Колайдер NICA: унікальний науковий мегапроект у Дубні. Зроблено в Росії

У Дубні, в Інституті ядерних досліджень, створюють новий колайдер. Назвали проект просто та красиво – НІКА. Це абревіатура від Nuclotron-based Ion Collider facility. У той же час, богиня перемоги. На установці НІКА вчені спробують змоделювати процес перших миттєвостей виникнення Всесвіту кілька мільярдів років тому. По суті народження нашого світу.

Молодший брат Великого адронного колайдера з'явиться в підмосковній Дубні. В Об'єднаному Інституті ядерних досліджень розпочалося будівництво вітчизняного прискорювача ядерних частинок.

Об'єднаний інститут ядерних досліджень. Заснований у 1956 році на базі Інституту ядерних проблем Академії наук Радянського Союзу. Знаходиться у місті Дубна. Тут, уперше у світі створено синхрофазотрон, протонний прискорювач, на якому вчені досягли рекордної на той час енергії. За великий внесок Інституту в сучасну фізику 105-му елементу періодичної системиМенделєєва присвоєно назву «Дубній», а 114-му – «Флеровий», на честь академіка Георгія Флерова. Сьогодні у складі Інституту 7 лабораторій. Основні напрямки досліджень - ядерна фізика, фізика елементарних частинокта конденсованого стану речовини.

НІКА – не менш амбітна, але менш дорога установка, аніж «цернівська». Периметр обручки 500 метрів. Як і швейцарський прилад, створюватиметься НІКА у міжнародній кооперації.

У Дубні не стали рити тунелі та копати шахти – проект розроблено на базі вже існуючого нуклотрону. По суті – це каскад із трьох прискорювачів.

Один із них уже діє - надпровідний іонний синхротрон-нуклотрон. Другий етап – бустер, забезпечить часткам необхідну інтенсивність. Раніше тут розташовувалися магніти синхрофазотрону. Плюс два кільця колайдера, в якому і стикатимуться протони.

Російський колайдер стане найкращою установкою для проведення експериментів з фізики важких іонів. Вчені сподіваються, що після запуску проекту НІКА центр таких досліджень пропишеться у Підмосков'ї.

«Є ще сфера фізики високих енергій. Вона не менш цікава, вона дуже популярна сьогодні серед фізиків, у цій галузі очікуються дуже яскраві цікаві відкриття, а саме фазові переходиядерної матерії. Для того щоб їх вивчати, необхідно створити максимальну щільність баріонної матерії, ту, яка існує в нейтронних зірок. Для вивчення саме цих процесів у максимальній баріонній густині не потрібна максимальна енергія, як на БАКУ або на Брукхейвенській машині. Теоретики розрахували, що вона дуже близька до тієї, яка сьогодні досяжна на нашому нуклотроні»,

Розповідає директор лабораторії високих енергій ОІЯД Володимир Кекелідзе.

Головна відмінність російського колайдеравід швейцарського в тому, що в ЦЕРНові основні сили кинуті на пошуки невловимого бозона Хіггса - частки, яка дає масу решті всіх частинок.

Росія ж на своїй установці вивчатиме іншу сферу виникнення Всесвіту кілька мільярдів років тому: формування з кварків і глюонів частинок баріонної матерії. Тобто нашого світу.

«Теоретики сформулювали ті умови, за яких було можливе формування Всесвіту тим шляхом, яким воно пішло. А умови дуже прості – певна температура (або енергія) частинок та щільність ядерної речовини. Коли теоретиками були сформульовані ці умови, стало зрозуміло, який експеримент можна поставити в лабораторних умову нас на Землі, щоб спробувати змоделювати ті умови, які були на ранніх етапахформування Всесвіту»,

Розповідає заступник головного інженера ОІЯД, член-кореспондент РАН Григорій Трубніков.
Саме НІКА дозволить вченим наблизитися до умов виникнення Великого вибуху», від якого, на думку фізиків, і з'явився наш Всесвіт.

