В Дубне собирают уникальный коллайдер NICA
Он позволит ученым проникнуть в тайны атомного ядра, воспроизвести первые мгновения после Большого взрыва и даже разработать новые способы лечения рака⚛️
Он позволит ученым проникнуть в тайны атомного ядра, воспроизвести первые мгновения после Большого взрыва и даже разработать новые способы лечения рака⚛️
#адронный_коллайдер #БАК #наука #физика
Под Москвой, в г. Дубна создают установку NICA, которая по словам физиков, превосходят то, что делает швейцарский коллайдер.
Российские ученые участвуют в создании Кольцевого коллайдера будущего: в CERN успешно завершились приемочные испытания отечественных сверхпроводников, изготовленных Росатомом⚛️
2021 год в России объявлен годом "Науки и технологий"
Текст песни:
Менеджеры и юристы, их приводят мне в пример,
А я тружусь в НИИ обычном, я - российский инженер.
Трачу на проект свой новый кучу времени и сил,
Чтоб адронный наш коллайдер скорость нужную развил.
И когда его разгоним, я надеюсь, заживем, В черную дыру заглянем и узнаем че по чем.
Припев:
У меня сегодня выходной, но я не пойду домой,
Освобожусь, наверное, к раннему утру, дадут, может, за это мне грамоту,
Работаю почти за интерес, и хочу, чтоб в стране был прогресс,
На проект выделили миллиард, а нам остался ноль - это обычный расклад.
Многие мои коллеги за бугром теперь живут,
Только я один остался поднимать науку тут.
Есть идеи и желанье, только нету ни гроша,
Руководство мне сказало, что виноваты США.
И твердят нам в управлении, мол на запад не смотреть,
Мы идем своей дорогой , нужно просто потерпеть.
Припев:
У меня сегодня выходной, а душа за науку болит, от тоски и уныния меня спасет этиловый спирт.
А потом на утро проснусь, налью в стакан кефир и представлю, как я изменю в лучшую сторону этот мир.
Нам еще чуть-чуть осталось, нам сказали подождать,
Быть послушным и трудиться, чтобы сверхдержавой стать.
Денег выделят нам скоро, и НИИ мы воскресим,
Если все не разворуют, на космолете полетим.
Верю я, что миг настанет, мы достигнем высших сфер,
И кумиром мира станет наш российский инженер.
Припев:
Волновая поверхность зон, ракетоноситель "Протон",
Вместо того, чтобы делать по уму,
Мы раскрашиваем их под хохлому.
Ничего мне не нужно взамен, поднимаю науку с колен,
Работаю за 30000 по 6 смен и жду перемен.
Эксперимент продолжался два года. Его ставили на Большом адронном коллайдере.
Ученые из Московского физико-технического института, Национального исследовательского ядерного университета и Физического института им. Лебедева РАН обнаружили новый резонанс элементарной частицы. Об этом сообщается на сайте МФТИ.
Эксперимент продолжался два года. Его ставили на Большом адронном коллайдере. Новую частицу обнаружили с большой статистической значимостью.
Ранее российские физики рассказали о подготовке к синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Речь идет о 119-м, 120-м и 121-м элементах периодической системы химических элементов. Благодаря фабрике сверхтяжелых элементов российские физики надеются получить их первыми.
В прошлую пятницу многие жилые дома подмосковного города Дубны остались без электричества, воды и отопления. Закрылись некоторые магазины, перестал работать сайт местного Объединенного института ядерных исследований. Дубненский «конец света» не стал сюрпризом для тех, кто обратил внимание на листовки, которые появились в городе накануне. Те предупреждали, что с 10 до 12 часов «будет осуществляться перемещение магнита MPD для проекта NICA от причала на реке Дубна до площадки Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ».
Магнит для детектора MPD в путешествии по Дубне.
Дубненский коллайдер
Коллайдер — это один из типов ускорителей, в котором разогнанные заряженные частицы — электроны, протоны, ионы и так далее — сталкиваются с другими такими же частицами. Коллайдеров в мире много: прямо сейчас работает семь, а самый известный из них — Большой адронный коллайдер — использует в качестве снарядов протоны (на нем проводятся и эксперименты с ионами свинца, но это не основная часть его рабочего времени), и предназначен для поиска новых частиц и «новой физики».
