«Час прискорювати, час зіштовхувати»

У підмосковній Дубні триває будівництво прискорювального комплексу NICA. «Популярна механіка» з’ясувала, що збираються шукати на ньому вчені і коли чекати нових відкриттів.

На зустріч ми сильно запізнилися. Вночі вдарив раптовий мороз, і пором, який повинен був перевезти нас через Волгу, затримався години на півтори, поки розчищали нарослий біля берега лід. Зате з’явився час на те, щоб докладно пояснити всій нашій команді, для чого довелося вантажити в багажник фототехніку і з раннього ранку вирушати на дальній край Підмосков’я. Почати довелося здалеку — з самого народження світу.

Три хвилини космосу

Всесвіт виник близько 13,8 млрд років тому, і вже незабаром в ньому запалилися перші світила. Найбільш ранні зірки, які здатні розрізнити сучасні телескопи, з’явилися лише через 200 млн років після Великого вибуху. Але найдавніше світло, яке ми можемо бачити, ще старше і вироблене не ними. Це фотони мікрохвильового фону, які збереглися з того моменту, коли наш світ охолов до прийнятних температур, близько 3000 К. Електрони нарешті змогли утримуватися на орбітах навколо ядер і утворили перші атоми.

До того часу космос наповнювала розпечена плазма, і будь-який випромінений фотон моментально розсіювався в її непроникному тумані. Тільки через 379 тис. років з утворенням атомів простір розчистився і ним почало поширюватися випромінювання. Цей реліктовий фон реєструють радіотелескопи, але все, що відбувалося раніше, залишається за непроникною межею, далі якої немає ні фотонів, ні, відповідно, телескопів, які могли б їх побачити.

Найперші етапи розвитку світу, які передували утворенню атомів (рекомбінації), ми вивчаємо в основному теоретично. Вони були короткими, але бурхливими: вже через 10 ^— 43 з після Великого вибуху з’явилися перші частинки, а через ¹⁰ — 35 з Всесвіт почав розширюватися в експоненційному режимі інфляції. Світ був заповнений неймовірно щільною і гарячою сумішшю, що складається здебільшого з кварків (згодом вони утворюють нейтрони і протони) і глюонів, які потрібні для з’єднання кварків один з одним.

Незабаром таке об’єднання відбулося; фазовий перехід здійснився різко, подібно зростанню кристалів у хімічній грілці. З початку світобудови пройшло всього три хвилини, а кварк-глюонна плазма зникла. Сьогодні вона, можливо, існує лише в надрах найщільніших об’єктів, таких як нейтронні зірки. Але на її місці з’явилися протони і нейтрони звичайної адронної матерії, а слідом — перші атоми, зірки, галактики.

Все це теорія, хоча багато її положень вдається підтвердити на практиці. Сліди інфляції збереглися в слабких аномаліях реліктового фону, а також у великомасштабній структурі Всесвіту; у величезних наземних коллайдерах отримана кварк-глюонна плазма. Однак загадкою залишається сам момент «випадання» з неї адронів. Як і з хімічною грілкою, цей момент важко вловити, і навіть умови, при яких відбувається фазовий перехід, в точності невідомі.

Існуючі прискорювачі частинок для цього не підходять. Так, знаменитий Великий адронний колайдер зводився для вирішення зовсім інших завдань — насамперед пошуків бозона Хіггса. Матерія, що стикається в ньому, виявляється надто гарячою і недостатньо щільною для потрапляння в область фазового переходу. Щоб зловити його, потрібні нові інструменти, і робота над ними вже йде. Проходить модернізацію американський RHIC, у Німеччині зводиться новий FAIR. Розгорнуто будівництво і в підмосковній Дубні: Об’єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯІ) готує до роботи прискорювальний комплекс NICA.