«Для цього потрібна чітко визначена енергія, треба розігнати важкі ядра. Ми вибрали золото по золоту, тому що це легше зробити технологічно. На основі нуклотрону і створюється колайдер. Перший розгінний блокбуде нуклотрон, лінак, потім пучки будуть виведені, і буде організовано зустріч двох пучків у двох місцях. В одному ми вивчатимемо важку іонну програму, намагатимемося досягти тієї максимальної щільностібаріонної матерії, і дивитися, що з цього вийде. А в іншій будемо вивчати спинову фізику. Теж не менше цікавий проект»,

Пояснює Володимир Кекелідзе.

За допомогою НІКІ вчені сподіваються розкрити структуру Всесвіту та таємниці її фундаментальних сил: темної матерії, темної енергії, чорних дірок, « кротових нір» та екстра-вимірювань.

«Коли ви знаєте, як утворювалася речовина, як утворювалася матерія, як вона формувалася, ви можете прогнозувати, що буде з цією матерією, як вона далі розвиватиметься, як вона розпадатиметься і гине. Взагалі, це фундаментальні питання, які дадуть відгадки до розуміння еволюції нашого Всесвіту»,

Розповідає Григорій Трубніков.

Сьогодні наукова програма НІКА сповнюється новими ідеями. Параметри установки, а це висока енергія, Колосальна щільність речовини та різноманітність сортів досліджуваних частинок, відкривають можливості для вирішення цілого ряду прикладних завдань.

Це вуглецева терапія, тестування електроніки для космічних програм, трансмутація радіоактивних відходів, нові підходи до одержання енергії.

Але головне, що колайдер працюватиме у нас у країні, а не за кордоном. І молоді російські вчені отримають гарну і цікаву роботуу себе вдома.

Запуск першого етапу проекту НІКА планується за два роки. А вже до 2017-го ядерники з Дубни чекають на початок роботи всього комплексу.

Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД) у підмосковній Дубні 26 березня відзначить 60-річчя. Напередодні ювілею, 25 березня, відбудеться урочиста церемонія закладання каменю в основу наукового комплексу NICA - проект світового значення в області фундаментальних дослідженьз фізики високих енергій. Чим унікальний нуклотрон NICA, і які сфери застосування його досліджень, дізнався кореспондент Дубненського інформагентства

Міжнародна співпраця

Вид на Будинок вчених у Дубні з плакатом до 60-річчя ОІЯД

Фото:Артем Рязанцев, Дубненське ІА

У закладці каменю візьмуть участь представники держав-партнерів та американський фізикДевід Гросс, який зробив значний внесок у розвиток теорії, на якій базується програма експериментів NICA.

Метою проекту NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) є створення прискорювально-експериментальної бази світового рівня, яка надасть вченим можливості, недоступні в інших прискорювальних центрах світу. Завдяки комплексу можна буде проводити фундаментальні дослідження надщільної ядерної речовини та спінової структури адронів, а також виконувати широкий спектр інноваційних та прикладних робіт.

Проект експериментальної установкикласу мегасайєнс реалізується за участю багатьох країн. Так, до складу ОІЯД входять 18 держав-членів, ще із 6 країнами підписано протоколи на урядовому рівні. Крім того, у грудні 2015 року було укладено угоду між урядом Російської Федерації, Китайської Народною Республікою, Об'єднаним інститутом ядерних досліджень та Академією наук Китаю. За словами директора ОІЯД, академіка РАН Віктора Матвєєва, угода поставила формат участі у проекті для інших країн, які хотіли б до нього приєднатися – Німеччини, Італії та ПАР. Проект NICA залучить до Дубна тисячі вчених та інженерів з різних країнсвіту.

Прискорювати та вивчати

Фабрика надпровідних магнітів для колайдера NICA

Фото: Артем Рязанцев, Дубненське ІА

Комплекс NICA дозволить прискорювати та зіштовхувати важкі ядра, аж до золота, з рекордними параметрами у необхідному діапазоні енергій, а також забезпечить зіткнення поляризованих ядер. Він складатиметься з трьох великих блоків: прискорювального, науково-дослідного та інноваційного.

