ускорительный комплекс NICA

Ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — это ускорительный комплекс, строящийся в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Россия). Проект предназначен для изучения свойств плотной барионной материи и фазовых переходов в кварк-глюонную плазму. NICA представляет собой коллайдер тяжёлых ионов и поляризованных протонов, работающий на встречных пучках.

История проекта

Идея создания коллайдера для исследования сильно взаимодействующей материи возникла в ОИЯИ в начале 2000-х годов. В 2007 году проект NICA был официально включён в программу развития ОИЯИ на 2010—2016 годы. Финансирование началось в 2013 году в рамках Федеральной космической программы России, а также за счёт средств стран-участниц ОИЯИ.

В 2016 году был завершён этап проектирования и началось строительство зданий и сооружений комплекса. К 2020 году были построены основные здания, включая кольцевой тоннель коллайдера. В 2022 году начался монтаж сверхпроводящих магнитов и систем инжекции. Первый запуск пучков в бустерном синхротроне состоялся в 2023 году. Полный ввод комплекса в эксплуатацию запланирован на 2025—2026 годы.

Устройство и состав комплекса

Ускорительный комплекс NICA включает несколько последовательных ступеней ускорения:

Источники ионов

Для получения ионов используются два основных источника:

• KRION-6T — источник для получения многозарядных ионов (например, золота, ксенона), работающий на принципе электронно-лучевого ионного накопления.
• Источник поляризованных протонов и дейтронов — для получения пучков с заданной спиновой поляризацией.

Линейный ускоритель HILAC

Ионы после источника поступают в линейный ускоритель HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator), разгоняющий их до энергии около 6,5 МэВ/нуклон. HILAC состоит из двух секций: RFQ (Radio Frequency Quadrupole) и IH (Interdigital H-type) структуры.

Бустерный синхротрон Nuclotron-M

После HILAC ионы инжектируются в бустерный синхротрон, представляющий собой модернизированную версию существующего синхротрона Nuclotron. Бустер разгоняет ионы до энергии около 600 МэВ/нуклон. Он использует сверхпроводящие магниты на основе ниобий-титановых кабелей, охлаждаемые жидким гелием до температуры 4,5 К. Длина кольца бустера — около 200 метров.

Коллайдер

Основной элемент комплекса — коллайдер, состоящий из двух колец длиной около 503 метра каждое. В кольцах пучки ионов или протонов циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются в двух точках взаимодействия. Магнитная система коллайдера также сверхпроводящая, с полем до 1,8 Тл. Энергия столкновений для тяжёлых ионов (золото-золото) достигает 11 ГэВ на нуклон в системе центра масс, для протонов — до 27 ГэВ.

Системы инжекции и вывода

Для подачи пучков из бустера в коллайдер используются каналы транспортировки пучков, оснащённые дипольными и квадрупольными магнитами. Вывод пучков из коллайдера осуществляется через специальные каналы на детекторы.

Научные задачи

Основная цель NICA — исследование фазовой диаграммы квантовой хромодинамики (КХД) в области высоких плотностей барионного заряда. Конкретные задачи включают:

• Поиск критической точки — точки на фазовой диаграмме, где фазовый переход первого рода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой сменяется непрерывным переходом. NICA способен достичь области параметров, где эта точка может находиться, в отличие от коллайдера LHC, работающего при малых барионных плотностях.
• Изучение свойств плотной барионной материи — исследование уравнения состояния ядерной материи при плотностях, в несколько раз превышающих ядерную. Это важно для понимания структуры нейтронных звёзд.
• Исследование спиновых эффектов — с помощью поляризованных протонных и дейтронных пучков изучаются механизмы генерации спина в сильных взаимодействиях, в частности, так называемый «спиновый кризис» протона.
• Изучение странной материи — поиск гиперядер и странных частиц, образующихся в столкновениях.