Інжекторний комплекс здатний накачувати кільцеві прискорювачі легкими частинками і важкими іонами

П’ять хвилин частинки

Біля прохідної ОІЯІ нас зустрів науковий співробітник лабораторії фізики високих енергій Дмитро Дряблов. «Загалом, нічого нового тут немає, все робиться на вже відомих принципах, — розповів він, поки ми йшли по великій території лабораторії до місця будівництва, — прискорювач, коллайдер, кріогенна система — стандартні для таких установок елементи». Навіть легендарний перший корпус, де ще в 1950-х був запущений синхрофазотрон ОІЯІ, стане частиною комплексу NICA. Кругла будівля вже обросла цистернами і компресорами нової кріогенної системи.

Усередині нього більшу частину займає сталеве «ярмо» магніту синхрофазотрона, згорнутий колом хребет вагою в десятки тисяч тонн. Сьогодні він зберіг не тільки історичну цінність: всередині кипить робота. Старі залізні плити служать основою для монтажу надпровідних магнітів. Збоку підведені виходи інжекційних систем — джерел легких частинок (протонів і т. д.) і важких іонів золота для майбутнього колайдера. Підхоплені потоком електронів, вони будуть підганятися в коротких лінійних прискорювачах і відправлятися в бустер.

Лінія зі складання та випробувань надпровідних електромагнітів

211-метровий бустер — перший з трьох циклічних прискорювачів майбутнього комплексу. За пару секунд у ньому згусток золотих іонів збільшить енергію і додатково спалиться, після чого буде переданий далі, в кільце Нуклотрона, викладене поверхом нижче. Нуклотрон, запущений в 1990-х, здатний доводити енергію важких іонів до 6 ГЕВ на нуклон. Поки йде будівництво, він продовжує роботу, відправляючи частинки в стаціонарні мішені для досліджень нових матеріалів, радіобіології тощо. У NICA ця робота продовжиться, але з’явиться і третє, фінальне кільце колайдера.

Комплекс NICA

Поки що, піднявшись на дах першого корпусу, ми побачили тільки обширне і холодне будівництво. Однак зведення тунелю вже закінчується, і незабаром в нього ляжуть дві паралельні труби, за якими в протилежних напрямках помчаться згустки, банчі частинок. Коло за колом 500-метрові кільця зможуть накопичувати їх і додатково ущільнювати, стискаючи в тонкі нитки діаметром близько міліметра. Через 4-5 хв. після отримання іонів підготовлені банчі попрямують до лобового зіткнення в секціях, на яких встановлені детектори.

Будь-які маніпуляції з частинками в прискорювачах і коллайдерах виробляються за допомогою потужних магнітів. Дипольні магніти утримують їх на колі, квадрупольні фокусують банч, стискаючи і не дозволяючи розпливтися в сторони. У певних ділянках встановлюється високочастотна прискорювальна система, яка спрацьовує щоразу, коли повз пролітає згусток частинок. При цьому індукція магнітного поля нарощується поступово: надто прискорилися і вирвалися вперед іони отримують трохи менший поштовх, а відставші — навпаки, трохи більший, і вони щільніше збираються разом. Цей метод «автофокусування» був запропонований Володимиром Векслером ще в 1940-х — сьогодні його ім’я носить лабораторія фізики високих енергій (ЛФВЕ) ОІЯІ, головний проектувальники майбутній користувач NICA.

Два кільця колайдера розташуються в круговому тунелі один над іншим, сходячись в павільйонах, де будуть встановлені детектори MPD і SPD

Місяць магніту

Кабель типу Нуклотрон з порожнім сердечником, що служить для охолодження

Сама технологія надпровідних магнітів для нового колайдера теж заслуга вчених з ЛФВЕ. Ще в 1970-х тут почали випробовувати такі магніти, охолоджувані зануренням у кріогенну рідину. Згодом було знайдено більш оптимальний варіант — з використанням трубчастого кабелю, в порожнині якого прокачується рідкий гелій. Роки моделювання і випробувань дозволили домогтися оптимальної конфігурації системи. «Кабель типу Нуклотрон — це наше головне ноу-хау», — пояснив «ПМ» молодший науковий співробітник ЛФВЕ Михайло Шандов.

