Как ученые надеются решить одну из «задач тысячелетия» с помощью коллайдера NICA

До конца этого года в подмосковной Дубне должен быть запущен первый ускоритель в составе коллайдерного комплекса NICA, который станет одной из крупнейших ядерно-физических установок в России. С его помощью ученые надеются получить кварк-глюонную плазму и экспериментальным путем исследовать состояния материи, которые пока не может описать никакая теория. О том, как появилась идея NICA, почему нельзя сказать, что этот коллайдер воспроизведет состояние Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва и причем тут «задачи тысячелетия», редакции N + 1 рассказал Олег Теряев, доктор физико-математических наук, начальник сектора Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).

Как появилась идея NICA?

Еще в начале 50-х годов в Дубне был построен синхроциклотрон. Вес его громадных магнитов был сопоставим с весом «Титаника» — в нем использовалась так называемая мягкая фокусировка, требовавшая много места для пучка. На момент постройки дубненский синхротрон считался одним из лучших в мире, однако быстро потерял научную актуальность.

Поэтому в конце 80-х годов Александр Балдин, на тот момент директор Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, построил под старым ускорителем новый. Новый ускоритель имел такую же энергию (порядка 10 гигаэлектронвольт), однако вместо элементарных частиц ускорял тяжелые ионы.

Однако вскоре после этого наступила перестройка, финансирование урезали, и из-за этого новый ускоритель никогда не работал как следует. Потом финансирование все-таки появилось и вместе с ним — новая идея: Дубне нужен домашний эксперимент.

В итоге построенный под руководством Балдина ускоритель решили дополнить коллайдером NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility «основанный на нуклотроне ионный коллайдер») — ускорителем, в котором пучок тяжелых ионов сталкивается не с неподвижной мишенью, а с другим пучком.

Оказалось, что вещество, на доли секунды рождающееся в таком коллайдере, имеет максимальную плотность и максимальный химический потенциал — физики называют химическим потенциалом величину, отражающую изменение энергии системы при изменении определенного заряда.

Таким образом, можно сказать, что NICA — это машина для генерации огромной плотности и химического потенциала.

Почему NICA идеально подходит для таких исследований?

Дело в том, что свойства вещества, образующегося при столкновении тяжелых ионов, очень хитро зависят от энергии столкновения. До определенного порога и температура, и плотность вещества растут одновременно с энергией реакции. Причем растут довольно быстро.

Однако после прохождения порога рост температуры значительно замедляется, а плотность вообще начинает снижаться. Грубо говоря, если сталкивать слишком быстрые частицы, их импульсы «растаскивают» образующийся сгусток кварк-глюонной плазмы и понижают его плотность. Теоретические модели подтверждают эти наивные качественные соображения.

Скажем, при энергиях Большого адронного коллайдера температура будет больше, чем на энергии 10 гигаэлектронвольт (но не критично больше), а плотность — гораздо меньше. Конечно, там тоже получают кварк-глюонную плазму, однако химический потенциал и плотность у этой плазмы невелики.

Поэтому если у сверхплотного вещества есть какие-то интересные фазовые переходы, то именно на NICA эти переходы должны проявляться ярко.

Кроме того, в настоящее время исследованием таких переходов занимается коллайдер тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collaider), построенный в начале 2000-х годов в Брукхейвенской национальной лаборатории (США).

Вообще говоря, этот коллайдер проектировался для энергии порядка 200 гигаэлектронвольт. Чтобы понизить энергию пучков и исследовать свойства сверхплотного вещества, работающим на RHIC физикам приходится жертвовать светимостью, то есть скоростью набора статистики.

Тем не менее, ученые просканировали нужный диапазон и обнаружили некоторые интересные эффекты. Например, им удалось получить сильно закрученное вещество, поляризующее наблюдаемые частицы, то есть выстраивающее их импульсы по направлению движения (или против).

Я когда-то сделал оценку и сравнил скорость вращения такого вещества со скорость вращения Земли — оказалось, что скорости отличаются почти на 25 порядков. Это самое быстрое вращение, которое когда-либо наблюдалось в природе.

