Взрыв Вселенной повторят в Дубне

Мы до сих пор гордимся нашим первым спутником и синхрофазотроном. Благодаря таким сложным, почти фантастическим проектам технический прогресс достиг высот, о которых 50 лет назад люди даже и не мечтали.

Накануне была официально объявлена предполагаемая дата запуска первого пучка протонов по большому кольцу Большого адронного коллайдера в Женеве. Это случится 10 сентября, а уже в ближайшую субботу учёные планируют впрыснуть пучок частиц в один из секторов ускорителя. Вместе с тем, проект LHC, пугающий впечатлительный народ слухами о черных дырах и провалах во времени, всё ещё кажется фантастикой. Тем не менее, создание коллайдера в Женеве уже вызвало к жизни целый ряд свежих технологических идей, в числе которых совершенно новая информационная среда GRID, уже опутавшая своей сетью Америку, Европу и Азию.

Ни один ускоритель мира не может рассчитывать на одинокое существование, поскольку результаты экспериментов нужно проверять и перепроверять на его родственниках и конкурентах – других подобного класса машинах. Слишком тонкое дело смотреть вглубь ядер атомов, легко ошибиться. Хотя ускорители строят не столько для проверки чьих-то результатов, сколько для раскрытия хорошей фундаментальной идеи.

России не занимать опыта в осуществлении хороших идей. Поэтому исследовательская группа международного исследовательского центра Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) под руководством академика Алексея Сисакяна

замахнулась на многообещающий проект под именем NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) – проект создания в Дубне сверхпроводящего высокоэнергетического ускорительного комплекса тяжелых ионов на встречных пучках.

Идея встречных пучков – дерзка сама по себе. Но она еще 45 лет назад была воплощена в России группой академика Герша Ицковича Будкера, несмотря на былой скепсис и обвинения в авантюризме со стороны маститых экспертов. На этой идее вырос Институт ядерной физики имени Будкера в новосибирском Академгородке, и большинство экспериментальных результатов в физике высоких энергий получено именно в столкновениях встречных пучков. Сегодня мощный сибирский центр физики ускорителей, поставивший в Женеву больше оборудования для LHC, чем все американские лаборатории вместе взятые, вместе с физиками Дубны включается и в проект NICA.

Чем займётся NICA на «Дубнинской поляне»

Когда случилось то, что мы сегодня называем Большой взрыв, и вдруг появилась наша Вселенная, то она в первые микросекунды представляла собой чудовищной плотности и температуры клубок частиц, взаимодействовавших друг с другом. Протоны и нейтроны сложились в ядра только минуты через три, а на образование атомов ушло 300 тысяч лет. Теория предполагает, что в те первые микромгновения кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, гуляли сами по себе в свободном состоянии, образуя кварк-глюонную плазму, или лучше сказать – материю. Астрофизики считают, что в наше время с кварк-глюонной материей связаны тайны нейтронных звезд.

Долгое время кварк-глюонную материю представляли чем-то вроде слабо взаимодействующего газа из кварков и глюонов, но потом выяснилось, что это скорее жидкость. Ещё в 2001–2002 годах физики, пытавшиеся создать кварк-глюонную плазму на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в американском Брукхейвене, выяснили, что сильные потоки адронов хорошо описываются уравнениями идеальной жидкости. А открытием номер один 2005 года, по классификации Американского института физики, стал поначалу казавшийся невероятным факт, что кварк-глюонная плазма представляет собой самую идеальную жидкость из всех нам известных.

Есть гипотеза, что подобно кипению воды, когда одновременно в кастрюле бурлят вода и пар, у кварк-глюонной материи тоже существовала смешанная фаза.

Группа дубнинских теоретиков во главе с профессором Вячеславом Тонеевым в своих расчетах исходит из того, что смешанная фаза адронной материи должна включать одновременно, с одной стороны, свободные кварки и глюоны, а с другой – протоны и нейтроны, внутри которых кварки уже связаны – «склеены» глюонами.

Если посмотреть на фазовую диаграмму в координатах температура – плотность барионов, то, утверждает соруководитель проекта NICA, заместитель директора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ профессор Александр Сорин, граница состояний «адронная материя» и «кварк-глюонная материя» представляет собой не тонкую линию, а целую область, размер и форму которой пока трудно предсказать. В этой области фазовой диаграммы, названной «дубнинская поляна», как раз и существует смешанная фаза адронной материи, считает профессор Сорин.

