Дубна строит свой коллайдер

Проект нового коллайдера NICA для изучения сложного и загадочного явления - смешанной фазы кварк-глюонной материи - появился совсем недавно и уже успел получить известность среди экспертов в области физики высоких энергий. Сверхпроводящий высокоэнергетический ускорительный комплекс тяжелых ионов на встречных пучках NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), как следует из его названия, базируется на ускорителе ядер - нуклотроне Лаборатории физики высоких энергий им. В.И.Векслера и А.М.Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Сильные научные школы и традиции Дубны, заложенные основателями международного ядерного центра на российской земле Н.Боголюбовым, Л. Блохинцевым, Г.Флеровым, И.Франком и другими крупнейшими учеными, стали базой для непрерывного развития института. Даже в самые сложные времена физики Дубны совершали восхождение к вершинам научного знания. Проект NICA - яркое продолжение этого пути. Проекты такого рода обычно долго созревают и реализуются десятилетиями. Состоявшийся в Дубне очередной круглый стол по обсуждению физической программы NICA (на снимке) продемонстрировал стремительные темпы развития и осуществления проекта высокотехнологичного ускорительного комплекса в России.

Россия хочет войти в группу лидеров инновационного развития, но это сложная задача, потому что быстро сдвинуть дело с мертвой точки могут только мощные научные проекты с дерзкой научной программой и высокими технологическими требованиями к технике и приборам. Именно они способны вызвать всплеск инновационного и промышленного развития.

Исследовательская группа Объединенного института ядерных исследований, международного научного центра в Дубне под руководством директора института академика А.Сисакяна замахнулась именно на такой смелый проект под именем NICA - проект создания сверхпроводящего ускорительного комплекса тяжелых ионов на встречных пучках. Эту суперсовременную машину физики Дубны и еще ряда российских институтов - ИЯИ РАН, ГНЦ ИФВЭ, ИЯФ им. Г.И.Будкера, НИИЯФ МГУ, ИТЭФ и других - планируют использовать для поиска смешанной фазы ядерной материи. Разработка проекта ведется с середины 2006 года в тесном сотрудничестве с ведущими институтами Российской академии наук, Росатома, Роснауки, Рособразования, МГУ и РНЦ "Курчатовский институт". В результате осуществления проекта будет создан уникальный ускорительный комплекс - каскад четырех ускорителей, один из которых уже существует и ныне действует. Это сверхпроводящий ионный синхротрон - нуклотрон.

Давно в России не строили ускорителей. Нуклотрон Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в Дубне, пожалуй, самый новый из них. Он с большим трудом и напряжением сил института был построен в сложные 1990-е и уже успел поработать в этом международном физическом центре на пользу мировой науки. Правда, из-за более чем скромного финансирования этот уникальный сверхпроводящий ускоритель не достиг тогда тех параметров пучка, для которых был задуман, - возможности доступного по тогдашним средствам вакуумного и криогенного оборудования не позволили "пойти вверх по энергиям". И вот теперь проект NICA вдохнул в нуклотрон новую жизнь и открыл перед физикой высоких энергий новые перспективы.

Исследование свойств ядерной материи - фундаментальная задача современной физики высоких энергий. Эксперименты здесь ведутся на сверхмалых масштабах, в миллион раз меньше нанометра. Решение же этой фундаментальной задачи не только открывает новые горизонты нашему взгляду на мир, позволяя разобраться в эволюции Вселенной, но и создает основу для развития перспективных технологий.

Есть гипотеза, что подобно кипению воды, когда одновременно в кастрюле бурлят вода и пар, у кварк-глюонной материи тоже существует смешанная фаза. Смешанная фаза адронной материи должна включать одновременно свободные кварки, глюоны и протоны с нейтронами, внутри которых кварки уже связаны, склеены глюонами. Если посмотреть на фазовую диаграмму в координатах температура-плотность барионов, то граница состояний "адронная и кварк-глюонная плазма" представляет собой вовсе не тонкую линию на этом графике, а целую область, размер и форму которой пока трудно предсказать. В этой области фазовой диаграммы, названной "дубненская поляна", как раз и существует смешанная фаза адронной материи.

