Коллайдер в России. Проект NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯ…

Коллайдер в России ускоряет частицы во встречных пучках (коллайдер от слова collide, в переводе — сталкиваться). Он нужен, для того чтобы изучать продукты ударений этих частиц друг с другом, чтобы ученые придавали сильную кинетическую энергию элементарным частицам вещества. Они также занимаются столкновениями этих частиц, направляя их друг против друга.

История создания

Коллайдеры бывают нескольких видов: кольцевые (к примеру, БАК — Большой адронный коллайдер в европейском CERN), линейные (проектируемый ILC).

Теоретически мысль воспользоваться столкновением пучков появилась пару десятков лет назад. Видероэ Рольф, физик из Норвегии, получил еще в 1943 году патент в Германии на идею сталкивающихся пучков. Его опубликовали лишь через десять лет.

В 1956 году Дональд Керст сделал предложение об использовании столкновения протонных пучков, для того чтобы изучать физику элементарных частиц. В то время как Джерард О’Нил подумал воспользоваться накопительными кольцами, для того чтобы получить интенсивные пучки.

Активно же работы над проектом по созданию коллайдера стартовали одновременно в Италии, Советском Союзе и Соединенных Штатах (Фраскати, ИЯФ, SLAC). Первым коллайдером, который удалось запустить, стал электроно-позитронный AdA, руководил постройкой которого Тушекаво Фраскати.

При этом первый результат опубликовали только через год (в 1966-м), по сравнению с результатами наблюдения за упругим рассеянием электронов на ВЭП-1 (1965-й, СССР).

.

Адронный коллайдер в Дубне

ВЭП-1 (встречные электронные пучки) — это машина, которая была создана под четким руководством Г. И. Будкера. Еще через некоторое время пучки были получены в ускорителе Соединенных Штатов. Все эти три коллайдера являлись проверочными, они послужили для демонстрации возможности исследований физики элементарных частиц на них.

Первым же адронным коллайдером является ISR — протонный синхротрон, который запустили в 1971 году CERN. Его энергетической мощью было 32 ГэВ в пучке. Это был единственный работающий линейный коллайдер в девяностых годах.

После запуска

Новый комплекс ускорения создается в России, на базе Объединенного института ядерных исследований. Называется он NICA — Nuclotron based Ion Collider facility и располагается в Дубне. Целью постройки является изучение и открытие новых свойств плотной материи барионов.

После того как машина запустится, ученые объединенного Института ядерных исследований в подмосковной Дубне будут способны создать определенное состояние вещества, которым и была Вселенная в самые первые ее мгновения после Большого взрыва. Это вещество называется кварк-глюонной плазмой (КГП).

Строить комплекс на режимном объекте начали в 2013 году, а запуск планируется уже в 2020 году.

Главные задачи

Специально ко Дню науки в России сотрудники ОИЯИ приготовили материалы для обучающих мероприятий, предназначенных для школьников. Тема называется «NICA — Вселенная в лаборатории». Видеоряд с участием академика Григория Владимировича Трубникова поведает о будущих исследованиях, которые будут проводиться на адронном коллайдере в России в сообществе с другими учеными из самых разных стран мира.

Самой главной задачей, которая стоит перед исследователями в этой области, является изучение следующих направлений:

1. Свойства и функции тесных взаимодействий элементарных составляющих стандартной модели физики частиц между собой, то есть изучение кварков и глюонов.
2. Нахождение признаков перехода фаз между КГП и адронной материей, а также поиск неизвестных ранее состояний материи барионной.
3. Работа с основными свойствами тесных взаимодействий и симметрии КГП.

Важное оборудование

Суть адронного коллайдера в комплексе NICA — обеспечение большого пучкового спектра: от протонов и дейтронов, к пучкам, которые состоят из гораздо более тяжелых ионов, таких как ядро золота.

Тяжелые ионы будут ускорены до состояния энергии вплоть до 4,5 ГэВ/нуклон, а протоны — до двенадцати с половиной. Сердце коллайдера в России — ускоритель Нуклотрон, который действует еще с девяносто третьего года прошлого века, но был значительно ускорен.

В NICA-коллайдере предусмотрели несколько путей взаимодействия. Один для того, чтобы изучать на детекторе MPD то, как сталкиваются между собой тяжелые ионы, а другой — для проведения экспериментов с поляризованными пучками на SPD-установке.

Завершение строительства

Было отмечено, что в первом эксперименте принимают участие ученые из таких стран, как США, Германия, Франция, Израиль и, конечно же, Россия. Сейчас на NICA проводятся работы по установке и приведению в активное рабочее состояние отдельных частей.

Здание под адронный коллайдер завершат в 2019 году, а монтаж самого коллайдера будет производиться в 2020 году. В этот же год начнутся исследовательские работы по изучению столкновения ионов большого веса. В полную силу все устройство будет работать в 2023 году.

Коллайдер в России — это только один из целых шести проектов в нашей стране, которым был присвоен класс megascience. В 2017м правительством было выделено почти четыре миллиарда рублей на строительство этой машины. Стоимость же базовой постройки машины была оценена специалистами в двадцать семь с половиной миллиардов рублей.