Коллайдер NICA, который уже давно строится в Дубне, будет сталкивать тяжелые ионы и изучать экстремальное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. Ее температура и плотность настолько высока, что осколки элементарных частиц, кварки, не «склеиваются» в адроны, частицы привычной для нас материи (глюоны, соответственно, это тот самый «клей», калибровочный бозон, который отвечает за сильное взаимодействие кварков друг с другом).
У кварк-глюонной плазмы, как у любого другого вещества, есть фазовая диаграмма. В случае воды эта диаграмма показывает, как на координатной плоскости «температура — давление» проходят границы между тремя агрегатными состояниями — жидкостью, газом (паром) и твердым состоянием (льдом). На этой плоскости есть критические точки, например, тройная точка воды, где все три ее состояния могут существовать одновременно. Ученые рассчитывают с помощью «Ники» выяснить, как выглядит фазовая диаграмма кварк-глюнной плазмы, и где на ней находятся критические точки.
Фазовая диаграмма адронного вещества. По оси x отложена плотность вещества, по оси y — температура. Источник: nica.jinr.ru
Для того, чтобы получить кварк-глюонную плазму и разобраться в том, что в ней происходит, недостаточно просто столкнуть ионы в коллайдере. Нужно еще собрать данные о результатах этого столкновения. Для этого, помимо ускорителя и источника частиц нужны детекторы в точках столкновения пучков ионов.
Зачем нужен магнит?
В сентябре 120-тонный саркофаг ярко желтого цвета погрузили в порту Генуи на корабль, который отправился в Петербург. 28-го октября его пересадили уже на речной транспорт, и неделю спустя баржа встала на рейд строго на границе между Тверской и Московской областью — на реке Дубна. На следующий день к ней подогнали плавучий кран, тот перегрузил итальянскую посылку с баржи на автомобильный тягач, и тот отправился с берега Дубны в Лабораторию физики высоких энергий. Под эту трехкилометровую поездку пришлось обесточить несколько районов города: саркофагу высотой семь метров надо было проехать под линиями электропередач, которые висели слишком низко — поэтому линию отключили а провода приподняли краном, чтобы пропустить под ними грузовик. Поскольку водоснабжение и вышки сотовой связи тоже нуждаются в электричестве, часть жителей города осталась без воды и связи.
Внутри «коробки», проделавшей этот путь — главный элемент детектора MPD (Multi-Purpose Detector). В центре этого детектора, похожего по форме на гигантскую металлическую бочку, и будут сталкиваться пучки тяжелых ионов. Детектор будет определять массу и скорость всех получившихся при столкновении осколков и новых частиц. А физики, анализируя эти данные, будут реконструировать физические процессы, возникающие при столкновениях. Точно так же данные о столкновениях собирают детекторы Большого адронного коллайдера CMS и ATLAS, которые почти десять лет назад засекли следы рождения бозона Хиггса, существование которого было предсказано за полвека до того.
«Если речь идет о столкновениях ядер [атомов] золота с прицельным параметром (максимальным отклонением от центра), скажем, пять фемтометров, то при каждом столкновении будет рождаться около двух тысяч заряженных частиц. Частота таких столкновений при проектной светимости коллайдера будет около 7 тысяч в секунду, то есть 7 килогерц. Детектор должен каждую из таких частиц зафиксировать, то есть определить, что это за частица, измерить ее траекторию», — объясняет Кекелидзе.
Сборка детектора MPD
Роль главного «чувствительного элемента» в MPD играет камера TPC (Time Projection Chamber — «времяпроекционная камера»). Это тоже бочка — диаметром 2,6 метра и длиной 3,4 метра, которую посередине пересекает «перепонка»-катод, подключенная к источнику высокого напряжения. «Дно» и «крышка» бочки — это аноды. Пространство в бочке заполнено инертным газом (90 процентов аргона и 10 процентов метана). Когда заряженная частица пролетает сквозь него, она ионизирует его и получившиеся электроны начинают дрейфовать к анодам, где их встречают позиционные детекторы, которые определяют не только точку прихода этих электронов, но и время их прихода.
