Коллайдер NICA

Коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — это ускорительный комплекс, строящийся в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Московская область, Россия). Предназначен для изучения свойств плотной барионной материи и фазовых переходов в сильновзаимодействующем веществе (кварк-глюонной плазме) при высоких температурах и плотностях. Является одним из крупнейших научных проектов России в области физики высоких энергий.

История

Идея создания коллайдера для исследования кварк-глюонной плазмы в области высоких барионных плотностей возникла в начале 2000-х годов. В 2008 году ОИЯИ утвердил проект NICA, а в 2010 году началось его проектирование. Строительство началось в 2013 году. Первый этап — запуск бустерного синхротрона (Бустер) — был осуществлён в 2016 году. В 2020 году был запущен нуклотрон (Nuclotron) — существующий сверхпроводящий синхротрон, который был модернизирован для работы в составе комплекса. В 2023 году завершился монтаж первой очереди коллайдерного кольца. Полный ввод комплекса в эксплуатацию запланирован на 2025–2026 годы.

Устройство и принцип работы

Комплекс NICA состоит из нескольких основных компонентов:

• Источник ионов: создаёт ионы (например, золота, ксенона, аргона) с низкой энергией. В качестве источника используется дуоплазмотрон или электронно-лучевой источник.
• Линейный ускоритель (Linac): разгоняет ионы до энергии около 6 МэВ на нуклон.
• Бустерный синхротрон (Бустер): накопительное кольцо, в котором ионы дополнительно ускоряются до энергии 600 МэВ на нуклон. Бустер позволяет увеличить интенсивность пучка и улучшить его качество.
• Нуклотрон (Nuclotron): сверхпроводящий синхротрон с магнитным полем до 1,5 Тл. В нём ионы разгоняются до энергии 4,5 ГэВ на нуклон (для золота). Нуклотрон был создан в ОИЯИ в 1990-х годах и модернизирован для работы в составе NICA.
• Коллайдерное кольцо: два кольца длиной около 500 метров каждое, в которых пучки ионов движутся навстречу друг другу. В точках пересечения (детекторных залах) происходит столкновение пучков. Энергия столкновения в системе центра масс может достигать 11 ГэВ на нуклон (для золота).
• Система охлаждения пучков: для поддержания высокой интенсивности и качества пучков используется электронное и стохастическое охлаждение.

Научные задачи

Основная цель NICA — исследование фазовой диаграммы сильновзаимодействующего вещества (кварк-глюонной плазмы) в области высоких барионных плотностей, недоступной для других коллайдеров (например, LHC в ЦЕРНе или RHIC в Брукхейвене). Ключевые задачи:

• Поиск и изучение критической точки: точки на фазовой диаграмме, где заканчивается линия фазового перехода первого рода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой.
• Изучение свойств плотной барионной материи: исследование образования и распада странных частиц, гиперонов и их резонансов, а также возможных экзотических состояний (например, странной материи).
• Исследование флуктуаций и корреляций: измерение флуктуаций числа частиц и их корреляций для поиска признаков фазового перехода.
• Проверка предсказаний квантовой хромодинамики: экспериментальное тестирование современных теоретических моделей сильного взаимодействия.

Детекторы

На коллайдере NICA планируется установка двух основных детекторов:

• MPD (Multi-Purpose Detector): многоцелевой детектор, предназначенный для изучения столкновений тяжёлых ионов (золото-золото, ксенон-ксенон). Состоит из время-проекционной камеры (TPC), времяпролётного детектора (TOF), электромагнитного калориметра (ECal), мюонной системы и других подсистем. Позволяет измерять импульсы, энергии и идентифицировать частицы.
• BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron): детектор для изучения столкновений лёгких и средних ионов (например, углерод-углерод, аргон-аргон) на нуклотроне (до ввода коллайдера). Включает в себя магниты, трековые камеры, калориметры и спектрометры. BM@N уже работает и получает первые данные.

Статус и перспективы

По состоянию на 2025 год, комплекс NICA находится на завершающей стадии строительства. Бустер и нуклотрон работают в штатном режиме. Детектор BM@N проводит сеансы набора данных. Строительство коллайдерного кольца и детектора MPD продолжается. Ожидается, что первые столкновения на полной энергии в коллайдере начнутся в 2025–2026 годах. После ввода в эксплуатацию NICA станет одним из трёх действующих коллайдеров тяжёлых ионов в мире (наряду с RHIC в США и LHC в ЦЕРНе), но будет работать в уникальной области энергий, недоступной для других установок.

Международное сотрудничество

Проект NICA является международным. В нём участвуют учёные и инженеры из более чем 30 стран, включая Россию, Беларусь, Казахстан, Армению, Азербайджан, Грузию, Молдову, Узбекистан, Таджикистан, Китай, Индию, Иран, Турцию, Египет, ЮАР, Бразилию, Аргентину, а также из стран Европы (Германия, Италия, Франция, Испания, Польша, Чехия, Словакия, Венгрия, Румыния, Болгария, Сербия, Греция) и Японии. ОИЯИ координирует работу международных коллабораций, разрабатывающих детекторы и программное обеспечение.

Значение

NICA имеет важное значение для развития фундаментальной физики в России и мире. Он позволит получить новые данные о поведении материи в экстремальных условиях, которые существовали в ранней Вселенной (через несколько микросекунд после Большого взрыва) и могут существовать в нейтронных звёздах. Кроме того, проект способствует развитию высоких технологий — сверхпроводящих магнитов, ускорительной техники, детекторов, систем обработки данных. Комплекс также используется для прикладных исследований, например, в области материаловедения и радиационной стойкости.

Источники

• Официальный сайт ОИЯИ: проект NICA
• «NICA: проект коллайдера для изучения кварк-глюонной плазмы» — статья в журнале «Успехи физических наук»
• «NICA: Physics and Detectors» — доклад на международной конференции по физике высоких энергий
• «Строительство коллайдера NICA в Дубне» — материалы пресс-службы ОИЯИ
• «NICA: Status and Plans» — отчёт на конференции по ускорительной физике