Наш коллайдер

Два миллиарда ионов золота помчатся почти со скоростью света, начнут сталкиваться семь тысяч раз в секунду, и их буквально порвет на кварки… Суперколлайдер NICA на сегодня один из самых ярких проектов в области экспериментальной физики. В подмосковном городе Дубна, в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ), над ним работают ученые из 18 стран мира. Возможно, именно этот проект позволит нам понять, как зарождалась Вселенная

Кости динозавра

Дубна — уникальный город. Здесь в 1957 году был построен самый мощный в мире ускоритель — синхрофазотрон. Он занимает отдельное здание на территории Объединенного института ядерных исследований и уже отработал почти полвека. Здание округлостью форм и куполом напоминает храм.

Я поднимаюсь по специальной лесенке и шагаю по тому, что осталось от легендарной установки, — по кольцу магнитов массой 36 тыс. тонн. Их даже в Книгу рекордов Гиннесса внесли. При строительстве синхрофазотрона, чтобы их подвозить, прямо в здание провели железную дорогу. Шагать просторно. Диаметр этого кольца равен половине беговой дорожки на самом большом стадионе страны, в Лужниках, а высота — пятиэтажному дому.

Мой экскурсовод, замначальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Анатолий Сидорин, рассказывает:

— Синхрофазотрон потреблял во время работы столько энергии, сколько в сутки требовалось на бытовые нужды всей Дубне. В 1993 году был построен новый ускоритель — нуклотрон, в десятки раз меньше синхрофазотрона, но в чем-то даже эффективнее. Некоторое время два ускорителя работали попеременно. Потом наступили тяжелые времена, институт не смог больше платить за электричество, синхрофазотрон волевым решением отключили. Это случилось в 2002 году, некоторое время бедняга погибал, заброшенный и забытый. В 2007 году его частично начали демонтировать. А теперь на останках этого динозавра планируется построить суперколлайдер NICA.

Кипящая кастрюля

Сталкивать на NICA будут ядра золота, или, по-другому, тяжелые ионы. Возьмут вольфрамовую проволоку, покроют золотым напылением, воткнут в розетку, чтобы нагрелась до 1600 градусов, ударят по ней лазером, золото испарится в виде газа, и вытащенные из газа ионы можно будет отправлять на ускоритель. Чтобы они там сталкивались и из них вылетали кварки.

— Много золота вам понадобится?

— Нет. По бытовым меркам его совсем немного надо, — говорит Сидорин. — Моего обручального кольца, например, хватит на тысячи лет.

Я хочу понять, почему нельзя столкнуть ядра золота на Большом адронном коллайдере (по-английски — Large Hadron Collider, LHC) и понадобилось строить еще один дорогостоящий ускоритель. Мне объясняют, что на LHС слишком большие скорости для нужного эксперимента.

Представим, что мы хотим изучить, как колеблется поверхность воды во время кипения. Если взять слабый нагреватель, то вода может никогда не закипеть. А если взять тонну взрывчатки и взорвать под кастрюлей, то вода мгновенно испарится. Так и на ускорителе. Если столкнуть частицы слишком слабо, то ядра не разорвутся. А если слишком сильно, то никто не успеет ничего понять.

Путь одного иона

Необходимые для экспериментов на NICA ионы золота (это такие атомы, с которых ободрали все электроны) рождаются в специальном источнике. Вот вакуумная камера, в ней мишень. Лазер стреляет по мишени, она испаряется. Образуется ионизированный газ. Из этого газа магнитное поле, как пылесос из пыльного ковра, вытягивает ионы и электроны.

Дальше, как я понимаю, им дают электромагнитного пинка в здоровенной железной бочке с выходящей из нее горизонтальной трубой. Это линейный ускоритель. Воздух полностью откачан, чтобы ядра не тормозили, сталкиваясь с его молекулами.

Затем электромагнитные линзы сжимают и разжимают пучок частиц, заставляя его мчаться дальше, в бустер. Слово «бустер» дубнинские ученые повторяют очень часто. В словаре оно переводится как «вспомогательное устройство для увеличения силы и скорости действия основного механизма». Грубо говоря, это промежуточный ускоритель. Выглядит он как кольцо.