Схема TPC-камеры
«Точка определяет позицию X-Y, а время — если знать скорость дрейфа электронов с учетом напряжения — определяется расстоянием вдоль оси этого цилиндра», — говорит Кекелидзе.
Помимо TPC в детекторе есть еще несколько чувствительных элементов: времяпролетная камера (TOF), которая восстанавливает траекторию полета, калориметры, осевые детекторы — все они призваны собрать достаточно данных, чтобы восстановить трехмерную картину разлета «осколков» с помощью дубненского суперкомпьютера «Говорун».
Однако вся эта машинерия будет бесполезной, если не будет выполнено главное условие: в камере детектора должно было постоянное магнитное поле определенной конфигурации. Магнитное поле играет роль той «руководящей и направляющей силы», благодаря которой заряженные частицы летят не в случайных направлениях, а по траекториям, которые определяются их скоростью и массой.
TPC-камера в процессе сборки
В однородном магнитном поле заряженные частицы летят по криволинейной траектории, поворачивая поперек силовых линий. На этом эффекте построен принцип действия масс-спектрометров: чем круче поворачивает частица в магнитном поле, тем меньше ее масса.
«По радиусу траектории и величине магнитного поля можно однозначно определить импульс частицы. Если вы знаете импульс, вы можете измерить ее массу. Если у вас будет время пролета, оно даст вам скорость. Зная скорость и импульс, вы можете посчитать массу и восстановить всю кинематику миллионов рожденных при столкновении частиц», — говорит Кекелидзе.
Чтобы эта восстановленная картина была достаточно точной, нужно, чтобы магнитное поле было очень, очень однородным. «Перед разработчиками магнита была поставлена задача, чтобы во всем объеме TPC-камеры — 2,6 метра на 3,4 метра — поле было идеально, чтобы силовые линии были точно параллельны оси. Мы потребовали такой однородности, которой еще ни в одном эксперименте я не помню», — говорит ученый. Магнитное поле MPD не слишком велико — 0,5 теслы, максимум — 0,65 теслы. Похожий соленоид детектора CMS рассчитан на поле 4 теслы. Однако здесь самое важное не «сила» магнита, а его «точность».
Конфигурация магнитного поля в детекторе MPD
Отношение поперечной составляющей поля к осевой должно быть не более, чем 3*10⁻⁴ Любое отклонение будет означать, что вся установка будет бесполезна для ученых. Если поле будет неоднородным, у вас будет ошибка измерений параметров, а значит научный результат вы получить не сможете.
Как строили магнит
Итальянская компания ASG Superconductors специализируется на производстве мощных сверхпроводящих магнитов, именно здесь делали значительную часть магнитов как для Большого адронного коллайдера и его детекторов CMS и ATLAS, так и для его предшественника — электрон-позитронного коллайдера LEP.
Магнит для детектора MPD устроен примерно так же, как магнит детектора CMS. Это два вложенных друг в друга цилиндра из нержавеющей стали диаметром 5,4 метра и 4,6 метра. Торцы закрыты фланцами. В пространстве между ними — катушка с намотанным на нее сверхпроводящим кабелем общей длиной 27 километров и массой 6,4 тонны, и трубки системы охлаждения. В пространстве между цилиндрами должен поддерживаться вакуум (10−5 торр — примерно одна десятитысячная доля миллиметра ртутного столба).
Несмотря на сходство с магнитами для Большого адронного коллайдера, магнит для MPD — штучное изделие. По словам Кекелидзе, только для того, чтобы создать инструменты и оснастку для постройки, понадобилось два года. Пришлось повозиться и со сверхпроводящим кабелем. Первоначально планировалось заказать его компании из Бразилии, но кабель был забракован, потом из Америки — тоже не пошел. В конце концов японский вариант подошел. Только работа с кабелем заняла полтора года.
Что дальше?
Пока саркофаг будет стоять на специальных опорах в экспериментальном зале детектора MPD. Вскроют его только после того, как в Дубну приедут итальянские специалисты. Те должны будут, в частности, проверить датчики ускорений: нужно убедиться, что в процессе перевозки магнит нигде не «приложили». «Надеюсь, что пандемия не задержит их приезд», — говорит Кекелидзе.