Экспериментаторы из Брукхейвена интересуются смешанной фазой, но при тамошних сверхвысоких энергиях пучков фазовый переход просто невозможно заметить. Это все равно, что мгновенно нагревать воду до 1000 градусов Цельсия – вода тут же превратится в пар без привычной нашему глазу картины кипения с выплескивающимися паром пузырьками.

Дубна же располагает нуклотроном – сверхпроводящим ионным синхротроном, диапазон энергий которого не превышает 5 ГэВ на нуклон и вполне подходит в качестве предускорителя коллайдера для поисков смешанной фазы адронной материи, считают дубнинские физики.

На базе нуклоторона, который ныне находится в стадии интенсивной модернизации, и планируется создание нового ускорительного комплекса, основанного на самых современных технологиях. Кстати, Большой адронный коллайдер в Женеве построен в соответствии с технологиями десятилетней давности – когда машина спроектирована и началось строительство, уже не до погони за новшествами.

Ускорительный комплекс NICA, строительство которого планируется завершить к 2013–2014 году, если вовремя подоспеет необходимое финансирование, будет представлять собой каскад четырех ускорителей.

Схематично работа его выглядит так. Источник тяжелых ионов KRION посылает «ободранные» от электронов ядра в линейный ускоритель, который будет сконструирован и построен специалистами Института физики высоких энергий из Протвино. Далее пучок попадает в бустер-синхротрон, где энергия частиц поднимается до нужной величины. Оттуда 30 сгустков из 10 миллиардов ядер в каждом спускаются в нуклотрон и, выстраиваясь там сверхпроводящими магнитами в тончайшую нить длиной 30 см, разлетаются в виде двух встречных пучков из 15 сгустков ядер – 15 сгустков в одно кольцо и 15 – в другое, расположенные в кольцеобразной камере длиной 225 метров. Суммарная энергия соударения двух тяжелых ядер составит 9 ГэВ на нуклон (одну ядерную частицу – нейтрон или протон) в системе центра масс.

Два кольца коллайдера пересекутся в двух точках, оснащенных детекторами. Один из них – многоцелевой детектор MPD (MultiPurpose Detector), который сможет засечь наличие смешанной фазы и все, что удастся обнаружить в этой области энергий. Руководит разработкой детектора профессор Владимир Кекелидзе – директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. Другой детектор предназначен для спиновой программы исследований. Детектор сможет обнаруживать частицы, вылетающие из точки соударения пучков по всем возможным направлениям. Это очень высокий уровень чувствительности, требующий принципиально новых технологических решений для создания такого прибора.

Взгляд со стороны

Интересуются проектом в Дубне и «конкуренты» – физики из Брукхейвена и Дармштадта. Проект FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) немецкого Института физики тяжелых ионов (GSI) предусматривает создание к 2015 году ускорительного комплекса практически с теми же параметрами, что и в Дубне, но не на встречных пучках, а с фиксированной мишенью. Длина окружности строящегося двойного кольца FAIR – 1100 м. Существующие ускорители вместе со строящимся линейным ускорителем протонов образуют систему инжекции пучка для новых колец FAIR. Пучок, бомбардирующий мишень, у FAIR должен иметь энергию 8,5 ГэВ (на нуклон в системе центра масс).

Но фиксированная мишень имеет один недостаток – она не позволяет получить полный обзор всех столкновений частиц.

В тени мишени могут оказаться как раз искомые события.

Летом Дубну посетили директор GSI Хорст Штокер и многолетний руководитель экспериментальной коллаборации STAR в Брукхейвене Тимоти Холлман. Они осмотрели одну из основных частей комплекса NICA – нуклотрон, наследник знаменитого синхрофазотрона, – и смогли оценить на месте концептуальный план проекта NICA.

«Должен сказать, что параметры пучка частиц по диапазону энергий у комплекса NICA практически такие же, как в проекте FAIR, – признался Хорст Штокер после осмотра ускорительного комплекса. – Запланированная система двойных колец и суперпроводящий коллайдер – это будет, безусловно, хайтек, машина, которой еще не было. Отличие между нашими проектами в том, что у нас в Дармштадте мишень будет неподвижна, а в Дубне мишени не будет, потому что столкновение частиц будет происходить в точках пересечения встречных пучков. Светимости пучков FAIR будут значительно выше. У встречных же пучков – свои преимущества. Вполне возможно, что NICA сможет опередить FAIR на пару лет, если получит необходимое финансирование».