Коллайдер NICA, строительство которого планируется завершить к 2015 году, схематично выглядит так. Источник тяжелых ионов KRION посылает ядра в линейный ускоритель, который будет создан специалистами Института физики высоких энергий из Протвино. Далее пучок попадает в бустер-синхротрон, где частицы разгоняются до нужной энергии. Оттуда 34 сгустка из 10 миллиардов ядер в каждом перемещаются в нуклотрон и, выстраиваясь там сверхпроводящими магнитами в тончайшую нить длиной 30 см, разлетаются в виде двух встречных пучков из 17 сгустков ядер каждый в свое кольцо ионного коллайдера длиной 225 метров.

Два кольца коллайдера должны пересечься в двух точках, оснащенных детекторами.

Один из них - многоцелевой детектор MPD (Multipurpose Detector). Он сможет выявить наличие смешанной фазы и ряд других закономерностей в этой области энергии. Детектор проектируется так, чтобы "засечь" частицы, вылетающие из точки соударения пучков по всем возможным направлениям. Для создания прибора с таким высоким уровнем чувствительности потребуются принципиально новые технологические решения.

Другой детектор планируется для спиновой программы исследований. Поляризация частиц - еще одна тайна мироздания. Теоретики Дубны лелеют надежду, что и эту тайну помогут раскрыть эксперименты на коллайдере NICA, проектируемом совместно со специалистами новосибирского Института ядерной физики им. Г.И.Будкера - первопроходцами ускорительных технологий на встречных пучках.

Работа в Дубне кипит. Полным ходом идет модернизация нуклотрона: принципиально улучшен вакуум в кольце, полностью модернизирован криогенный комплекс - сердце сверхпроводящего ускорителя. Обновлена система питания, устанавливается современное диагностическое оборудование, идет работа по созданию нового источника ионов. Параллельно продвигается разработка технического проекта ускорительного комплекса NICA и концептуального проекта экспериментальной установки.

В центре "NICA", созданном в рамках лаборатории, над проектом нового ускорительного комплекса и экспериментальных установок работают несколько групп высококлассных специалистов из разных лабораторий института. Это теоретики, программисты, специалисты по ускорительной технике, методисты и физики-экспериментаторы. Общее руководство центром осуществляет соруководитель проекта NICA, заместитель директора Лаборатории теоретической физики, профессор А.Сорин. Работами по созданию ускорительного комплекса руководит член-корреспондент РАН И.Мешков. Его ученик, заместитель главного инженера ОИЯИ Г.Трубников возглавляет процесс модернизации нуклотрона. Деятельность коллектива разработчиков многоцелевого детектора MPD направляет директор Лаборатории физики высоких энергий профессор В.Кекелидзе.

Строительство современных экспериментальных установок невозможно без детальной технической проработки, и лаборатория старается привлекать наиболее квалифицированных инженеров-конструкторов. Один из них, Николай Топилин, вернулся в Дубну из Швейцарии, где, работая в ЦЕРН, отвечал за создание торцевой калориметрии установки ATLAS на Большом адронном коллайдере. Сегодня он является главным конструктором комплекса NICA. То, что в Дубну возвращаются конструкторы, - хороший знак. Ведь именно они массово уехали на Запад, когда стала разваливаться российская наука. А там их высокая квалификация была и остается востребованной. Раз физики и инженеры едут в Дубну, значит, Объединенный институт ядерных исследований - на верном пути.

В сентябре в Лаборатории теоретической физики ОИЯИ прошел уже четвертый круглый стол, посвященный обсуждению физической программы коллайдера NICA. Создание ускорителя - дело живое, тесно связанное с течением реальных событий. Поэтому и программа такой машины, и, соответственно, концепция конструктивных элементов ускорительного комплекса находятся в динамике до самого начала строительства масштабного сооружения.

