Время ускорять и сталкивать: каким будет новый российский коллайдер

Вселенная возникла около 13,8 млрд лет назад, и уже вскоре в ней зажглись первые светила. Самые ранние звезды, которые способны различить современные телескопы, появились всего лишь 200 млн лет спустя после Большого взрыва. Но древнейший свет, который мы можем видеть, еще старше и произведен не ими. Это фотоны микроволнового фона, которые сохранились с того момента, когда наш мир остыл до приемлемых температур, около 3000 К. Электроны наконец смогли удерживаться на орбитах вокруг ядер и образовали первые атомы.

До того времени космос наполняла раскаленная плазма, и любой излученный фотон моментально рассеивался в ее непроницаемом тумане. Только через 379 тыс. лет с образованием атомов пространство расчистилось и по нему начало распространяться излучение. Этот реликтовый фон регистрируют радиотелескопы, но все, происходившее ранее, остается за непроницаемой границей, дальше которой нет ни фотонов, ни, соответственно, телескопов, которые могли бы их увидеть.

Самые первые этапы развития мира, которые предшествовали образованию атомов (рекомбинации), мы изучаем в основном теоретически. Они были краткими, но бурными: уже через 10–43 с после Большого взрыва появились первые частицы, а через 10–35 с Вселенная начала расширяться в экспоненциальном режиме инфляции. Раздувавшийся мир был заполнен невероятно плотной и горячей смесью, состоящей по большей части из кварков (впоследствии они образуют нейтроны и протоны) и глюонов, которые нужны для соединения кварков друг с другом.

Вскоре такое объединение произошло; фазовый переход совершился резко, подобно росту кристаллов в химической грелке. С начала мироздания прошло всего три минуты, а кварк-глюонная плазма исчезла. Сегодня она, возможно, существует лишь в недрах самых плотных объектов, таких как нейтронные звезды. Но на ее месте появились протоны и нейтроны обычной адронной материи, а следом – первые атомы, звезды, галактики.

Все это теория, хотя многие ее положения удается подтвердить на практике. Следы инфляции сохранились в слабых аномалиях реликтового фона, а также в крупномасштабной структуре Вселенной; в огромных наземных коллайдерах получена кварк-глюонная плазма. Однако загадкой остается сам момент «выпадения» из нее адронов. Как и с химической грелкой, этот момент трудно уловить, и даже условия, при которых происходит фазовый переход, в точности неизвестны.

Существующие ускорители частиц для этого не подходят. Так, знаменитый Большой адронный коллайдер возводился для решения совершенно других задач – прежде всего поисков бозона Хиггса. Сталкивающаяся в нем материя оказывается чересчур горячей и недостаточно плотной для попадания в область фазового перехода. Чтобы поймать его, нужны новые инструменты, и работа над ними уже идет. Проходит модернизацию американский RHIC, в Германии возводится новый FAIR. Развернуто строительство и в подмосковной Дубне: Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) готовит к работе ускорительный комплекс NICA.

У проходной ОИЯИ нас встретил научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий Дмитрий Дряблов. «В общем, ничего нового тут нет, все делается на уже известных принципах, – рассказал он, пока мы шли по обширной территории лаборатории к месту строительства. – Ускоритель, коллайдер, криогенная система – стандартные для таких установок элементы». Даже легендарный первый корпус, где еще в 1950-х был запущен синхрофазотрон ОИЯИ, станет частью комплекса NICA. Круглое здание уже обросло цистернами и компрессорами новой криогенной системы.

Внутри него большую часть занимает стальное «ярмо» магнита синхрофазотрона, свернутый кругом хребет весом в десятки тысяч тонн. Сегодня он сохранил не только историческую ценность: внутри кипит работа. Старые железные плиты служат основой для монтажа сверхпроводящих магнитов. Сбоку подведены выходы инжекционных систем – источников легких частиц (протонов и т. д.) и тяжелых ионов золота для будущего коллайдера. Подхваченные потоком электронов, они будут подгоняться в коротких линейных ускорителях и отправляться в бустер.

211-метровый бустер – первый из трех циклических ускорителей будущего комплекса. За пару секунд в нем сгусток золотых ионов увеличит энергию и дополнительно сожмется, после чего будет передан дальше, в кольцо Нуклотрона, выложенное этажом ниже. Нуклотрон, запущенныйв 1990-х, способен доводить энергию тяжелых ионов до 6 ГэВ на нуклон. Пока идет строительство, он продолжает работу, отправляя частицы в стационарные мишени для исследований новых материалов, радиобиологии и т. д. В NICA эта работа продолжится, но появится и третье, финальное кольцо коллайдера.

Пока что, поднявшись на крышу первого корпуса, мы увидели только обширную и холодную стройку. Однако возведение туннеля уже заканчивается, и вскоре в него лягут две параллельные трубы, по которым в противоположных направлениях помчатся сгустки, банчи частиц. Круг за кругом 500-метровые кольца смогут накапливать их и дополнительно уплотнять, сжимая в тонкие нити диаметром порядка миллиметра. Через 4–5 мин. после получения ионов подготовленные банчи направятся к лобовому столкновению в секциях, на которых установлены детекторы.