Физика высоких энергий – это не сапожное ремесло, где выигрывает тот, кто придумал раньше всех удобный и броский фасон. Здесь тоже есть конкуренция, но достижения фундаментальной науки становятся не брендом, на котором можно хорошо заработать, а бесплатным достоянием всего человечества – как, например, законы Кеплера и Ньютона.

Экспериментальные приборы в физике высоких энергий – самые дорогие в науке. Поэтому конкуренция в создании ускорителей относительна. Конечно, страна, владеющая таким прибором, имеет преимущества перед остальными хотя бы в том, что ее ученые граждане работают на своей территории и привлекают к дорогому прибору научный люд со всего мира. Имеет значение, кто раньше получит весомый фундаментальный результат, как, например, недавнее открытие в Дубне 118-го элемента таблицы Менделеева, опередившее подобный результат американских исследователей. Тут дело в почете. Но сам факт открытия требует проверки и не будет признан, пока другие экспериментальные группы не подтвердят его. Так что конкуренция волей-неволей приводит к необходимости сотрудничества. Это особенно ярко проявляется в исследованиях явлений на сверхмалых масштабах – как в проекте NICA.

«Явление, которое мы собираемся исследовать, очень сложное, и шансов для успеха при работе в одиночку чрезвычайно мало, – говорит о проекте NICA его руководитель, директор ОИЯИ, академик Алексей Сисакян. – Поэтому чем больше «поисковых групп» будет этим заниматься, тем больше шансов. Те же явления намерены изучать американцы в проекте RHIC Брукхейвенской лаборатории, и немцы в проекте FAIR Института физики тяжелых ионов в Дармштадте.

Не останется в стороне и Европейский центр ядерных исследований, готовящий к запуску свой Большой адронный коллайдер.

И мы рассматриваем наших коллег не как конкурентов, а как союзников и партнеров. Ведь у нас одна цель – снять завесу с тайны чрезвычайно сложного явления. Нашей задачей в Дубне будет провести систему последовательных качественных экспериментов с помощью многоцелевого детектора. Эксперименты должны пролить свет на состояние ядерной материи в диапазоне энергий коллайдера NICA и дать физикам почву для размышлений. Поэтому результаты экспериментов будут востребованы и ценны для науки независимо от того, посчастливится ли нам обнаружить смешанную фазу или нет».

«В мире существует не одно место, где пытаются заниматься той же физикой, – поясняет профессор Ицхак Церруя, заведующий отделом физики частиц в знаменитом израильском Вейцмановском институте и член международного координационного комитета проекта NICA. – Так что идея дубнинских физиков – не безумие, многие в мире интересуются этими вещами. Несомненно, проект NICA представляет большой научный интерес. NICA конкурирует с FAIR. Что касается RHIC, то программа там другая. Я сказал бы наоборот: это RHIC вступает в конкуренцию с проектами FAIR и NICA, потому что RHIC построен для других вещей, и пока неясно, смогут ли там сделать то же, что планируется в проектах FAIR и NICA».

«Конечно, мы конкуренты, – считает представляющий проект FAIR профессор Хорст Штокер. – Исследователи всегда конкурируют, если они хорошие исследователи. Но это дружеская конкуренция».

Тимоти Холлман из Брукхейвена формально хотя и конкурент Дубны, но тоже считает, что широкое международное сотрудничество в проекте NICA просто необходимо: «Сегодня физические эксперименты так сложны и так масштабны, что нужны ресурсы международного сообщества, чтобы построить такую установку, как NICA. Привлечение к проекту физиков из разных стран уплотнило и обогатило бы его научную концепцию. Я бы ожидал, что многие страны Европы, например, Германия, Италия, а также, вероятно, Китай стали бы участвовать в этом проекте. В этом случае проект, безусловно, был бы абсолютно реалистичен».

Что мы получим от проекта NICA

Решение фундаментальной задачи, заложенной в проекте NICA, не только открывает новые горизонты нашему взгляду на мир, позволяя разобраться в эволюции Вселенной, но и создает основу для развития новых технологий на сверхмалых масштабах: «Очень важное достоинство таких проектов в том, что они поднимают на новый уровень технологии и привлекают молодежь в науку, поднимая уровень образования общества», – говорит профессор Штокер.

Немного найдется молодых людей, которые не мечтали бы проявить себя в интересном и захватывающем деле, сулящем перспективы и для духовного, и для материального роста. Опыт осуществления в мире крупных научных и технологических проектов показывает, что они приносят двойную пользу стране, когда не только выводят ее на новый технологический уровень, но и создают особую атмосферу вокруг своей деятельности.

