Ученые знают, как сделать NICA коллайдером для частиц разных масс и зарядов
Разработку дуальной магнито-оптической структуры для коллайдера NICA, которая позволит ему стать единственным в мире низкоэнергетическим коллайдером для частиц разных массы и заряда, сделали российские ученые, 10 сентября сообщает журнал МФТИ «За науку».
Такая структура позволит проводить на коллайдере эксперименты как с тяжелыми ионами, так и с легкими поляризованными частицами: протонами и дейтронами. Свое обоснование этой структуры и соответствующие расчеты ученые представили в статье «Энергетическое пересечение поляризованного протонного пучка в NICA», опубликованной в журнале Physics of Atomic Nuclei.
Работа коллайдера ускорительного комплекса NICA ведется на относительно низких энергиях — до 4,5 ГэВ на нуклон, что позволяет исследовать структуры ядер и процессов, происходящих между отдельными нуклонами, но она мала для создания новых частиц или изучения высокоэнергетических явлений.
Энергия в установке NICA в тысячу раз меньше, чем на Большом адронном коллайдере CERN, но именно в этом ее преимущество, пояснил ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН и профессор МФТИ Юрий Сеничев:
«Задача российской установки — изучение горячего барион-обогащенного 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. Ее 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».
Коллайдер NICA удерживает максимальную плотность плазмы порядка 20 миллиардов тонн на кубический сантиметр, что соответствует плотности нейтронных звезд и которая недостижима ни для одного другого коллайдера. Таким образом, именно NICA сможет создать в лабораторных условиях то состояние вещества, в котором пребывала Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.
Поскольку NICA должна работать в двух различных режимах — как коллайдер тяжелых ионов (заряженных атомов с большим количеством протонов и нейтронов в ядре), так и легких поляризованных частиц — протонов и дейтронов, то это создает трудности для разработки магнито-оптической структуры ускорителя.
Любому коллайдеру главной задачей ставится получение максимальной светимости сталкивающихся пучков, которая означает большую частоту столкновения частиц. Светимость, в свою очередь, определяется количеством частиц в каждом пучке и его плотностью, то есть хорошей фокусировкой пучка в точке столкновений. Но разность в зарядности тяжелых и легких частиц приводит к противоречивым требованиям для выполнения этих условий.
«В пучках многозарядных тяжелых ионов проблема внутрипучкового рассеяния становится основной. В этом случае магнито-оптическая структура ускорителя не должна создавать модуляцию плотности частиц вдоль орбиты ускорителя и, как следствие, увеличивать их фазовый объем. С другой стороны, легкие частицы проходят через так называемую критическую энергию, при которой теряется их устойчивость, что также приводит к увеличению фазового объема и падению светимости», — описал проблему аспирант ИЯИ, лаборант лаборатории физики ускорителей МФТИ Сергей Колокольчиков.
Кроме того, в коллайдерах охладители пучка работают на относительно низких энергиях (несколько ГэВ), что значительно меньше момента прохождения через критическую энергию и нивелирует само охлаждение.
Колокольчиков сообщил, что лучшим способом устранить эти противоречия в требованиях режимов легких и тяжелых частиц — это в режиме легких частиц ввести модуляцию дисперсионной функции так, чтобы поднять критическую энергию за пределы диапазона энергий легких протонов, а в режиме тяжелых частиц — создать максимально гладкую огибающую.
Проведенные расчеты показали, что такая схема позволит разрешить эти противоречия, что сделает NICA единственным коллайдером на низких энергиях для проведения экспериментов с частицами разной массы и заряда.
Для внедрения этого предложения в работу NICA была проведена исследовательская работа, что позволило детально проработать дуальную магнито-оптическую структуру ускорителя, которая описана в статье.
