ИЯФ СО РАН вступил в коллаборацию SPD – проекта на коллайдере NICA
- 14.03.2024
NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) – это коллайдер, который создаётся на базе Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) с целью изучения фундаментальных свойств сильного взаимодействия. SPD (Spin Physics Detector) – один из двух детекторов, регистрирующих столкновения пучков коллайдера. Он предназначен для изучения спиновой структуры нуклонов и легких ядер. С помощью таких детекторов физики регистрируют результаты соударения частиц, именно эти устройства позволяют узнать, что происходит с частицами при их столкновении. Как правило, для проведения масштабных или сложных экспериментов коллектив, который занимается обеспечением работы детектора и интерпретацией полученных на нем данных, объединяется в коллаборацию. Участниками коллаборации становятся ученые из разных организаций и стран, они коллегиально решают ключевые вопросы, связанные с работой этой установки. В феврале было подписано соглашение между ОИЯИ, коллаборацией SPD и Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН, Новосибирск), согласно которому группа сотрудников ИЯФ СО РАН вошла в коллаборацию SPD. В документе обозначен круг интересов специалистов новосибирского института в этом международном проекте.
В соглашении указано, что ученые ИЯФ СО РАН будут активно включены в решение двух задач, направленных на обеспечение работы детектора. Это разработка и изготовление магнитной системы детектора и создание системы идентификации частиц на основе аэрогелевых черенковских счётчиков. Также в соглашении прописано, что сотрудники ИЯФ СО РАН готовы внести свой вклад в разработку программного обеспечения и анализ данных эксперимента.
«Магнитная система – самая дорогостоящая и одна из самых сложных частей детектора. Она предназначена для того, чтобы обеспечивать сильное и однородное магнитное поле. Под действием магнитного поля заряженные элементарные частицы отклоняются от прямолинейного движения и движутся по дуге. Кривизна дуги зависит от массы, заряда и энергии частицы, измеряя ее, мы получаем информацию о параметрах частицы», – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, координатор группы участников ИЯФ СО РАН в коллаборации SPD Александр Барняков.
В Институте ядерной физики СО РАН накоплен большой опыт в разработке и изготовлении магнитных систем детекторов, в частности, специалисты института создали такое оборудование для международного проекта PANDA на базе немецкого ускорительного центра FAIR.
«За годы работы в этой области мы научились грамотно рассчитывать параметры магнитной системы, наладили кооперацию с производствами, которые занимаются изготовлением сверхпроводящего кабеля, а также с предприятиями, которые способны произвести элементы магнитной системы. Нам необходимо получить очень большой объем магнитного поля, и оно должно иметь силу 1 Тесла. Для понимания: 1 Тесла равен 10000 Гс, при этом магнитное поле Земли составляет 0.5 Гс. Таких параметров можно достичь при помощи сверхпроводящих элементов, их создание – сложная задача на пределе современной науки и техники, и это направление сейчас хорошо развивается в России. Вес детектора SPD будет составлять около 1350 тонн, а вес одного элемента ярма – более 60 тонн – не так много заводов, которые способны работать с такими габаритами. Многие элементы магнитной системы будут производиться за пределами Новосибирска. ИЯФ совместно с ОИЯИ будут заниматься расчетами, выбором площадок для производства, изготовлением криогенной системы, сверхпроводящего соленоида, системы питания магнита и системы вывода энергии, сборкой (частично), проведением криогенных испытаний и измерениями магнитного поля соленоида», – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Пята.
Магнитная система должна быть изготовлена одной из первых, поскольку все остальные системы размещаются внутри нее. По плану первая серия экспериментов на детекторе должна состояться в 2028 году.
Вторая задача ИЯФ СО РАН в коллаборации SPD – создание системы идентификации частиц на основе аэрогелевых черенковских счётчиков. Детекторы черенковских колец предназначены для измерения угла черенковского света, излучаемого в прозрачной среде заряженной частицей.
