NICA станет единственным в мире низкоэнергетическим коллайдером для частиц разных массы и заряда

Российские учёные предложили дуальную магнито-оптическую структуру для коллайдера NICA. Она позволяет проводить эксперименты в двух различных режимах: как с тяжёлыми ионами, так и с лёгкими поляризованными частицами: протонами и дейтронами. Работа опубликована в журнале Physics of Atomic Nuclei.

Коллайдер ускорительного комплекса NICA работает на относительно низких энергиях — до 4.5 ГэВ на нуклон. Эта энергия подходит для исследований структуры ядер и процессов, которые происходят между отдельными нуклонами, но недостаточна для создания новых частиц или изучения высокоэнергетических явлений.

К примеру, в установке NICA энергия в тысячу раз меньше, чем на Большом адронном коллайдере CERN, но в этом заключается её преимущество.

«Задача российской установки — изучение горячего барион-обогащённого вещества на границе фазового перехода в кварк-глюонную плазму. И в этой задаче NICA потенциально может быть лучшей установкой. Физики считают, что до появления адронов среда была настолько плотной, что кварки и глюоны не образовывали никаких структур. Это был какой-то “бульон”, состоящий из кварк-глюонной плазмы. Её температура составляла триллионы градусов. Температура и плотность постепенно падали, и начали возникать связанные состояния вещества. Именно этот переход в связанное состояние является основной загадкой, которую хотелось бы решить на коллайдере NICA», — рассказал ведущий научный сотрудник ИЯИ и профессор МФТИ Юрий Сеничев.

По словам учёного, основное преимущество установки — в способности удерживать максимальную плотность плазмы — около 20 миллиардов тонн на кубический сантиметр, что сопоставимо с плотностью нейтронных звёзд и недостижимо ни в одном другом коллайдере. Поэтому для воссоздания в лабораторных условиях особого состояния вещества, в котором пребывала Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, NICA подходит лучше всех.

Как пояснили учёные, NICA работает в двух различных режимах: коллайдера тяжёлых ионов (заряженных атомов с большим количеством протонов и нейтронов в ядре) и лёгких поляризованных частиц: протонов и дейтронов. Это вносит определённые трудности в создании магнито-оптической структуры ускорителя.

Дело в том, что в любом коллайдере главной задачей является получение максимальной светимости сталкивающихся пучков. Чем она больше, тем чаще происходят столкновения частиц. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны, то есть насколько хорошо пучок сфокусирован в точке столкновений. При этом из-за разной зарядности тяжёлых и лёгких частиц возникают противоречивые требования к ним.

«В пучках многозарядных тяжёлых ионов проблема внутрипучкового рассеяния становится основной. В этом случае магнитно-оптическая структура ускорителя не должна создавать модуляцию плотности частиц вдоль орбиты ускорителя и, как следствие, увеличивать их фазовый объём. С другой стороны, лёгкие частицы проходят через так называемую критическую энергию, при которой теряется их устойчивость, что также приводит к увеличению фазового объёма и падению светимости. Помимо этого, в коллайдерах используют охладители пучка на относительно низких энергиях (порядка несколько ГэВ), что намного меньше момента прохождения через критическую энергию. Это нивелирует само охлаждение», — описал проблему аспирант ИЯИ, лаборант лаборатории физики ускорителей МФТИ Сергей Колокольчиков.

По его словам, идеальным решением для устранения указанных противоречий между режимами лёгких и тяжёлых частиц стала бы модуляция дисперсионной функции в режиме лёгких частиц таким образом, чтобы поднять критическую энергию за пределы диапазона энергий лёгких протонов, а в режиме тяжёлых частиц создать максимально гладкую огибающую.

Согласно расчётам, предложенная схема решает вышеописанную задачу и делает комплекс NICA единственным в своём роде коллайдером на низких энергиях для проведения экспериментов с частицами разной массы и заряда. Чтобы в ближайшей перспективе внедрить это решение в работу NICA, в ходе исследовательской деятельности была детально проработана дуальная магнито-оптическая структура ускорителя.