В бустере сверхпроводящие магниты. Их задача — создавать мощные поля, чтобы пучки бегали по кругу, и делать пучки еще плотнее. Можно сказать, они играют роль тренеров тяжелых ионов. Пока частицы бегут, в их ряды врывается ледяной пучок электронов. Какое-то время они летят все вместе, перемешавшись, чтобы ионы с помощью электронов успели охладиться.

Освежившись, ионы вылетают в нуклотрон. Это еще один тип ускорителя, который будет входить в комплекс NICA. Здесь магнитное поле заставляет частицы носиться по кругу организованными группами, а электрическое поле высокой частоты увеличивает их энергию. Сделав несколько миллионов оборотов, они почти достигают скорости света.

Впереди их ждут третье и четвертое кольца — коллайдер.

Итак. Пролетает один пучок, потом к нему добавляется второй, третий, четвертый. Они сталкиваются друг с другом в точках, где кольца пересекаются. А рядом наготове детекторы. Они будут похожи на торт «Наполеон», где каждый слой измеряет свои частицы, свои энергии, свои характеристики. Два миллиарда ионов мчатся со скоростью 300 тыс. километров в секунду, сталкиваются семь тысяч раз в секунду, и их буквально рвет на кварки…

Свободу кваркам!

Ученые предполагают, что в первые 10^-10 –10^-6  секунды после Большого взрыва существовали в полном одиночестве лишь самые элементарные частицы: кварки и «склеивающие» их глюоны. Они варились в очень плотной каше — кварк-глюонной плазме. Температура кипения частиц составляла несколько триллионов градусов. Жарковато, да?

— Потом они начали становиться кирпичиками для строительства нейтронов и протонов. Увидеть свободные кварки с тех пор можно только при эксперименте. А в природе они существуют исключительно в состоянии конфайнмента, что в переводе с английского означает «тюремное заключение», — рассказывает Анатолий Сидорин.

— И какое отношение это имеет к будущему коллайдеру? — уточняю я.

— Физики будут пытаться с его помощью добыть и изучить смешанную фазу, состоящую из обычной материи и кварк-глюонной плазмы. Это когда после Большого взрыва одновременно существовали и свободные кварки с глюонами, и нейтроны с протонами. Считается, что кварк-глюонная плазма просуществовала миллионные доли секунды и стала строительным материалом для всего нашего мира. Поэтому нам интересен момент перехода от смешанной фазы к чистой плазме.

— То есть эксперименты на NICA, возможно, прольют свет на тайну происхождения Вселенной?

— Совершенно верно.

— А правда, что область перехода, соответствующую смешанной фазе, называют «дубнинской поляной»?

— Действительно, наши теоретики внесли огромный вклад в развитие представлений об этом явлении, и мне приходилось встречать такое название в популярных статьях. Наверное, журналисты ее так окрестили.

От котлована до собора

Год назад на месте, где должны находиться два кольца коллайдера, был заросший сосновым лесом пустырь. Сейчас территорию очистили, а в сентябре начали перенос инженерных коммуникаций из зоны строительства. Установка должна быть полностью готова к 2019 году. NICA благополучно вошла в список трех проектов класса «мегасайенс», которые будут финансироваться по программе правительства России, и должна в 2016 году получить 7,5 млрд рублей. Это примерно половина необходимой суммы. Пока строительство коллайдера финансирует сам ОИЯИ. Но, поскольку это международная научно-исследовательская организация, в проект, кроме России, вкладываются еще 17 стран.

— Большой адронный коллайдер состоялся, потому что стал символом объединения Европы. Он создавался параллельно с возникновением евро, открытием Шенгенской зоны. Синхрофазотрон состоялся, потому что олицетворял мощь Советского Союза. Почему должен состояться проект NICA?

— Я думаю, пока еще рано определять символическое значение этого проекта, — задумывается Сидорин, — пусть сначала состоится. Все-таки Адам Смит погорячился, когда сказал, что капитал движет человечеством. Нет. Главная цель в жизни человечества — это построить Кельнский собор, египетскую пирамиду. Что-то бессмысленное с утилитарной точки зрения и поэтому вечное.

Опубликовано в журнале "Кот Шрёдингера" №1 (01) октябрь 2014 г.

_{Подписаться на «Кота Шрёдингера»}