NICA

NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — ускорительный комплекс, строящийся в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Московская область, Россия). Предназначен для изучения свойств плотной барионной материи, возникающей в релятивистских столкновениях тяжёлых ионов, а также для проведения исследований в области физики высоких энергий, радиационного материаловедения и прикладной физики. Проект реализуется с 2013 года, ввод в эксплуатацию запланирован на 2025–2026 годы.

История

Идея создания коллайдера тяжёлых ионов в Дубне возникла в начале 2000-х годов как развитие программы исследований на нуклотроне — сверхпроводящем синхротроне, запущенном в ОИЯИ в 1993 году. В 2007 году проект NICA был официально включён в план развития ОИЯИ, а в 2013 году началось строительство. Финансирование осуществляется из федерального бюджета России и взносов стран-участниц ОИЯИ. В 2019 году завершён монтаж первого сверхпроводящего магнита для бустерного синхротрона, в 2021 году — запущен линейный ускоритель тяжёлых ионов. К 2024 году построены основные элементы комплекса: бустер, нуклотрон (модернизированный), коллайдерное кольцо и детекторы.

Устройство и принцип работы

Комплекс NICA состоит из нескольких последовательных ускорителей, разгоняющих ионы до околосветовых скоростей.

Источник ионов

Первичные ионы (например, золота, ксенона, аргона) генерируются в источнике KRION-2, работающем на основе электронно-циклотронного резонанса. Ионы многократно ионизируются и поступают в линейный ускоритель HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator), где разгоняются до энергии 5 МэВ/нуклон.

Бустерный синхротрон

После выхода из HILAC ионы попадают в бустер — сверхпроводящий синхротрон с периметром 211 м. Здесь они ускоряются до 600 МэВ/нуклон и накапливаются в сгустках. Бустер оснащён системой электронного охлаждения, снижающей разброс импульсов частиц.

Нуклотрон

Модернизированный нуклотрон (периметр 251 м) служит основным ускорителем до коллайдера. В нём ионы разгоняются до энергии 4,5 ГэВ/нуклон для столкновений в фиксированной мишени или до 1–4,5 ГэВ/нуклон для инжекции в коллайдер. Нуклотрон использует сверхпроводящие магниты на основе ниобий-титановых сплавов.

Коллайдерное кольцо

Коллайдер состоит из двух кольцевых каналов (периметр каждого 503 м), в которых ионы движутся навстречу друг другу. Суммарная энергия столкновений достигает 11 ГэВ/нуклон для золота (Au+Au). Кольца оснащены сверхпроводящими дипольными и квадрупольными магнитами, а также системами радиочастотного ускорения и электронного охлаждения.

Детекторы

Основные детекторы комплекса:

• MPD (Multi-Purpose Detector) — многоцелевой детектор для изучения столкновений тяжёлых ионов. Состоит из времяпролётной системы, трекера, калориметров и мюонной системы. Позволяет регистрировать адроны, лептоны и фотоны.
• BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) — детектор для фиксированных мишеней, установленный на выведенном пучке нуклотрона. Исследует взаимодействие ионов с ядрами мишени (углерод, алюминий, свинец).
• SPD (Spin Physics Detector) — детектор для изучения спиновых эффектов в столкновениях поляризованных протонов и дейтронов (планируется к запуску после 2026 года).

Научные задачи

Основная цель NICA — изучение фазовой диаграммы квантовой хромодинамики (КХД) в области высоких плотностей барионного заряда и умеренных температур. В отличие от коллайдеров LHC (CERN) и RHIC (BNL, США), где исследуется кварк-глюонная плазма при высоких температурах и малой плотности, NICA ориентирован на область, где возможно образование смешанных фаз (адронный газ, кварк-глюонная плазма, цветосверхпроводящие состояния). Конкретные задачи включают:

• Поиск критической точки фазового перехода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой.
• Изучение свойств барионной материи при плотностях, близких к плотности нейтронных звёзд.
• Измерение коллективных потоков, флуктуаций и корреляций частиц.
• Исследование рождения странных и очарованных частиц.

Дополнительные направления:

• Радиационное материаловедение: испытания материалов на стойкость к ионизирующему излучению.
• Медицинская физика: разработка методов протонной и ионной терапии рака.
• Биология: облучение биологических образцов для изучения радиационных эффектов.

Применение и значение

NICA является одним из крупнейших научных проектов России и стран-участниц ОИЯИ. Он позволяет проводить эксперименты, недоступные на других коллайдерах, благодаря уникальному диапазону энергий и высокой светимости (до 10²⁷ см⁻² с⁻¹ для Au+Au). Результаты исследований важны для понимания эволюции Вселенной на ранних стадиях, структуры нейтронных звёзд и свойств сильного взаимодействия. В прикладной области комплекс используется для тестирования электроники и материалов в условиях космического излучения, а также для обучения студентов и аспирантов.

Критика и ограничения

Некоторые специалисты отмечают, что проект NICA дублирует часть исследований, проводимых на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), который был остановлен в 2024 году. Однако сторонники проекта указывают на уникальный диапазон энергий и возможность работы с поляризованными пучками. Основные риски связаны с задержками финансирования и сложностью интеграции сверхпроводящих систем. По состоянию на 2025 год, строительство ведётся в соответствии с графиком, но полный ввод в эксплуатацию всех детекторов ожидается не ранее 2027 года.

См. также

• Коллайдер
• Кварк-глюонная плазма
• Объединённый институт ядерных исследований
• Нуклотрон

Источники

• Официальный сайт проекта NICA (ОИЯИ)
• «NICA: проект коллайдера тяжёлых ионов в Дубне» — журнал «Успехи физических наук», 2020
• «Строительство комплекса NICA: текущее состояние и перспективы» — доклад на конференции «Физика высоких энергий», 2023
• «Фазовая диаграмма КХД и эксперименты на NICA» — препринт ОИЯИ, 2024