Любые манипуляции с частицами в ускорителях и коллайдерах производятся с помощью мощных магнитов. Дипольные магниты удерживают их на кругу, квадрупольные фокусируют банч, сжимая и не позволяя расплыться в стороны. В определенных участках устанавливается высокочастотная ускорительная система, которая срабатывает каждый раз, когда мимо пролетает сгусток частиц. При этом индукция магнитного поля наращивается постепенно: чересчур ускорившиеся и вырвавшиеся вперед ионы получают чуть меньший толчок, а отставшие – наоборот, чуть больший, и они плотнее собираются вместе.Этот метод «автофокусировки» был предложен Владимиром Векслером еще в 1940-х – сегодня его имя носит Лаборатория физики высоких энергий (ЛФВЭ) ОИЯИ, главный проектировщики будущий пользователь NICA.

Сама технология сверхпроводящих магнитов для нового коллайдера тоже заслуга ученых из ЛФВЭ. Еще в 1970-х здесь начали испытывать такие магниты, охлаждаемые погружением в криогенную жидкость. Впоследствии был найден более оптимальный вариант – с использованием трубчатого кабеля, в полости которого прокачивается жидкий гелий. Годы моделирования и испытаний позволили добиться оптимальной конфигурации системы. «Кабель типа Нуклотрон – это наше главное ноу-хау», – объяснил «ПМ» младший научный сотрудник ЛФВЭ Ми- хаил Шандов.

В центре такого кабеля располагается мельхиоровая трубка, через которую прокачивается гелий, находящийся на границе фазового перехода между газом и жидкостью. В таком состоянии он имеет наибольшую теплоемкость и лучше охлаждает намотанные на трубку нити ниобий-титана, тонкие, как волос. При росте температуры Nb-Ti теряет сверхпроводящие свойства, его сопротивление увеличивается, поэтому он погружен в медную матрицу. Она снимает напряжение с деформированного намоткой ниобий-титана и защищает его от других опасностей.

«Если срыв сверхпроводимости произойдет, то медь сохранит низкое сопротивление, – говорит Михаил Шандов. – Ток сможет уходить в нее – это даст нам время, чтобы "эвакуировать" избыток энергии из системы. Ведь каждый дипольный магнит накапливает ее, грубо говоря, столько же, сколько разогнавшийся тяжелый грузовик. Если вовремя не удалить эту энергию, она разрушит ускоритель». Сверхпроводящий слой прижимается к охлаждающей трубке тугим бандажом из нихромовой лески. Наконец, снаружи все покрывается несколькими слоями электро- и теплоизоляции – полиимидной пленки и стеклоткани. Такой кабель наматывается на стальной шаблон и запекается в печи. Отдельное помещение для намотки кабеля занимает лишь небольшую часть цеха по производству сверхпроводящих магнитов. Основные площади отведены под точные инструменты и испытательные стенды. Первые, «теплые» тесты выполняются при комнатной температуре, после чего производятся сборка, подключение и пайка охлаждающей системы. Она проверяется на герметичность в вакуумной камере, и, если протечек не обнаружено, магнит перемещается на криогенную установку.

Здесь магнит выводится на рабочий температурный режим и «тренируется». «Дело в том, что намотка нарушает структуру сверхпроводника, и поначалу не весь его объем переходит в сверхпроводящее состояние. При подаче большого тока неизбежны срывы, микроскопические перемещения обмотки до тех пор, пока все не встанет по местам, – пояснил Михаил Шандов. – Однако постепенно они происходят при все большем токе, магнит "тренируется" для своего рабочего режима. Даже с запасом».

Стенд криогенных испытаний позволяет параллельно испытывать до шести магнитов. На сборку каждого уходят сутки или двое, а вот охлаждение для испытаний может потребовать четырех суток, и столько же необходимо выделить на «отепление» после проведения тестов. Весь производственный цикл занимает около месяца, после чего в магнит устанавливают ионопровод – фрагмент трубки, по которой будут двигаться частицы, – и он закрывается в ожидании транспортировки и окончательного монтажа.

Торжественная закладка первого камня в строительство коллайдера NICA состоялась в марте 2016 года, а уже в ноябре была запущена линия по сборке сверхпроводящих магнитов. Десятки их смонтированы или продолжают монтироваться на бустере, все больше изделий готовы к установке в будущий коллайдер. В общей сложности здесь будет изготовлено почти 600 магнитов для NICA, а также для коллайдера проекта FAIR, возводящегося в Германии.

Тем временем в отдельном здании идет работа над главным детектором комплекса, многофункциональным MPD. Именно в центре этого цилиндра размерами 10 х 7,5 м будут сталкиваться подготовленные ионные батчи, разлетаясь каскадами частиц. Детектору предстоит регистрировать миллиарды событий, передавая в вычислительную систему десятки петабайт сырых данных в год.

Но к их обработке в Дубне готовы: в ноябре Лаборатория информационных технологий ОИЯИ запустила новый суперкомпьютер «Говорун» с пиковой производительностью 860 терафлопс. Ученые уже пользуются его возможностями для моделирования ожидаемых событий и уточнения параметров работы NICA. Первые запуски комплекса запланированы на 2023 год. С одной стороны, это достаточно долгий срок. Нос другой – не такой уж долгий для решения проблемы превращения кварков в протоны и нейтроны, того фазового перехода, который остается загадкой столько, сколько существует Вселенная. Минус три минуты.