Строительство российского коллайдера NICA вышло на финальный этап
В подмосковном городе Дубна на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) начался финальный этап строительства российского коллайдера NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Его основная миссия – воспроизведение первых мгновений жизни Вселенной после Большого взрыва. Однако процесс создания комплекса помогает и развитию промышленности, способствуя формированию уникальных производств. Об этом рассказал заместитель главного инженера Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ), главный конструктор проекта NICA-MPD, профессор Николай Топилин.
ФОТО pixabay
– Николай Дмитриевич, в петербургском порту «Бронка» недавно была перегружена важная деталь российского коллайдера, которую везут в Дубну из Италии. Поясните, что это такое?
– Это ключевой элемент коллайдера, его «сердце». Это огромный 70-тонный соленоид (разновидность катушки индуктивности) сверхпроводящего магнита MPD. Соленоид был произведен в Италии по проекту ученых ОИЯИ. Компаний, которые могли бы сделать что-то подобное, в мире очень мало. Мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в разы дешевле, чем в Японии. А поскольку это самый дорогой компонент нашего комплекса и речь идет о многих миллионах евро, это имеет значение. Вторая часть устройства, магнитное ярмо, была изготовлена в Чехии и успела прибыть в Россию до пандемии.
– В свое время российская промышленность принимала активное участие в создании Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного на границе Швейцарии и Франции. А петербургские «Ижорские заводы» и «НИИ Электрон» даже получили золотые медали от центра Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН). А что для создания проекта NICA производится в России?
– Специально для реализации этого проекта в Дубне был открыт завод по производству уникальных сверхпроводящих магнитов. Эти сложнейшие устройства, работающие в вакууме, являются основными элементами комплекса. Мы делаем два типа магнитов – прямолинейные для кольца коллайдера и криволинейные для бустера (ускорителя). Кроме нас такие магниты в мире больше никто не производит.
– Что собой представляет коллайдер NICA?
– Это сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов. Название ускорителя выбрали созвучно красивому имени греческой богини победы Ники. Разработка проекта началась в 2006 году. Создание коллайдера проходит на базе ускорителя «Нуклотрон», представляющего собой сильнофокусирующий синхротрон. Он был сооружен в Дубне в течение 1987 – 1992 годов в том же здании, где расположен ускоритель прошлого поколения (синхрофазотрон ОИЯИ). «Нуклотрон» создан на основе уникальной технологии сверхпроводящих магнитов, предложенной и развитой в лаборатории высоких энергий, которая в настоящее время носит имя академиков В. И. Векслера и А. М. Балдина. Конструкторские разработки, испытания и монтаж элементов «Нуклотрона» целиком выполнены силами коллектива нашей лаборатории.
В итоге этот комплекс будет состоять из нескольких зданий, самое большое из которых займет наземный коллайдер. Создаваемый в Дубне коллайдер – самый маленький в мире. Его периметр составляет 503 метра, по форме он схож с беговыми дорожками на стадионе: два прямолинейных участка порядка ста метров каждый и две радиусные части. В центре прямолинейных участков находятся точки пересечения пучков, вокруг которых находятся детектирующие процессы распада установки. Строить NICA начали в 2013 году. Монтаж коллайдера планируют завершить в конце 2021 года, а циркуляция ионов в нем начнется уже в 2022 году.
– Каким образом пандемия коронавирусной инфекции повлияла на реализацию проекта?
– Ситуация с пандемией отразилась только на процессах, связанных с зарубежными компаниями. Работы на территории России идут без сбоев. Несмотря на то что часть наших сотрудников теперь работают удаленно, линии по производству магнитов функционируют в обычном режиме. На установленный график строительства проекта коллайдера NICA пандемия пока не оказала заметного воздействия.
– Зачем нужен маленький коллайдер, если в Европе уже существует Большой адронный коллайдер?
– У него другие задачи. Чем меньше частичку мы хотим поймать, тем больше нужна установка. Коллайдер в Женеве не подходит для наших исследований из-за слишком большой мощности. Он рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ в системе центра масс налетающих частиц, а также на столкновения ядер свинца с энергией 1150 ТэВ, или 10 ТэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Но если разгонять частицы до слишком высокой энергии, то они пролетают сквозь друг друга, не образуя плотного вещества. NICA же нацелен на более низкие энергии (до 11 ГэВ). При таких энергиях частицы в момент столкновения объединяются в горячую и сверхплотную материю. Изучив такое вещество, можно найти зону перехода вещества из одного состояния в другое.
Представьте, что вы кипятите воду в кастрюле. При этом можно наблюдать переходный процесс – и саму воду, и пузырьки пара. Но если выплеснуть воду на раскаленные камни, то никакого перехода увидеть не удастся – вода моментально испарится. Наш коллайдер как раз предназначен для изучения переходного состояния первых систем материи. Его запуск даст возможность воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная примерно на десятой микросекунде после Большого взрыва, произошедшего около 13,7 миллиарда лет назад, – кварк-глюонную плазму (КГП).
– Какое может быть практическое применение работы коллайдера NICA кроме вклада в фундаментальную науку?
– Все, что связано с коллайдером, имеет широкий прикладной потенциал. В этом направлении разработано несколько инновационных проектов. Прежде всего это создание революционной электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения, что необходимо для полетов в космос.
К ускорительному комплексу проявляют большой интерес создатели принципиально новых материалов. Речь идет о создании металлических тонкостенных многослойных оболочек, выдерживающих перепады давления 10 – 12 атмосфер, крупных сверхпроводящих устройств, специальных сплавов и новых технологий сварки различных металлов (сталь, медь, титан, ниобий, вольфрам и др.), новейших полимерных материалов с высокой механической и радиационной стойкостью, работающих при температурах жидкого гелия.
Еще одно перспективное инновационное направление связанно с развитием альтернативной энергетики, в частности, в области переработки и утилизации отработанного ядерного топлива.
Достаточно актуально на сегодняшний день практическое применение технологии в протонной компьютерной томографии при радиотерапии злокачественных новообразований протонами и ионами углерода. В настоящее время в мире введено в эксплуатацию более 60 центров протонной и ионной терапии.
– В каких еще странах ведутся работы по созданию коллайдеров?
– Помимо России разработками в этой области занимаются ученые из США и Германии. В Германии разрабатывается похожий проект под названием FAIR. Как раз для него поставляются промышленные образцы сверхпроводящих магнитов, которые производятся на нашем заводе в ЛФВЭ ОИЯИ.
Что касается Большого адронного коллайдера ЦЕРН, то с начала его работы в 2008 году было сделано несколько важных открытий. Несмотря на то что БАКу предстоят еще почти два десятилетия исследований, уже начались работы над проектом коллайдера нового поколения. ЦЕРН намерен построить новый циклический суперколлайдер будущего (Future Circular Collider, FCC), который позволит во много раз увеличить энергию частиц и значительно расширить возможности исследований. Стоимость ускорителя оценивают в девять миллиардов евро, из которых пять миллиардов пойдет на строительство 100-километрового подземного тоннеля, который будет проходить под Женевским озером и частично под Альпами. Для сравнения: тоннель Большого адронного коллайдера имеет протяженность около 27 километров. Но строить новый коллайдер начнут не раньше 2040 года.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 205 (6803) от 11.11.2020 под заголовком ««Кастрюля» для кваркового супа».
Комментарии