Прискорювальний блок NICA включає вже функціонуючі джерела ядер, у тому числі поляризованих ядер, а також лінійний прискорювач і кільцевий прискорювач Нуклотрон, запущений в 1993 році. Нуклотрон заснований на кріогенних технологіях XXI століття, розроблених у Дубні, і є другим надпровідним прискорювачем у Європі після знаменитого Великого адронного колайдера на кордоні Швейцарії та Франції. Ці технології будуть використовуватися для будівництва колайдера NICA та синхротрона SIS-100 німецькому проекті FAIR.

Реалізація науково-дослідного блоку NICA передбачає розвиток існуючої експериментальної бази на пучках Нуклотрона (установка [email protected]) та створення двох детекторів для колайдера - багатоцільового детектора MPD та детектора SPD для експериментів з поляризованими ядрами.

При створенні прискорювальних та детекторних елементів для NICA використовується досвід, накопичений під час підготовки експериментів на Великому адронному колайдері в CERN – Європейській організації з ядерних досліджень, а також у провідних науково-дослідних лабораторіях США, Європи та Японії.

Інноваційний блок NICA включає в себе вже існуючі зони, які будуть розвиватися та доповнюватися новими. На них планується проводити прикладні дослідження в галузі альтернативної ядерної енергетикита вуглецевий променевої терапіїракових захворювань, а також тестування електронних компонентів та біологічних об'єктів у рамках космічних програм. Для цих робіт залучаються високотехнологічні галузі промисловості Росії.

Престиж російської науки

ОЕЗ Дубна

Фото: прес-службаОЕЗ Дубна

Вже понад 1 тисяча вчених та фахівців з 70 інститутів 26 країн світу працюють на Нуклотроні та беруть участь у підготовці та реалізації проекту NICA. З введенням в дію нових елементів прискорювального комплексу буде досягнуто нової якості експериментів, завдяки якому кількість учасників проекту зросте в кілька разів.

У рамках мегапроекту NICAу Дубні буде налагоджено тісне співробітництво між Міністерством освіти і науки РФ, Міністерством науки і техніки КНР, Академією наук КНР та Об'єднаним інститутом ядерних досліджень. Повністю запустити комплекс NICA планується наприкінці 2019 – на початку 2020 року.

Завдяки цьому науковому мегапроекту Росія стане одним із світових лідерів у галузі фундаментальних досліджень із фізики високих енергій. NICA приверне до Дубни талановиту молодь з усього світу, прискорить інноваційні процесиу багатьох областях прикладних дослідженьта значно підніме престиж російської науки.

Чи побачили помилку в тексті?Виділіть її та натисніть "Ctrl+Enter"

25 березня почалася реалізація мегапроекту NICA (Nuclotron Ion Collider Acility) — у 2013 році цей проект увійшов до шести великих науково-дослідних проектів класу мегасайєнс міжнародною участюна території Росії.

22 березня в Об'єднаному інституті ядерних досліджень (ОІЯД) відбулася прес-конференція, на якій було оголошено про терміни реалізації.

Колайдер NICA створюється на базі прискорювача "Нуклотрон", збудованого в 1993 році. Для експериментів, що плануються, створюються детектори MPD і [email protected]

Перший буде розташований у точці зіткнення пучків колайдера NICA, другий – на виведеному пучку докорювача «Нуклотрон». Ці унікальні установки можна порівняти з детекторами Великого адронного колайдера в Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН).

У п'ятницю, 25 березня, було закладено перший камінь будівництва. Перший запуск колайдера заплановано на кінець 2017 року: спочатку в дію буде введено детектор [email protected]Сам колайдер із детектором MPD запрацює до кінця 2019 року. Директор ОІЯД Віктор Матвєєв зазначив, що у реалізації проекту вже зараз беруть участь 16 наукових організаційз Росії та 79 - з інших країн світу. Договори про співробітництво підписані з такими країнами, як Франція, Німеччина, Італія, ПАР, Білорусь, планується партнерство з Китаєм. Президент Російської академіїнаук Володимир Фортов також наголосив на важливості міжнародного співробітництвау подібних проектах: «Дубна – унікальна освіта. Реальний міжнародний центр, один з перших. У ньому багато зроблено, але, що важливо, центр залишається молодим, у ньому працюють молоді люди, молоді настанови, молоді ідеї». Фортов наголосив на важливості проекту NICA, який, за словами президента РАН, «дасть унікальну інформацію про ранні етапи існування Всесвіту».

