэВ, немного до полмиллиарда ещё не дошли. После этого переходим на третью, последнюю точку, и там нужно ещё 3—4 недели, если успеем до остановки ускорителя.
— А почему он остановится?
— Таково расписание работы ускорителя; есть периоды настройки пучка, набора данных, профилактики инженерных систем. Так работают все ускорители. Также планируются два других эксперимента. Один будет проводиться в первой точке столкновения на детекторе MPD (Multi-Purpose Detector). Это сверхпроводящий магнит массой 1000 тонн, в котором начинка — несколько миллиардов каналов электроники, разнотипных детекторов. MPD — основной детекторный комплекс на коллайдере, предназначенный для изучения плотной барионной материи. Его главные задачи — исследование фазовых переходов кварк-глюонной плазмы, поиск критической точки и изучение свойств адронной материи при экстремальных плотностях и температурах.
Второй детектор, где изучается спиновая физика, пока только в стадии развития, это называется Technical Design Report. Концептуальный дизайн закончен, сейчас идут отработки моделей, деталей, собирается коллаборация и создаются элементы. Он будет запущен через пять лет. Так начнётся вторая фаза нашего эксперимента.
— И всё это — только для того, чтобы удовлетворить своё любопытство, понять немножко больше о том мире, в котором мы живём?
— Разумеется, поскольку самое ценное, что в этом мире есть, — это знания. Знания накапливаются, и иногда их количество перерастает в качество. Они иногда кажутся ненужными — подумаешь, любопытство! Но в какой-то момент они могут перейти критическую точку и «выстрелить» так, как никто и представить не мог.
— Владимир Димитриевич, а вам когда-нибудь предъявляли претензию, что вы занимаетесь никому не нужной ерундой?
— У нас люди обычно деликатные. Никто не предъявляет таких претензий даже сейчас, хотя, может быть, так и думают. Но если подобный вопрос всё же возникает, логичным будет перейти к практической части.
Создавая элементы комплекса, мы развивали технологии. Я уже сказал про сверхпроводящие магниты дубнинского типа. Они компактные и экономичные и могут быть использованы, например, для протонной или углеродной терапии при онкологических заболеваниях. Больше того, по инициативе нынешнего директора ОИЯИ академика Григория Владимировича Трубникова разрабатывается типичный циклотрон на 240 МэВ для протонной терапии, чтобы эту технологию можно было бы тиражировать. Впервые протонное облучение в России применили у нас в Дубне в 1967 году в Лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова. Через два года работы продолжили в Курчатовском институте. В мире всё это теперь тоже есть, но протонная терапия — достаточно дорогая технология, поэтому идёт поиск путей её удешевления, в том числе и у нас. А вот что касается углеродной терапии, то это куда большая редкость. Таких установок, насколько мне известно, в нашей стране пока нет. Эти установки более таргетные, более точные, но и более дорогие, поэтому такое направление исследований тоже очень актуально.
У нас разрабатывают довольно эффективные и компактные преобразователи энергии, которые могут работать как аккумуляторы в сверхпроводящем магните, где не потребляется ток. Энергия там фактически не расходуется, и полезно иметь такой прибор как демпфер для сглаживания пульсаций. Ещё есть много технологий, связанных с криогеникой, с радиационной стойкостью материалов и электроники, что немаловажно, особенно в условиях космоса.
Можно привести много примеров того, что даёт наука людям. Классический пример — это WWW протокол, который был разработан в ЦЕРНе. Сидел парень, занимался обработкой данных, искал оптимальный протокол передачи данных. Прошло немного времени, и этот протокол стал массовым, появился Интернет, без которого мы не можем представить современный мир.
Так что роль фундаментальной науки нельзя переоценить.
Комментарии к статье
* Так произносят имя китайского и американского физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии по физике 1957 года. Официально по-русски его имя пишется как Ли Чжэндао (или Ли Цзунда́о). По-английски Tsung-Dao Lee, в сокращении — T. D. Lee, отсюда и произношение на русском: Ти Ди Ли. — Прим. ред.
** См. статью: Зиновьева Л. Пирамида ядерного века. История создания дубненского синхрофазотрона. «Наука и жизнь» № 4, 2007 г.
Статьи по теме
Читайте в любое время
