Наука проводит множество экспериментов в адронных коллайдерах. В этих устройствах мельчайшие частицы сталкивают друг с другом. Цель – получить современные материалы и изучить законы природы, которые лежат в основе мироздания.
Исследования в этой области открывают фантастические перспективы для учёных – физиков, химиков, биологов, а полученные результаты позволят изменить жизнь людей в лучшую сторону.
«Газета о России» рассказывает, зачем нашей стране новый прорывной проект, какие надежды возлагают на него отечественные учёные и каких результатов можно ожидать.
В поисках истины: чего ждать от коллайдера NICA
Новый шаг в изучении Вселенной – NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), российская научная установка, которая поможет понять, как устроена наша Вселенная. В ней будут сталкиваться атомы – наименьшие частицы, являющиеся основой химических элементов. В результате столкновений температура и плотность повышаются до экстремальных отметок, что позволяет изучать элементарные частицы, из которых создано всё вокруг.
В комплексе NICA учёные воссоздадут условия, возникшие на Земле после Большого взрыва. Изучая их, они поймут, как элементарные частицы взаимодействовали в первые моменты существования нашей Вселенной.
Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, вице-директор Объединённого института ядерных исследований Владимир Димитриевич Кекелидзе говорит: «Благодаря проекту NICA мы собираемся по кирпичику узнавать, из чего состоит наше мироздание, из чего состоит весь мир. Такая плотность, которая будет достигаться при помощи коллайдера, может наблюдаться только в недрах нейтронных звёзд. Если мы поймём, что там происходит, то сможем узнать, какими силами управляется всё в мире, в том числе на нашей Земле».
На пути к ответам
Работа ведётся в рамках национального проекта «Наука». Для создания коллайдера было произведено множество сложнейших устройств, работающих в вакууме. Основными элементами комплекса являются уникальные сверхпроводящие магниты, которые делают на заводе в Дубне. Они бывают двух типов – прямолинейные для кольца коллайдера и криволинейные для бустера (ускорителя). Это одни из самых сложных устройств, которые производит промышленность.
Источник: nica.jinr.ru
Профессор Владимир Димитриевич Кекелидзе отмечает особый вклад в проект Новосибирского института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, который помог обеспечить проект NICA отечественными материалами.
Но главный соленоид комплекса весом 70 тонн заказали в Европе. «Нужно помнить, что наука интернациональна, – поясняет профессор Кекелидзе. –Поэтому мы не замыкаемся, а используем и иностранные комплектующие. Многие европейские коллеги без нас тоже ничего сделать не смогут. У науки нет никаких политических границ. Наука глобальна. Всё, что делается уникального в каждой стране, все новаторства идут на передний край современной науки. Ни одна страна не сможет обойтись без вложения других стран».
NICA и БАК – исследование Вселенной с помощью разных инструментов
Несмотря на вес центрального соленоида, создаваемый в Дубне коллайдер NICA – самый маленький в мире. Его периметр составляет 503 метра. В отличие от уже существующего на границе Швейцарии и Франции Большого адронного коллайдера (БАК) размером в 27 километров, у отечественного комплекса другие задачи.
Коллайдер в Женеве не подходит для исследований российским учёным из-за слишком больших мощностей. Он был рассчитан на столкновения протонов суммарной кинетической энергии 14 ТэВ, а NICA нацелен на более низкие энергии, до 11 ГэВ (1 тераэлектронвольт (ТэВ/c) = 1000 гигаэлектронвольт).
России нужны эти более низкие энергии, поскольку при них частицы объединяются в горячую сверхплотную материю. Изучая такое вещество, может быть найдена зона перехода вещества из одного состояния в другое. Например, материя может переходить из обычного состояния в состояние, которое существовало только в начале Вселенной. Таким образом, можно сказать, что NICA и БАК – это уникальные установки, каждая из которых исследует различные явления в природе.
Представьте, что атомы – это велосипедисты, которые двигаются с постоянной скоростью по прямой дороге. Если они начнут тормозить, то можно будет наблюдать переходный процесс – скорость будет постепенно замедляться, на дороге останутся следы торможения. Но если велосипедисты во время движения столкнутся с препятствием, то никакого перехода скорости не будет видно – велосипедисты просто упадут.
Вот отечественный коллайдер предназначен для изучения переходного состояния веществ, в котором пребывала наша Вселенная примерно на десятой микросекунде после Большого взрыва, произошедшего около 13,7 миллиарда лет назад. Это состояние называется кварк-глюонной плазмой (КГП), её получение в лаборатории очень вдохновляет отечественных и международных научных работников.