Как же такое быстрое вращение превращается в поляризацию частиц? Если кратко, то вращение индуцирует аксиальный ток, который описывает переходы между левыми (спин по импульсу) и правыми (спин против импульса) частицами, а потому непосредственно связан с поляризацией. При этом константой связи выступает химический потенциал: на больших энергиях, когда потенциал маленький, переходы выражены слабо, а на энергиях порядка 10 гигаэлектронвольт поляризация частиц проявляется особенно сильно.

Этот эффект был предсказан в Дубне, и к настоящему времени он уже подтвержден. На NICA он будет проявляться еще более явно.

В чем заключается основная задача NICA?

Основная задача, ради которой строят NICA, — поиск критической точки на фазовом переходе между кварк-глюонной плазмой и адронной материей.

В обычной материи кварки и глюоны жестко связаны внутри частиц — например, внутри нуклонов и ядер. А по кварк-глюонной плазме они гуляют свободно, словно ионы и электроны в обычной плазме. Поэтому кварк-глюонная плазма проводит цветной заряд так же хорошо, как обычная плазма проводит заряд электрический. Поэтому она так и называется.

Чтобы получить кварк-глюонную плазму, нужно «расплавить» адронную материю: разогнать частицы, в которых связаны кварки и глюоны, до достаточно большой энергии, а потом столкнуть их друг с другом.

Численные расчеты показывают, что такой переход относится к фазовым переходам первого рода, то есть он в самом деле напоминает плавление льда. Только в отличие от воды, для которой фазовые диаграммы обычно рисуют на плоскости температура — давление, в физике частиц обычно работают в плоскости температура — химический потенциал.

Интересно, что аналогию между кварк-глюонной плазмой и водой можно продолжить дальше. Как известно, на фазовой диаграмме воды есть так называемая критическая точка, в которой стирается различие между жидкостью и паром. Так вот, как показывают вычисления в рамках решеточной КХД, на фазовой диаграмме адронного вещества такая точка тоже есть.

Впрочем, на практике эта точка пока еще не наблюдалась. NICA на сегодня лучше, чем какой-либо другой эксперимент в мире, нацелен на поиск этой точки. И если ее удастся найти, это будет открытием нобелевского уровня.

Причина столь высокой важности этого открытия состоит в том, что в этой области теория работает плохо. Из самой удачной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики — осмысленный результат можно вытащить только в пределе больших энергий, когда константа связи теории стремится к нулю. На меньших энергиях в игру вступают непертурбативные эффекты, и предсказать эволюцию системы становится очень сложно.

В частности, по этой причине теоретики до сих пор не умеют объяснять конфайнмент, а соответствующая математическая задача включена в список «задач тысячелетия». Численные расчеты тоже ситуацию не спасают из-за слишком большой вычислительной сложности процессов с сильными взаимодействиями.

На данный момент физики умеют моделировать не больше трех кварков. Поэтому теория кварк-глюонной плазмы и связанных с ней фазовых переходов — наука скорее феноменологическая и эксперимент в ней играет ключевую роль.

Кроме того, у NICA есть еще одна важная задача — разобраться, из чего складывается спин нуклонов. На первый взгляд, эта задача элементарна: в нуклоне три кварка, спин каждого кварка равен 1/2, спин нуклона равен 1/2 — следовательно, два кварка смотрят вверх, а еще один вниз. Однако в действительности такие рассуждения работают только для покоящихся нуклонов, тогда как при больших энергиях спин валентных кварков не превышает 1/3 от спина составной частицы.

Объяснить такое поведение теоретики до сих пор не могут. Численные расчеты тоже только недавно добрались до этой задачи. В то же время, если нам удастся «разобрать по частям» спин нуклонов, то это довольно много скажет об их внутренней структуре. Изучить, понять спин, значит понять, как живет каждый нуклон и протон, как двигаются в нем кварки и глюоны. Поэтому в этой области эксперименты на NICA тоже могут сыграть важную роль.

Наконец, с помощью столкновений тяжелых ионов можно создавать мощные электромагнитные поля и изучать, как ведут себя частицы на их фоне. В частности, можно проверить эффект Швингера, благодаря которому в сильном классическом электрическом поле должны рождаться электрон-позитронные пары (правда, некоторые физики считают, что рождаться должны не электрон-позитронные пары, а фотоны).