Весной нынешнего года вышла в свет первая версия издания "Белая книга проекта NICA". Книга постоянно пополняется новыми страницами и открыта для всех, кто хочет внести в нее свой вклад (http://theor. iinr.ru/twiki-cgi/view/NICA/ WebHome). Ее содержание как раз и представляет собой физическую основу программы экспериментов на проектируемом ускорительном комплексе. Собственно, для обсуждения этой программы и проводился четвертый круглый стол "Физика на коллайдере NICA". Ведь Дубна - неотъемлемая часть мирового научного сообщества, а это значит, что уровень исследований в Дубне, качество базовых установок должны быть самыми высокими и привлекать к совместной работе всех заинтересованных партнеров.

Для участия в разработке физической программы коллайдера в Дубну на круглый стол были приглашены 82 активно работающих в области физики тяжелых ионов эксперта из самых известных ядерных центров 16 стран мира (в том числе из шести государств - участников ОИЯИ и четырех ассоциированных членов института). Заинтересовались программой и методиками экспериментов на установке NICA и друзья-конкуренты - представители экспериментальных коллабораций ведущих крупных ускорителей, предназначенных для аналогичных исследований, - RHIC/BNL (США), SPS/CERN (Швейцария) и FAIR/GSI (Германия). Кстати, из Германии прибыла самая многочисленная иностранная делегация - девять экспертов, в числе которых был и руководитель коллаборации СВМ на установке FAIR профессор П.Зенгер.

Канвой для дискуссии за круглым столом стали тематические направления, заданные возможностями коллайдера NICA. Эксперты обсуждали: общие аспекты исследования ядерной материи в экспериментах по столкновению релятивистских тяжелых ионов; новые состояния ядерной материи при высоких барионных плотностях; локальное нарушение Р - и СР-четности в горячей ядерной материи (киральный магнитный эффект); электромагнитные взаимодействия и восстановление киральной симметрии; механизмы многочастичного рождения; корреляционную фемтоскопию и флуктуации; эффекты поляризации и спиновую физику на ускорителе NICA. Исходя из физической программы уточнялись детали стратегии развития многоцелевого детектора MPD и планируемого спинового детектора SPD.

Большую активность в разработке проекта проявили родственные ОИЯИ российские и зарубежные физические институты. Активно поддержала развитие проекта NICA в Дубне и российская научная диаспора за рубежом, в том числе выходцы из Дубны. Например, Брукхейвенскую национальную лабораторию (США) в дискуссии представлял руководитель теоретического отдела лаборатории профессор Д.Харзеев. И это показатель высокого, мирового уровня заявленных дубненскими физиками и инженерами возможностей для перспективных научных исследований.

Резюмируя итоги события, можно сказать, что в отношении целесообразности и осуществимости проекта NICA в мировом экспертном научном сообществе произошли существенные, качественные изменения по сравнению с недалеким прошлым. "Мы твердо поддерживаем реализацию проекта коллайдера NICA и убеждены, что если этот проект будет реализован в планируемые сроки, то он внесет выдающийся вклад в наши знания о свойствах сверхплотной материи... Уникальная возможность реализовать проект NICA в Дубне не должна быть упущена", - пришли к мнению участники дискуссии в совместном меморандуме по итогам обсуждения.

Развитие исследований в области физики тяжелых ионов будет поддержано в ОИЯИ также изданием нового научного журнала "Столкновения тяжелых ионов", первый выпуск которого появится уже в следующем году.

Подтверждением того, что Объединенный институт ядерных исследований стал играть еще более заметную роль на международной арене, стал выбор Дубны в качестве места проведения в 2010 году одной из самых значительных международных конференций в области тяжелоионных столкновений при высоких энергиях "Critical Point and Onset of Deconfmement". Эстафету Дубне передала Брукхейвенская национальная лаборатория.