Коллайдер в Дубне обрел «сердце», чтобы раскрыть тайны Вселенной

Фото: asgsuperconductors.com Магнитно-криостатная система для детектора MPD

Сотрудники Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) закончили установку магнитно-криостатной системы в Дубне, которая представляет собой «сердце» коллайдера NICA. Устройство весом 70 тонн прибыло в Россию из Италии еще в ноябре 2020 года, но из-за пандемии и ограничительных мер против коронавируса его монтаж неоднократно откладывался. Рассказываем, почему это важное научное событие и для чего вообще понадобился коллайдер NICA.

Приключения итальянского оборудования в России интересны сами по себе. На проектирование и разработку магнитно-криостатной системы ушло пять лет совместной работы международной команды специалистов. Из-за больших размеров и научной ценности сверхважный элемент коллайдера NICA везли с особой осторожностью из Италии исключительно по воде: груз проследовал по маршруту из Генуи до Санкт-Петербурга, а затем по Неве, Ладожскому, Онежскому, Белому озерам, через Рыбинское водохранилище и далее по Волге до порта Дубны. Как это все происходило, можно посмотреть здесь:

Сложность транспортировки состояла в том, что самая большая часть магнита, стальной вакуумный цилиндрический криостат диаметром более 5 м со сверхпроводящим соленоидом внутри, — крайне сложное и нежное устройство. Сверхпроводимость в соленоиде возникает при очень низких температурах, поэтому обмотка из ниобий-титановой проволоки охлаждается жидким гелием до температуры 40–80 °К. Для сохранности криостат пришлось поместить в большой металлический саркофаг и оснастить датчиками удара, чтобы быть уверенными, что магнит, собранный итальянскими инженерами по проекту русских конструкторов из компании «Нева-Магнит», доедет в целости и сохранности.

Для выгрузки научного груза весом 120 тонн в порту были задействованы кран и два тягача мощностью 680 л. с. каждый. До экспериментального павильона MPD саркофаг с магнитом везли на специальном автопоезде с большими предосторожностями. Для этого даже пришлось отключить электричество в половине наукограда: по ходу движения груза временно демонтировали электрокабели и другие городские коммуникации, мешающие проезду.

В тот день жители правобережья Дубны ради будущих научных достижений провели несколько часов без света, воды и отопления, так как все эти блага цивилизации также завязаны на электричество, которое отключили 6 ноября 2020 года.

Монтаж первых деталей для магнита был начат еще год назад, в июле 2020 года, в специальном месте для детектора MPD. За несколько недель были установлены опоры магнита — 13 плит ярма, а также собраны с высокой точностью два опорных кольца магнита MPD. На полную сборку оборудования понадобилось восемь месяцев. Если бы не коронавирус и сопутствующие ограничения, дело пошло бы быстрее. Но коллайдер NICA — это крупный международный проект, в котором участвуют более 40 институтов во всего мира, более 500 ученых с пяти континентов. Итальянской стороне долгое время не удавалось приехать в Россию на монтаж оборудования из-за бушевавшей в обеих странах пандемии: границы были на замке, наука стояла на паузе.

Как отмечают создатели коллайдера, соленоидальная катушка диаметром 5,6 м и длиной 8 м не только создает однородное магнитное поле в большом объеме, но служит также механической конструкцией для остальных элементов устройства. Другими словами, без этого соленоида невозможно строить сам детектор MPD и, разумеется, невозможно запустить коллайдер.

Что будет происходить внутри ускорителя, когда он, наконец, заработает? Два пучка частиц будут лететь навстречу друг другу и сталкиваться внутри этого магнита, в котором будут установлены детекторы столкновения частиц. Каждый детектор направлен на свою область энергии и отвечает за свою область физики. Ученые расшифруют эти данные и расскажут миру, что происходит при столкновении частиц, которое на микроуровне воспроизводит первые мгновения после Большого взрыва. Эти знания, как ожидается, продвинут физику элементарных частиц и астрономию на новый уровень.

В отличие от своего более мощного собрата, Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, коллайдер NICA рассчитан на получение максимально плотной плазмы — такой, какая была в начале нашего мироздания.

В народе говорят, что «фарш невозможно провернуть назад». Но ученые из ОИЯИ собираются сделать именно это — отмотать время на 14 млрд лет назад, чтобы заглянуть в первую микросекунду рождения мира. Физики уже хорошо и подробно изучили, как расширялась Вселенная с самой первой секунды, но они до сих пор не могут понять, что было раньше и было ли вообще. Коллайдер NICA должен стать эдакой научной «машиной времени», которая отправит нас к началу Вселенной и поможет ответить на так называемые «проклятые вопросы науки».

Один из них звучит парадоксально: почему вообще хоть что-то, кроме чистого света, существует в нашей Вселенной? В теории физики точно знают, что любое разделение симметрично. Всегда есть лево и право, плюс и минус, прошлое и будущее, и, согласно расчетам ученых, при рождении любой частицы неизбежно возникает симметричная ей античастица. Но где она? Как ее поймать? Что она собой представляет? Ученые ждут ответов от коллайдера NICA.