К сожалению, для таких процессов сложно отличить классические поля от квантовых, поэтому до сих пор говорить о подтверждении эффекта Швингера не приходится. Тем не менее, такая работа ведется.

В каких процессах встречается горячее сверхплотное вещество, которое исследует NICA?

Вообще говоря, во Вселенной гораздо чаще встречается холодное, а не горячее сверхплотное вещество. Это нейтронные звезды. Теоретически знание свойств сверхплотного вещества позволит лучше понять, что происходит внутри нейтронных звезд — например, образуется ли в них так называемая кварковая фаза. Впрочем, проверить эти предсказания с помощью астрономических наблюдений в ближайшее время не получится.

Еще один известный пример процесса, в котором образуется кварк-глюонная плазма, — это Большой взрыв. В физике частиц даже существует термин «Маленький взрыв» (Little Bang), отсылающий к своему «большому собрату».

Во-первых, столкновения тяжелых ионов в определенных масштабах воспроизводят закон Хаббла: скорость разлетающихся частиц прямо пропорциональна их расстоянию до центра столкновения. Во-вторых, совсем недавно мы теоретически показали, что в кварк-глюонной плазме, рождающейся при столкновениях тяжелых ионов, образуются завихрения, отдаленно напоминающие галактики.

К сожалению, сказать, что на NICA физики могут создавать новые Вселенные, все-таки нельзя. В каком-то смысле, здесь ситуация напоминает нейтронные звезды. Дело в том, что у столкновения тяжелых ионов и Большого взрыва разные фазовые диаграммы. Грубо говоря, в плоскости параметров температура — химический потенциал эти процессы вычерчивают разные траектории.

В целом, оба процесса сводятся к уменьшению плотности и увеличению температуры, однако в одном процессе сначала падает плотность, а потом начинает расти температура, а в другом — наоборот. Поэтому «Маленький взрыв» все-таки не совсем воспроизводит «Большой».

Впрочем, это не значит, что столкновения тяжелых ионов бесполезны для изучения эволюции Вселенной. В принципе, при увеличении точности могут проявиться и какие-то универсальные свойства, которые одинаково работают в обоих процессах.

Ограничивается ли работа NICA исследованием столкновений тяжелых ионов?

Помимо эксперимента MPD (Multi-Purpose Detector), который изучает столкновения тяжелых ионов, на NICA также будет работать детектор SPD (Spin Physics Detector), измеряющий поляризацию пучков более легких частиц — протонов и дейтронов. С помощью этого детектора можно будет изучить структуру адронов, то есть понять, из чего складывается их спин и масса.

Здесь физикам снова поможет сравнительно низкая энергия коллайдера. Дело в том, что на энергиях Большого адронного коллайдера (порядка 10 тераэлектронвольт) в столкновениях проявляются только универсальные свойства частиц. Можно сказать, что на таких энергиях адроны практически полностью состоят из глюонов (энергией кварков можно пренебречь). А вот на энергиях NICA уже проявляется структура адронов.

В связи с этим интересно вспомнить сюжет про давление в центре протона. Оказывается, что такую чисто термодинамическую концепцию, для которой нужен большой ансамбль частиц, вполне можно обобщить на маленькие системы (протон состоит всего из трех кварков).

Более того, эффекты, которые возникают в протонах, напоминают коллективные явления в кварк-глюонной плазме. Поэтому можно надеяться, что понимание одной стороны этого «соответствия» поможет лучше разобраться с другой.

Грубо говоря, тут можно провести следующую аналогию. Кварк-глюонная плазма — это атмосфера Земли, происходящие в ней процессы — это погода. Как и атмосферой, кварк-глюонной плазмой управляют простые законы, которые, тем не менее, приводят к довольно сложной динамике (надежно предсказать погоду далее чем на неделю практически невозможно).

А протон — это комната, погоду которой предсказать гораздо проще. Глядя на закономерности, которые возникают в комнате, можно делать приблизительные выводы о погоде всей атмосферы, и наоборот. Вероятно, измерения NICA помогут прояснить эти закономерности.

Беседовал Дмитрий Трунин
в подготовке материала участвовала Ольга Добровидова