У центрі такого кабелю розташовується мельхіорова трубка, через яку прокачується гелій, що знаходиться на межі фазового переходу між газом і рідиною. У такому стані він має найбільшу тепломісткість і краще охолоджує намотані на трубку нитки ніобій-титану, тонкі, як волосся. При зростанні температури Nb-Ti втрачає надпровідні властивості, його опір збільшується, тому він занурений в мідну матрицю. Вона знімає напругу з деформованого намоткою ніобій-титану і захищає його від інших небезпек.

Системи колайдера працюють з такими сильними струмами, що для них доводиться використовувати по-справжньому надійні провідники і масивні контакти

«Якщо зрив надпровідності відбудеться, то мідь збереже низький опір, — говорить Михайло Шандов. — Тік зможе йти в неї — це дасть нам час, щоб» евакуювати «надлишок енергії з системи. Адже кожен дипольний магніт накопичує її, грубо кажучи, стільки ж, скільки розігналася важка вантажівка. Якщо вчасно не видалити цю енергію, вона зруйнує прискорювач «. Надпровідний шар притискається до охолоджувальної трубки тугим бандажем з ніхромової ліски. Нарешті, зовні все покривається кількома шарами електро- і теплоізоляції — поліімідної плівки і склоткані. Такий кабель намотується на сталевий шаблон і запікається в печі. Окреме приміщення для намотування кабелю займає лише невелику частину цеху з виробництва надпровідних магнітів. Основні площі відведені під точні інструменти і випробувальні стенди. Перші, «теплі» тести виконуються при кімнатній температурі, після чого проводяться збірка, підключення і пайка охолоджувальної системи. Вона перевіряється на герметичність у вакуумній камері, і, якщо протікання не виявлено, магніт переміщується на кріогенну установку.

Тут магніт виводиться на робочий температурний режим і «тренується». «Справа в тому, що намотка порушує структуру надпровідника, і спочатку не весь його обсяг переходить у надпровідний стан. При подачі великого струму неминучі зриви, мікроскопічні переміщення обмотки до тих пір, поки все не постане по місцях, — пояснив Михайло Шандов. Навіть із запасом «.

Стенд кріогенних випробувань дозволяє паралельно випробовувати до шести магнітів. На збірку кожного йде доба або дві, а от охолодження для випробувань може вимагати чотирьох діб, і стільки ж необхідно виділити на «отеплення» після проведення тестів. Весь виробничий цикл займає близько місяця, після чого в магніт встановлюють іонопровід — фрагмент трубки, по якій будуть рухатися частинки, — і він закривається в очікуванні транспортування і остаточного монтажу.

Лінія зі складання та випробувань надпровідних електромагнітів. На задньому плані — встановлення для проведення кріогенних тестів з масивними ємностями рідкого гелію

Три роки очікування

Урочиста закладка першого каменю в будівництво колайдера NICA відбулася в березні 2016 року, а вже в листопаді була запущена лінія зі складання надпровідних магнітів. Десятки їх змонтовані або продовжують монтуватися на бустері, все більше виробів готові до встановлення в майбутній коллайдер. Загалом тут буде виготовлено майже 600 магнітів для NICA, а також для колайдера проекту FAIR, що зводиться в Німеччині.

Тим часом в окремій будівлі йде робота над головним детектором комплексу, багатофункціональним MPD. Саме в центрі цього циліндра розмірами 10 ^ 7,5 м будуть стикатися підготовлені іонні батчі, розлітаючись каскадами частинок. Детектору належить реєструвати мільярди подій, передаючи в обчислювальну систему десятки петабайт сирих даних на рік.

Але до їх обробки в Дубні готові: у листопаді лабораторія інформаційних технологій ОІЯІ запустила новий суперкомп’ютер «Говорун» з піковою продуктивністю 860 терафлопс. Вчені вже користуються його можливостями для моделювання очікуваних подій та уточнення параметрів роботи NICA. Перші запуски комплексу заплановані на 2023 рік. З одного боку, це досить довгий термін. Але з іншого — не такий вже довгий для вирішення проблеми перетворення кварків на протони і нейтрони, того фазового переходу, який залишається загадкою стільки, скільки існує Всесвіт. Мінус три хвилини.