«Когда-то Вселенная была заполнена частицами и античастицами практически поровну, — объясняет ведущий канала "Наука", д. ф-м. н., завлабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института им. Лебедева РАН Алексей Семихатов. — На 1 млрд античастиц приходилась 1 млрд и 1 частица. Только одна лишняя частица на миллиард! Со временем каждая частица нашла свою античастицу, они проаннигилировали, то есть превратились в излучение, исчезли. И все, что мы видим сейчас, то, чем заполнен мир, — это как раз тот остаток, вот эта одна миллиардная. Но откуда она взялась — загадка. Слава богу, что она откуда-то взялась! Если бы этого исходного нарушения между частицами и античастицами не было бы, то не было бы и нас с вами просто, потому что не из чего было бы сложить мир». По-научному эта проблема называется «барионная асимметрия Вселенной».

В коллайдере NICA тяжелые ионы металлов будут сталкиваться друг с другом с тщательно подобранными энергиями, чтобы не разбиться вдребезги, а на мгновения «слипнуться». Ученые предполагают, что именно так удастся получить ту самую сверхплотную кварк-глюонную плазму, из которой, согласно гипотезам, состояла наша Вселенная в первую микросекунду мироздания. Если в кварк-глюонной плазме Большого взрыва проявилась асимметрия, то и в малом взрыве плазмы в коллайдере произойдет что-нибудь подобное — именно на это надеются физики.

Когда NIСА заработает, мы заодно узнаем, что творится внутри нейтронных звезд. Кварк-глюонная материя в них может образовываться под действием огромной гравитации. Вещество там просто раздавливает само себя: сначала отрицательно заряженные электроны вдавливаются в положительно заряженные протоны, и получаются нейтральные частицы — нейтроны. А если силы тяжести достаточно, нейтроны могут тоже не выдержать и раздавиться в холодную плотную кварк-глюонную плазму. Пока на Земле создать это уникальное состояние материи невозможно. Плотность глубоких слоев нейтронной звезды — не меньше 20 млрд тонн на 1 см³. Это все равно что озеро Байкал спрессовать в чайную ложку. Оценить плотность кварк-глюонной материи в каких-то привычных для нас осязаемых единицах ученые даже не берутся.

«Ускоритель NICA настроен на то, чтобы воссоздать, что творится при больших плотностях энергии, какие, возможно, существовали в начальных стадиях образования Вселенной, — рассказал каналу "Наука" Дмитрий Казаков, директор лаборатории теоретической физики ОИЯИ, д. ф-м. н., член-корреспондент РАН. — Мы хотим увидеть, что происходит там, где очень большие плотности материи. Нас интересуют большие плотности ядерной материи — больше, чем в обычных ядрах. Такая материя в обычной природе нам почти незнакома, мы с ней не сталкиваемся. Возможно, она есть в нейтронных звездах. Но нейтронные звезды — это тоже объект не каждого дня».

Коллайдеру NICA удалось стать флагманским международным проектом по исследованию кварк-глюонной плазмы потому, что энергии, до которых частицы разгоняются в Дубне, и раньше были почти подходящими для такой задачи.

Еще 65 лет назад советскими физиками был разработан ускоритель элементарных частиц — синхрофазотрон. С 1957 года он позволял разогнать протоны до невиданной на тот момент энергии — в 10 ГэВ. Этот удивительный прибор убирать не стали, технологически он обеспечивает устойчивость зданию, в котором будут работать кольца второй и третьей скорости «коробки передач» NICA — бустер и нуклотрон. Вес исторической конструкции — 36 000 тонн. Если ее разобрать, то нарушится стабильность строения, поплывут орбиты всех действующих здесь систем и установок. Кроме того, ученые ОИЯИ считают синхрофазотрон научным памятником человечества, который не должен быть уничтожен.

«В каком-то смысле оказалось удачным, что исторически существовавший синхрофазотрон давал как раз такую энергию ускоряемых протонов или ядер, что, если их запустить в кольца коллайдера, это, по существовавшим моделям, обеспечивало максимальную плотность, — рассказал каналу "Наука" д. ф-м. н. начальник отдела лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Юрий Куденко. — Так удачно получилось, что то, что было здесь в Дубне, если соорудить кольца, которые сейчас уже достраиваются, обеспечивает максимальную плотность».

Взрослые любят цифры. И вот вам несколько — для сравнения. Энергии, которых достиг к 2018 году самый мощный ускоритель современности Большой адронный коллайдер, выше в 700 раз, чем были у советского синхрофазотрона (10 ГэВ). Ускорителю NICA, чтобы получить сверхплотную кварк-глюонную плазму, столько не надо. Достаточно, чтобы каждый протон в составе тяжелых ионов, которые полетят по ускорительному кольцу, получил энергию в 11 ГэВ — чуть больше, чем было на синхрофазотроне.

Обыватель может воскликнуть: «Подумаешь, наука! Чуть-чуть улучшили железяку, которой больше 60 лет!» Но на самом деле решения, которые реализуются на ускорителе и детекторах коллайдера NICA — это вершина развития экспериментальных научных технологий. Если, конечно, все получится так, как предполагают ученые, и элементарные частицы будут им послушны.

Подробнее о работе коллайдера смотрите в фильме «Погоня за сверхплотностью. Научные сенсации» на канале «Наука».