После того, как саркофаг будет вскрыт, криостат установят в железное «ярмо» детектора. Оно собрано пока что лишь наполовину и стоит в экспериментальном зале на рельсах, в стороне от линии, по которой в будущем будет лететь поток тяжелых ионов. Когда коллайдер начнет работать, детектор нужно будет просто подкатить к этой линии.
Сборка ярма детектора MPD
Сложность заключается в том, что точность размещения криостата, точность самого ярма должна быть очень высокой. Несмотря на большие размеры и вес, речь идет о «сотках», то есть точность позиционирования составляет 300-400 микрон. От этого зависит качество магнитного поля.
Потом начнется процедура подключения. «Туда надо вести криогенные линии с гелием, с азотом, коммуникации, и все это надо подключить к большой криогенно-компрессорной станции, которая сейчас еще строится. Это крупнейшая в России криогенно-компрессорная станция по сжижению жидкого гелия наработке жидкого азота. Туда подключаются все силовые линии, источники питания, коммуникации. Мы надеемся, что все это будет закончено где-то к весне», — говорит ученый.
Криостат с магнитом после установки в ярмо детектора MPD
Когда все линии будут подключены, специалисты начнут тестировать магнит, чтобы убедиться в устойчивости магнитного поля, что все сооружение в целом выдерживает нагрузки. Начнутся измерения магнитного поля. Для этого в ЦЕРНе специально по заказу ОИЯИ изготовили измеритель магнитного поля. Похожий измеритель на базе датчиков Холла использовался для измерения поля на детекторах Большого адронного коллайдера.
По словам Кекелидзе, специально для измерений в Дубну приедут специалисты ЦЕРНа. «Часть из этих ребят из ЦЕРНа уже вышла на пенсию в этом году, мы должны будем извлечь их из пенсионного отдыха во Франции и Швейцарии. Но они сами переживают за нас и готовы помочь, приехать. Месяц-два будем измерять магнитное поле. Когда магнитное поле будет измерено, только тогда закончится наш контракт с итальянцами, потому что они отвечают за параметры магнитного поля, которые там должны быть достигнуты».
Углепластиковая ферма для детектора MPD, желтым показаны гнезда для калориметров
Только после этого сборка детектора продолжится: внутрь криостата будет установлена углепластиковая ферма, которую создают в подмосковном ЦНИИ специального машиностроения. В эту раму будут помещены электронные калориметры, TPC-камера и другие «чувствительные элементы» детектора.
«Мы надеемся, что сборка закончится в середине 2022 года, — говорит Кекелидзе. — Тогда начнется калибровка и тесты, подключится весь компьютинг и онлайн-системы, все кабели, коммуникации. Начнем испытывать это все на космиках (частицах космических лучей) и проводить калибровки с тем, чтобы к концу 2022 года, когда появятся первые пучки, закатить на место и начать набор данных. Такой план».
Ученые Объединенного института ядерных исследований собираются расширить таблицу Менделеева: синтезировать сверхтяжелые элементы к десяти уже открытым. Параллельно в Дубне готовят к запуску первый в России адронный коллайдер.
У тупиковой ситуации вокруг Международного линейного коллайдера может найтись неожиданно элегантное решение — Международный продолговатый коллайдер, расположенный на Курильских островах. Такая схема будет компромиссной как с научной, так и с финансовой и даже c политической точек зрения. Работа по развитию физики элементарных частиц в этом регионе, на Камчатке, уже стартовала.
Рис. 1. Курильские острова выглядят идеальным местом для реализации Международного продолговатого коллайдера при существенном финансовом вкладе Японии. Помимо удобного расположения между Японией и Россией, они могут предоставить ученым много мест для прогулок и размышлений над тайнами устройства нашего мира. Одно из таких мест — красивейшее озеро Кольцевое на острове Онекотан, занимающее кальдеру Тао-Русыр, из которой вырос новый конус вулкана Креницына. Фото с сайта unusualplaces.org.