Основна мета цього проекту – пошук нових станів у ядерній матерії. Для цього будуть використані установки, що мають найбільш оптимальні характеристики, які дозволять досягти максимальних баріонних густин.

За сучасними теоретичним уявленнямматерія може бути в кількох станах: адронному, кварк-глюонном і так званої змішаної фазі, що складається з композиції перших двох станів.

Кварк-глюонна матерія та її перехід у звичний нам світ частинок можуть бути відтворені в експериментах на прискорювачах шляхом зіткнення важких іонів.

Для цього потрібні не дуже високі сучасним поняттяменергії зіткнення - лише близько 10 ГеВ. Це набагато менше, ніж енергії Великого адронного колайдера та релятивістського колайдера важких ядер (RHIC) із Брукхейвенської національної лабораторії, розташованої поблизу Нью-Йорка (США). Для порівняння: на ВАК зараз відбуваються зіткнення протонних пучків з енергією 8 ТеВ.

Автори називають проект NICA «Всесвіт у лабораторії». « Головна задачапроекту NICA – вивчення щільної баріонної матерії у тій галузі енергій, де вона досягає максимальної щільності, – розповідає директор лабораторії фізики високих енергій (ЛФВЕ) ОІЯІ Володимир Кекелідзе. - Друге завдання - вивчення спінової структури нуклонів.

Ми хочемо відтворити "міні-великий вибух" у лабораторії. У перші мілісекунди після Великого вибуху відбулося формування нашого світу.

Те, що було на початку, — це кварк-глюонна плазма, цеглинки світобудови, які вивчають у ЦЕРН. Як із цих цеглинок світобудови народився той світ, у якому ми живемо, як виникли протони та нейтрони, ми хочемо відтворити в нашій лабораторії, зіштовхуючи атоми золота». Лауреат Нобелівської преміїз фізики 2004 року Девід Гросс, який був присутній на церемонії початку будівництва, також зазначив, що вражений масштабом майбутніх досліджень: «Буде цікаво зрозуміти, як поводилися кварки в умовах раннього Всесвіту», - зазначив вчений.

Це не єдиний у світі проект вивчення баріонної матерії. У США вже введено в дію іонний колайдер RHIC. Однак він не дозволяє досягти потрібної баріонної щільності, подібної до речовини нейтронної зірки.

У Німеччині розробляється проект FAIR. FAIR - це колайдер з фіксованою мішенню, в ньому пучок частинок ударяється по мішені, при цьому частина енергії витрачається на рух системи, що призводить до втрат енергії. У колайдері NICA два пучки стикаються між собою, що енергетично вигідно, проте складно точно поєднати пучки для досягнення великої світності — високої інтенсивності розпаду.

На запитання кореспондента відділу науки про те, чи допоможе проект NICA пролити світло на загадки темної енергіїі темної матерії, Кекелідзе відповів:

«Прямо проект NICA не пов'язаний з цими поняттями, але оскільки ми проводитимемо експерименти з високою баріонною щільністю, можливо, ми знайдемо щось, що проливає світло на ці питання. Мова йдепро темну матерію, а не про темну енергію».

За словами віце-директора ОІЯД Ріхарда Ледницьки, вартість проекту NICA становить понад $500 млн. 80% бюджету оплачує Росія. Проект NICA міжнародний. Обладнання та програмне забезпеченнярозробляють спеціалісти з України, Німеччини, Італії та інших країн. У 2010 році було підписано договір із ЦЕРН про взаємовигідне співробітництво.

У той самий час багато компонентів виготовляють у Росії. В ОІЯД діє завод із виготовлення надпровідних магнітів, у тому числі для NICA.