Новая эра

Владимир Кекелидзе — директор физиков в лаборатории высоких энергий ОИЯИ считает, что проект коллайдера в России даст стране возможность подняться на самые высокие позиции в области высокоэнергетической физики.

Недавно были открыты следы «новой физики», которые зафиксировад Большой Адронный Коллайдер и они выходят за рамки Стандартной модели нашего микромира. Было заявлено, что недавно открытая «новая физика» не будет мешать работе коллайдера.

В одном из интервью Владимир Кекелидзе дал пояснение, что эти открытия не обесценят работу NICA, так как сам проект создан прежде всего, дабы понять, как именно выглядели самые начальные мгновения зарождения Вселенной, а также, что таких условий для исследований, какие имеются в Дубне, не существует больше нигде в мире.

Он же сказал, что ученые ОИЯИ осваивают новые грани науки, в которых они твердо намерены занять лидирующие позиции. Что наступает эра, в которой не просто создается новый коллайдер, а новая эпоха развития физики высоких энергий для нашей страны.

Международный проект

Со слов того же директора, работа над NICA, где находится адронный коллайдер, будет международной. Потому как исследования физики высоких энергий в наше время производятся целыми учеными коллективами, в которых состоят люди из самых разных стран.

В работе над этим проектом на режимном объекте уже приняли участие сотрудники из двадцати четырех стран мира. А стоимость этого чуда составляет, по примерным подсчетам, пятьсот сорок пять миллионов долларов.

Новый коллайдер также поможет ученым в проведении исследований в областях создания новых материй, материаловедения, радиобиологии, электроники, пучковой терапии и медицины. Кроме того, все это принесет пользу программам «Роскосмоса», а также переработке и утилизации радиоактивных отходов и созданию новейших источников техники криогена и энергии, которые будут безопасными в использовании.

Бозон Хиггса

Бозон Хиггса — это так называемые квантовые поля Хиггса, которые появляются с необходимостью в физике, а точнее, в стандартной ее модели элементарных частиц, как следствие хиггсовского механизма непредсказуемого нарушения электрослабой симметрии. Открытие его стало завершением стандартной модели.

В рамках этой же модели он отвечает за инертность массы элементарных частиц — бозонов. Поле Хиггса помогает объяснить появление инертной массы у частиц, то есть переносчиков слабого взаимодействия, а также отсутствие наличия массы у переносчика — частицы сильного взаимодействия и электромагнитного (глюон и фотон). Бозон Хиггса по своему строению являет себя как скалярную частицу. Таким образом, он обладает нулевым спином.

Открытие полей

Аксиоматизирован этот бозон еще в 1964 году физиком родом из Британии, по имени Питер Хиггс. Весь мир же узнал о его открытии через прочтение его статей. А спустя практически полсотни лет поисков, то есть в 2012 году, 4 июля была обнаружена частица, которая подходит на эту роль. Открыли ее в результате исследований на БАК, а ее масса равняется примерно 125-126ГэВ/c².

Полагать, что именно эта частица и есть тот самый бозон Хиггса, помогают довольно веские основания. В 2013 году, в марте, различные исследователи из ЦЕРН сообщили о том, что частица, которую нашли полгода назад, на самом деле является бозоном Хиггса.

Обновленная модель, включающая в себя эту частицу, дала возможность сконструировать квантовую перенормируемую теорию полей. А год спустя, в апреле, группа CMS сделала сообщение о том, что широта распада у открытого бозона Хиггса меньше, чем 22 МэВ.

Свойства частицы

Точно так же, как и любая иная частица из таблицы, хиггсовский бозон подвержен гравитации. Он обладает зарядами цвета и электричества, а также, как было упомянуто ранее, нулевым спином.

Существует четыре главных канала появления хиггсовского бозона:

1. После того, как произойдет слияние двух глюонов. Он является основным.
2. При слиянии пар WW- или ZZ-.
3. С условием сопровождения W- или Z- бозона.
4. С присутствующими топ-кварками.

Распад у него идет на пару b-антикварк и b-кварк, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с двумя нейтрино.

В 2017 году, в самом начале июля, на конференции при участии EPS, ATLAS, HEP и CMS было сделано сообщение о том, что наконец начали появляться заметные намеки на то, что бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-антикварк.

Ранее подобное было нереально увидеть своими глазами на деле из-за сложностей с отделением рождения тех же кварков иным образом от процессов на фоне. Стандартная физическая модель говорит о том, что такой распад является самым частым, то есть больше чем в половине случаев. В октябре 2017 года открылось уверенное наблюдение сигнала распада. Такое заявление сделали CMS и ATLAS в своих выпущенных статьях.

Сознание масс

Частица, открытая Хиггсом, является настолько важной, что Леон Ледерман (нобелевский лауреат) в заголовке своей книги назвал ее частицей Бога. Хотя сам Леон Ледерман в своем изначальном варианте предлагал «частицу Дьявола», но редакторы его предложение отвергли.

В средствах массовой информации это несерьезное название употребляется достаточно широко. Хотя многие ученые и не одобряют этого. Они считают, что гораздо более удачным было бы название «бозон бутыли шампанского», так как потенциал поля Хиггса напоминает дно этой самой бутылки, а открытие его определенно приведет к полному осушению многих таких бутылок.