«Есть ли необходимость у мирового физического сообщества в проекте NICA? Я думаю, что здесь даже не может быть вопросов, – уверен Ицхак Церруя. – Конечно, есть.

Я считаю, что в первую очередь этот проект является потрясающей возможностью для российской науки вновь возродиться и набрать силу.

Эта возможность поможет собрать силы всех воедино и вложить их в прорывной проект, который выведет российскую науку снова на лидирующие позиции в передовой области исследований. Когда дело тронется с места, я думаю, проект привлечет многие группы исследователей из Европы. Я не вижу для этого препятствий. Все двери открыты, и физики других стран обязательно придут».

Сегодня проект NICA находится в первой стадии своего развития. Готов концептуальный дизайн ускорительного комплекса и детектора MPD. До года 2009 будет длиться этап модернизации нуклоторона – доведение его параметров до предельно возможных. Одновременно идет работа над техническим проектом ускорительного комплекса и разработка модельных прототипов детектора и деталей коллайдера. Затем планируется стадия конструкторской разработки проекта и строительство бустера и колец коллайдера. Эти работы должны завершиться к 2012 году. В период с 2010 до 2013 года будет идти монтаж приборов, а в 2014, если все пойдет по плану, комиссия сможет принять новый ускорительный комплекс, чтобы начать на нем первые эксперименты.

«Проект вполне может быть осуществлен, поскольку нет концептуальных проблем, которые помешали бы это сделать, – подтверждает член международного координационного комитета проекта Ицхак Церруя. – Как сделать – известно. Нужны лишь ресурсы. Мне кажется, проект мог бы заинтересовать очень многих. Однако люди обычно имеют старые контракты во многих местах, так что все зависит от того, насколько широкий круг задач на установке NICA можно было бы изучать параллельно с другими проектами».

Ситуация в мировой физике высоких энергий сегодня такова, что основные кадры сосредоточены в небольшом количестве крупных научных центров. Количество молодых людей в науке значительно сократилось во всех развитых странах. Английский физик-ядерщик Билл Джонсон на конференции в Дубне рассказал, что в Великобритании сегодня ядерной физикой занимаются всего 60 человек. По словам члена международного координационного комитета проекта NICA, киевского профессора Геннадия Зиновьева, который от имени комитета вел переговоры с финскими руководителями науки об участии Финляндии в проекте Дубны, финская наука заполнена русскими и индусами на 90%. Финны там представлены лишь парой руководителей и одним инженером.

Заставляет задуматься рассказ профессора Штокера. По его словам, в последние годы в связи с развитием проектов FAIR и LHC немецкая наука сильно оживилась за счет притока молодежи. Хорст Штокер считает, что молодежь в науку привлекает развитие прикладных направлений фундаментальных исследований, в которых рождаются высокие технологии, и предлагает сильнее вовлекать молодежь в международное научное сотрудничество.

«Идея проекта NICA состоит в том, что крупным мировым научным центром должна быть Дубна,

– поддерживает эту мысль профессор Зиновьев. – Вот, например, поляки заполнили почти целиком две маленькие коллаборации в Брукхейвене и массово участвуют в больших коллаборациях по всему миру. Так вот, Дубну тоже нужно сделать интересной для них. Это может сделать только самый современный высокотехнологичный проект, основанный на революционных научных идеях.

Довольно много российских институтов участвуют в FAIR, потому что Россия выделила огромные деньги для поддержки этого проекта.

Важно, чтобы государство теперь выделило такие же деньги для поддержки исследований в Дубне, у себя на родине.

Проекты соревнуются, но в этом и прелесть. Дубна ведь еще имеет свободу маневра в смысле научной программы и технического оборудования, а FAIR – уже нет. А ведь без таких «каркасных» проектов, как NICA, в России невозможно создать базу для инновационного прорыва в экономике, невозможно привлечь в науку молодежь».

Одежду, в которой нуждается человек на протяжении своей жизни, невозможно заменить лишь норковой шубой, потратив деньги один раз и на всю жизнь. Все-таки спать лучше в пижаме, а тренировать мышцы – в спортивном костюме. По той же причине все приборы, необходимые ученым для познания мира, тоже невозможно заменить одним, хоть и дорогим ускорителем, как, например, Большой адронный коллайдер.

Если российское правительство поддержит развитие проекта NICA в Дубне, то у российских молодых ученых появится уникальная возможность заниматься любимым делом у себя на родине. По словам профессора Церруя из Израиля, такая возможность сегодня мало у кого есть в мире.