Детекторы комплекса

Для регистрации продуктов столкновений в NICA предусмотрены два основных детектора:

MPD (Multi-Purpose Detector)

Многоцелевой детектор, предназначенный для изучения столкновений тяжёлых ионов. Он состоит из:

• Внутренней трековой системы (ITS) на основе времяпроекционной камеры (TPC) и кремниевых детекторов.
• Электромагнитного калориметра (ECAL) для регистрации фотонов и электронов.
• Мюонной системы для идентификации мюонов.
• Времяпролётной системы (TOF) для идентификации частиц по времени пролёта.

MPD способен измерять импульсы, заряды и массы частиц в широком диапазоне углов.

SPD (Spin Physics Detector)

Детектор для изучения спиновой физики с поляризованными протонными и дейтронными пучками. SPD включает:

• Вершинный детектор на основе кремниевых пиксельных сенсоров.
• Трековую систему на основе дрейфовых камер.
• Калориметры для измерения энергии адронов и фотонов.
• Мюонные детекторы.

SPD позволит измерять спиновые асимметрии в процессах рождения частиц, что даёт информацию о структуре нуклонов.

Технические характеристики

Международное сотрудничество

Проект NICA является международным. В его реализации участвуют более 50 научных организаций из 20 стран, включая Россию, страны-участницы ОИЯИ (Болгария, Венгрия, Грузия, Казахстан, Куба, Молдова, Польша, Румыния, Словакия, Украина, Чехия и другие), а также партнёры из Германии, Франции, Италии, Китая, Индии, ЮАР и США. Участие зарубежных институтов включает поставку оборудования, разработку детекторов и проведение совместных исследований.

Сравнение с другими коллайдерами

NICA занимает уникальную нишу в мировой программе по физике высоких энергий. В отличие от LHC (CERN), который работает при энергиях в тысячи раз выше, NICA оптимизирован для изучения области высоких барионных плотностей. Другие коллайдеры, такие как RHIC (Брукхейвен, США), также способны работать в этом диапазоне, но после модернизации RHIC в 2020-х годах его программа сместилась в сторону более высоких энергий. NICA, таким образом, становится единственным коллайдером, специально спроектированным для изучения фазовой диаграммы КХД при максимальных барионных плотностях.

Критика и сложности

Как и любой крупный научный проект, NICA сталкивается с рядом вызовов:

• Финансирование — проект реализуется в условиях ограниченного бюджета, что приводит к задержкам сроков.
• Технические сложности — создание сверхпроводящих магнитов и систем криогенного обеспечения требует высоких технологий, часть которых приходится разрабатывать с нуля.
• Санкционные ограничения — после 2014 года и особенно после 2022 года возникли проблемы с поставками импортного оборудования и компонентов, что потребовало импортозамещения.

Тем не менее, проект продолжает развиваться, и к 2024 году основные системы были изготовлены на российских предприятиях.

Перспективы

После ввода в эксплуатацию NICA позволит получить данные, необходимые для проверки современных моделей КХД. Ожидается, что результаты экспериментов помогут уточнить уравнение состояния нейтронных звёзд, понять природу ранней Вселенной (через несколько микросекунд после Большого взрыва) и раскрыть механизмы генерации спина в протонах. В перспективе комплекс может быть использован для прикладных исследований, включая материаловедение и биологию (радиационная стойкость материалов, лучевая терапия).

Источники

• Официальный сайт проекта NICA (ОИЯИ, Дубна)
• «NICA Project: Status and Prospects» — доклады на международных конференциях по ускорительной физике (IPAC, RuPAC)
• «Physics of the NICA Collider» — обзор в журнале «Physics of Particles and Nuclei» (2019)
• «NICA: A New Heavy Ion Collider for the Study of Dense Baryonic Matter» — статья в сборнике «Proceedings of the European Physical Society Conference on High Energy Physics» (2021)
• Отчёты ОИЯИ о ходе строительства (2016—2024)