Проект має безліч інноваційних додатків, крім фундаментальної науки. Установки ОІЯД дозволяють досліджувати вплив іонних пучків на організм живих істот. Розвивається адронна терапія, спрямовану лікування раку.

У Дубні в Інституті ядерних досліджень створюють новий колайдер. Назвали проект просто та красиво – НІКА. Це абревіатура від Nuclotron-based Ion Collider facility. А в міфології – богиня Перемоги. На установці НІКА вчені спробують змоделювати процес перших миттєвостей виникнення Всесвіту кілька мільярдів років тому. По суті народження нашого світу.

"Молодший брат" з'явиться у підмосковній Дубні. В Об'єднаному Інституті ядерних досліджень розпочалося будівництво вітчизняного прискорювача ядерних частинок.

Довідково: Об'єднаний інститут ядерних досліджень. Заснований у 1956 році на базі Інституту ядерних проблем Академії наук Радянського Союзу. Знаходиться у місті Дубні. Тут уперше у світі створено синхрофазотрон, протонний прискорювач. За великий внесок Інституту до сучасної фізики 105-му елементу періодичної системи Менделєєва присвоєно назву "Дубній", а 114-му - "Флеровий", на честь . Сьогодні у складі інституту – 7 лабораторій. Основні напрями досліджень - ядерна фізика, фізика елементарних частинок та конденсованого стану речовини.

Нарекли російський колайдер просто і красиво – НІКА. Абревіатура від Nuclotron-based Ion Collider facility. Або "богиня Перемоги".

НІКА – не менш амбітна, але менш дорога установка, ніж цернівська. Периметр кільця – 500 метрів. Як і швейцарський прилад, створюватиметься НІКА у міжнародній кооперації.

У Дубні не стали рити тунелі та копати шахти – проект розроблено на базі вже існуючого нуклотрону. По суті – це каскад із трьох прискорювачів. Один із них уже діє - надпровідний іонний синхротрон-нуклотрон. Другий етап – бустер – забезпечить часткам необхідну інтенсивність. Раніше тут розташовувалися магніти синхрофазотрону.

Плюс два кільця колайдера, в якому і стикатимуться протони.

"Є ще область фізики високих енергій, вона не менш цікава, вона дуже популярна сьогодні серед фізиків, у цій галузі очікуються дуже яскраві цікаві відкриття, а саме – фазові переходи ядерної матерії. Для того, щоб їх вивчати, необхідно створити максимальну щільність баріонної матерії , ту, яка існує в нейтронних зірках. Для вивчення саме цих процесів у максимальній баріонній щільності не потрібна максимальна енергія, як на БАКУ або на Брукхейвенській машині. директор лабораторії високих енергій ОІЯД Володимир Кекелідзе.

Головна відмінність російського колайдера від швейцарського полягає в тому, що в ЦЕРН основні сили кинуті на пошуки невловимого бозона Хіггса. Частинки, що дає масу решті частинок.

Росія ж на своїй установці вивчатиме іншу сферу виникнення Всесвіту кілька мільярдів років тому: формування з кварків і глюонів частинок баріонної матерії. Тобто нашого з вами світу.

"Теоретики сформулювали ті умови, за яких було можливе формування Всесвіту тим шляхом, яким воно пішло. А умови дуже прості - певна температура (або енергія) частинок і щільність ядерної речовини. Коли теоретиками були сформульовані ці умови, стало зрозуміло, який експеримент можна поставити у лабораторних умовах у нас на Землі, щоб спробувати змоделювати ті умови, які були на ранніх етапах формування Всесвіту», — каже заступник головного інженера ОІЯД, член-кореспондент РАН Григорій Трубніков.

Саме НІКА дозволить вченим наблизитися до умов виникнення "Великого вибуху", від якого, на думку фізиків, і з'явився наш Всесвіт.