Мы неоднократно писали о тупиковой ситуации вокруг проекта Международного линейного коллайдера ILC. Он должен быть реализован в Японии, но позиция японского правительства долгое время оставалась весьма туманной, и только в начале марта Япония сказала хоть что-то определенное. В своем заявлении японское правительство дало понять: Япония не готова строить у себя линейный коллайдер, но хочет принимать тесное участие в будущей работе над этим или другим аналогичным проектом.
В свою очередь, научное сообщество, от лица которого выступил в марте Международный комитет по будущим ускорителям ICFA, тоже высказалось вполне четко: слишком много сил и денег было вложено в этот проект и слишком много научных надежд с ним связано, чтобы просто так от него отказаться. Конечно, есть и альтернативный путь — циклические электрон-позитронные коллайдеры, в частности китайский CEPC и церновский FCC-ee.
Однако для их реализации требуется заметно больше времени: на один только стокилометровый туннель потребуются многие годы. К тому же эти проекты не масштабируемы по энергии, да и вовлеченность Японии в них куда меньше. В общем, Япония не так видит свою роль в развитии ускорительной физике частиц.
Складывается ситуация, в которой решение обуславливают нескольких конфликтующих факторов. Строить коллайдер у себя Японии слишком затратно, а участвовать в строительстве где-то далеко — не так престижно. А вот если он будет где-то под боком — самое то. Если линейный коллайдер был бы по-настоящему японским проектом, то в циклическом Япония будет участвовать лишь как один их многих второстепенных участников. Линейный коллайдер можно было бы начинать стоить прямо сейчас, тогда как для циклического требуется время.
Элегантным выходом из этого тупика может оказаться максимально компромиссный вариант — Международный продолговатый коллайдер, расположенный на столь же продолговатой территории поблизости от Японии. Продолговатый характер коллайдера вберет в себя самые сильные стороны обеих схем ускорения частиц — линейной и циклической. Таких проектов еще не было, и Япония тут может стать первопроходцем. Строить такой коллайдер можно прямо сейчас, и по затратам на прохождения туннеля он будет ближе к линейному, чем к циклическому коллайдеру тех же размеров.
Наконец, — и вот тут вторая изюминка! — уже есть место, идеально подходящее для строительства Международного продолговатого коллайдера. Это Курильские острова, находящиеся под носом у Японии (рис. 2). Их размеры (о. Кунашир вытянут примерно на 120 км, а о. Итуруп — на 200 км) и продолговатая форма позволят не просто реализовать такой коллайдер, но и сделать его масштабируемым, наращивая его вдоль выбранного острова, насколько нужно. Спорный характер территорий тоже поспособствует реализации международного научного проекта такого масштаба. С одной стороны, это официально и не Япония вовсе, но очень рядом, так что Япония может сделать существенный финансовый вклад при минимальных затратах на логистику. С другой стороны, это станет шагом на пути совместного развития Курильских островов Россией и Японией, причем в том мирном русле, которое найдет живое одобрение у мирового сообщества. В Южно-Курильске, на базе Международного продолговатого коллайдера, сформируется научная лаборатория мегамасштаба — Мировой Курильский Центр по физике микромира, своеобразный тихоокеанский аналог ЦЕРНа, новая точка роста и развития России.
Рис. 2. Вытянутая форма Курильских островов хорошо подходит для строительства коллайдера нового типа. Изображение с сайта maps.yandex.ru
Конечно, эта задумка пока далека от реализации. Для начала физики и техники должны довести ее до стадии технического проекта, затем ее должно поддержать мировое научное сообщество и одобрить правительства РФ и Японии. Но какое-то движение в эту сторону уже началось. В этом году на Камчатке стартует кипучая деятельность по развитию физики элементарных частиц в этом регионе. Так, первая Камчатская школа по физике частиц и смежным темам, которая пройдет в сентябре и которую организует Объединенный институт ядерных исследований совместно с камчатскими партнерами, уже принимает от всех желающих заявки на участие.
Не исключено, что уже в ближайшие годы мы станем свидетелями того, как будущее физики элементарных частиц начнет приобретать продолговатые очертания.
Источник: https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433455/Predlozhen_komp...
Тогда этот вызов для вас! Мы зашифровали звездных капитанов команд нового юмористического шоу, ваша задача — угадать, кто возглавил каждую из них.
Переходите по ссылке и проверьте свою юмористическую интуицию!