«Черенковский угол зависит от скорости частицы и от показателя преломления среды. В детекторе черенковских колец формируются кольца из нескольких десятков зарегистрированных фотонов на частицу. По радиусу кольца можно определить черенковский угол, а значит, и скорость частицы. Измерение скорости и импульса частицы позволяет установить ее массу и, следовательно, тип. В качестве прозрачной среды могут использоваться различные материалы, предполагается, что в детекторе SPD это будет аэрогель», – прокомментировал Александр Барняков.
Аэрогель – высокопористое твердое прозрачное вещество с уникальным показателем преломления (1.008÷1.2), что позволяет использовать его для регистрации частиц, в случае эксперимента SPD, π- и К-мезонов, в необходимом энергетическом диапазоне. Аэрогель для этого проекта будет производиться совместно специалистами Института катализа им. Г. К. Борескова и ИЯФ СО РАН.
«Аэрогель диоксида кремния используют в черенковских детекторах заряженных частиц, движущихся почти со скоростью света. Аэрогели обладают целым спектром необычных свойств. Для черенковских детекторов важно, что их показатель преломления света может заполнить разрыв между показателями жидкостей и газов. В Институте катализа благодаря совместным работам с Институтом ядерной физики разработаны и производятся лучшие в мире по оптическим характеристикам аэрогели. В том числе уникальные многослойные блоки с разными показателями преломления в слоях. Такие блоки аэрогеля обеспечивают существенное улучшение характеристик детекторов и по этой причине могут быть востребованы в проекте NICA», – прокомментировал научный сотрудник отдела физико-химических исследований на молекулярном уровне ФИЦ «Институт катализа СО РАН» Александр Данилюк.
«Для столкновения поляризованных пучков на коллайдере NICA будут доступны энергии от самых маленьких до примерно 27 ГэВ. Это даст нам уникальную возможность просканировать весь этот диапазон и исследовать, как в зависимости от энергии столкновений меняется проявление различных спин-зависимых эффектов. Эти исследования способны внести важнейший вклад в развитие теории сильного взаимодействия и понимание его природы», - сообщил со-руководитель коллаборации SPD NICA, заместитель директора Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Алексей Гуськов.
Он отметил, что сформированная в 2021 году коллаборация SPD сейчас насчитывает около 400 участников, представляющих более 30 институтов из разных стран мира. «Мы очень рады, что к коллаборации присоединился ИЯФ СО РАН – это один из наших ключевых партнеров, которого мы хорошо знаем и с которым давно сотрудничаем. Еще до того, как было подписано соглашение, ИЯФ СО РАН, обладающий уникальным опытом в этой области, начал работу по проектированию уникального сверхпроводящего магнита», – подчеркнул Алексей Гуськов.
NICA – это новый ускорительный комплекс, который создаётся силами международной коллаборации на базе Объединённого института ядерных исследований (международная межправительственная научно-исследовательская организация, расположенная в подмосковном городе Дубна) с целью изучения фундаментальных свойств сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики частиц. Эти задачи будут решаться при помощи двух экспериментальных установок, расположенных на коллайдере: MPD и SPD.
После того, как коллайдер NICA будет запущен, при помощи установки Multi-Purpose Detector (MPD) учёные смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, – кварк-глюонной плазмы (КГП). MPD позволит изучать сильные взаимодействия между кварками и глюонами; поиск признаков фазового перехода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой, поиск новых состояний барионной материи; изучение основных свойств сильного взаимодействия и КГП-симметрии.
Установка SPD (Spin Physics Detector) предназначена для изучения спиновых явлений в столкновениях поляризованных протонов и дейтронов. Эксперимент будет решать задачи по изучению природы и структуры собственного момента импульса, спина, протона и дейтрона. Коллайдер NICA способен проводить изучение спиновых эффектов в области энергий, слишком высоких для ускорителей COSY (Германия) и SATURNE-II (Франция), но слишком низких для коллайдера RHIC (США) и будущих спиновых экспериментов на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН).
Иллюстрация: схема детектора SPD, источник - ОИЯИ.
Фото: аэрогель, автор - Влада Трифонова.