"Для цього потрібна чітко певна енергія, потрібно розігнати важкі ядра, ми вибрали золото по золоту, бо це легше технологічно зробити. На базі нуклотрону і створюється колайдер. Перший розгінний блок буде нуклотрон, лінак, потім пучки будуть виведені та буде організовано зустріч двох пучків у двох місцях. В одному ми вивчатимемо важку іонну програму, намагатимемося досягти тієї максимальної щільності баріонної матерії і дивитися, що з цього вийде. А в іншій вивчатимемо спинову фізику - теж не менш цікавий проект", - пояснює Володимир Кекелідзе.

За допомогою НІКІ вчені сподіваються розкрити структуру Всесвіту та таємниці її фундаментальних сил: темної матерії, темної енергії, чорних дірок, "кротових нір" та екстра-вимірювань.

"Коли ви знаєте, як утворювалася речовина, як утворювалася матерія, як вона формувалася, ви можете прогнозувати, що буде з цією матерією, як вона далі розвиватиметься, як вона розпадатиметься і гине. Взагалі, це фундаментальні питання, які дадуть відгадки до розумінню еволюції нашого Всесвіту", - вважає Григорій Трубніков.

Сьогодні наукова програма НІКА сповнюється новими ідеями. Параметри установки, а це – висока енергія, колосальна щільність речовини та різноманітність сортів досліджуваних частинок – відкривають можливості для вирішення цілого ряду прикладних завдань.

Але головне, що колайдер працюватиме у нас у країні, а не за кордоном. І молоді російські вчені отримають гарну та цікаву роботу у себе вдома.

Запуск першого етапу проекту НІКА планується за два роки. А вже до 2017 року ядерники з Дубни чекають на початок роботи всього комплексу.

Один із елементів Нуклотрону

Фізики з Об'єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні та їхні зарубіжні колеги розпочали експерименти за програмою колайдера важких іонів NICA, хоча сам колайдер і навіть будівля для нього поки що не збудовані – експерименти йдуть на прискорювачі Нуклотрон, де вчені зіштовхують ядра вуглецю та водню, повідомив N+ 1 керівник проекту NICA Володимир Кекелідзе.

Колайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) будують в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні з 2013 року, в цьому унікальному прискорювачі стикатимуться пучки важких іонів. Головне завдання установки – дослідження кварк-глюонної плазми. Це екстремальний станречовини, де кварки та глюони, з яких складаються протони та нейтрони, можуть перебувати у вільному стані. Як вважають учені, кварк-глюонна плазма існувала у перші миті після Великого вибуху. Колайдер будується на базі існуючого надпровідного прискорювача Нуклотрон, який стане «першим щаблем» майбутньої установки.

Схема колайдера NICA

«NICA поки ще не збудовано, навіть будівлю, де вона буде розташована, закінчать тільки в наступному році. Але експерименти розпочалися у рамках наукової програми NICA, вона має кілька етапів. Один із етапів - не на колайдері, а на прискорювачі з фіксованою мішенню», - сказав Кекелідзе.

З Нуклотрона, де розганяються важкі ядра, виведено кілька ліній і є мішені, з якими стикаються іони. В рамках програми NICA було запущено один експеримент - Baryonic Matter at Nuclotron ( [email protected]). Ядра вуглецю розганяються і стикаються з кріогенною мішенню - рідким воднем. «Це дослідження дозволяє нам знизу розширити енергетичний діапазон досліджуваних процесів, це нижча енергія. Це край нашого діапазону енергії, а колайдер буде „згори“. У цьому першому експерименті ми вирішуємо найцікавіше завданнявивчення взаємодії протонів у ядрі в той момент, коли сили тяжіння, пов'язані з сильною ядерною взаємодією, змінюються відштовхуванням», - пояснює Кекелідзе.

За його словами, цей експеримент можна здійснити лише на нуклотроні, тож у ньому беруть участь вчені з американської лабораторії імені Джефферсона, п'яти. американських університетів, включаючи MIT, університет Тель-Авіва, ряд інститутів з Німеччини та Франції. Надалі подібні експерименти будуть проводитися з ядрами аргону та криптону, і тут фізики вже підійдуть ближче до народження кварк-глюонної плазми, яку досліджуватиме колайдер NICA. Будівництво коллайдера планується закінчити у 2020-2021 роках.

Сергій Кузнєцов