Кварк-глюонная плазма: окно в раннюю Вселенную
Мы все знакомы с плазмой. Например, плазменный телевизор использует плазму для создания светящихся точек на экране. Это происходит благодаря газоразряду, который создаёт электрическое поле в ячейках экрана, что приводит к ионизации газа и образованию плазмы. По такому же принципу работают плазменные газовые лампы, фары автомобилей, световые вывески.
Плазма – это четвёртое состояние вещества, которое образуется при переходе газа в ионизированное состояние. В отличие от газа, атомы и молекулы в плазме становятся заряженными и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями. С этим свойством плазмы мы сталкиваемся в таких технологиях, как сварка и плазменная резка.
А КГП – это состояние вещества, образуемое при огромном давлении и температуре, когда ядра атомов сталкиваются между собой со скоростью, близкой к скорости света. Это невероятно горячее и плотное вещество, в котором элементарные частицы взаимодействуют между собой свободно, а не связаны внутри атомов. Оно наблюдается при экспериментах на ускорителе тяжёлых ионов, как, например, том, что действует в Российском институте ядерной физики имени Г.И. Будкера.
В обычных условиях материя в основном состоит из атомов, в которых электроны вращаются вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов, а те, в свою очередь, состоят из кварков и глюонов. Кварки – это основные элементарные частицы, из них соткано всё вещество. Они не могут быть разделены на более мелкие части и связываются вместе силами, называемыми глюонами.
Итак, глюоны – связующая сила, которая помогает объединить кварки внутри атомов и молекул, образуя таким образом всю материю. И если разогнать частицы до очень высокой энергии, то они превратятся в КГП.
Владимир Димитриевич Кекелидзе поясняет: «Главная задача проекта – изучить кварк-глюонную материю в условиях высокой плотности».
Нас ждут прорывные технологии
То, что будет происходить в коллайдере NICA, играет большую роль в изучении свойств материи. Кроме того, работа с этим ускорителем имеет широкий прикладной потенциал.
Новые материалы
К комплексу NICA проявляют недюжинный интерес создатели принципиально новых материалов – они работают над получением металлических тонкостенных оболочек, которые выдерживают большие перепады давления; а также физики, создающие специальные сплавы для новых технологий сварки различных металлов.
Сталь, медь, титан, ниобий, вольфрам, магний, алюминий и их сплавы благодаря исследованиям учёных станут более прочными и долговечными.
Улучшенный графен
Графен – это материал, который изготавливают из атомов углерода. Он имеет такую же структуру, как карандашный грифель, только его толщина составляет всего один атом. Это делает его очень лёгким и тонким, но при этом прочным и электропроводным.
От комплекса NICA можно ждать получения новых материалов на основе графена и других углеродных наноматериалов, которые будут обладать высокой прочностью и электропроводностью.
Новейшие полимеры и композиты
Полимеры и композиты имеют разные свойства и используются в различных областях – от изготовления детских игрушек до строительства космических кораблей.
Под влиянием химических процессов, объединяющих молекулы, создаются более крепкие материалы. Они могут быть очень прочными, но при этом лёгкими и гибкими. В научном мире надеются, что комплекс поможет ещё существеннее улучшить их свойства.
Керамика для самолётов
Керамические материалы идеальны для использования в авиации благодаря своей прочности, жёсткости, лёгкости и высокой устойчивости к химическим воздействиям. Обычно их применяют там, где надо выдерживать высокие температуры, например, в деталях двигателей, а также в структурных элементах фюзеляжа. Разработчики авиационной и космической техники тоже ждут развития этих технологий и новых изобретений.
Новые качества электроники
Использование NICA может привести к развитию новых технологий в электронике. Одна из основных областей, где это может произойти, сенсорика – появятся сверхчувствительные датчики, измеряющие свет, звук, температуру, влажность и другие параметры.
Проект также способен помочь в создании новых процессоров и компьютерных чипов, более быстрых и энергоэффективных.
В целом, может появиться электроника, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения, что необходимо для полётов в космос.
Медицина
NICA широко откроет двери науки для исследований в области медицины. Полученные знания будут использоваться для лучевой терапии и протонной компьютерной томографии при радиотерапии злокачественных новообразований. Эти технологии позволяют достигать высокой точности в дозе облучения опухоли и одновременно минимизировать повреждение окружающих тканей.
Приближая будущее
Маленький по размерам, но огромный по значению российский коллайдер – значимый научный проект, который окажет влияние на многие области науки и технологий. Этот проект позволит нашим учёным изучать явления в области ядерной физики, которые невозможно рассмотреть в лабораторных условиях.
С помощью NICA научный мир расширит знания о фундаментальных составляющих Вселенной и вдохновит исследователей во всём мире ещё шире раздвинуть границы познания.
Запуск нового коллайдера может быть осуществлён уже в этом году.
Сергей Манцуров
ГОР