NICA: новый ускорительный комплекс в Дубне поможет лечить рак

В подмосковной Дубне строят ускорительный комплекс NICA. С ним физики смогут узнать больше о зарождении Вселенной, протестировать микроэлектронику для спутников и заняться исследованиями в области углеродной терапии рака. Эксперименты на нуклотроне уже начались, а в 2022 году запустят последнюю, пятую, установку комплекса — ​коллайдер. Мы отправились в Объединенный институт ядерных исследований посмотреть (и потрогать) ускорители, детекторы, магниты и другие составляющие международного мегасайенс-проекта.

Пять гектаров науки

Созданием ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility —​ ионный коллайдер на базе нуклотрона) занимается лаборатория физики высоких энергий (ЛФВЭ). Она была открыта в 1957 году —​ одновременно с институтом. Синхрофазотрон ЛФВЭ стал первым в Советском Союзе и четвертым в мире. Он мог ускорять протоны до рекордной для того времени энергии 10 ГэВ. В 2002 году установку демонтировали, оставив ярмо магнита, внутри которого расположится бустерное кольцо будущего коллайдера. В комплекс NICA войдет нуклотрон, запущенный в 1993 году и модернизированный в 2016-м. Физики уже провели на нем два эксперимента по сталкиванию тяжелых ионов с неподвижной мишенью.

Ускорительный комплекс займет площадь более 5 га. Всего для проекта потребуются 22 здания, четыре из них строятся, 18 реконструируются или ремонтируются. Специально для NICA построят центр обработки данных, который позволит обрабатывать до 15 петабайтов информации в год.

Помимо нуклотрона с детектором BM@N для экспериментов с фиксированными мишенями комплекс NICA будет включать ряд ускорителей и детекторов: инжекционный комплекс легких и тяжелых ионов с двумя линейными ускорителями — ​ЛУ‑20 и HILAC, синхротрон тяжелых ионов (бустер), который будет накапливать и ускорять ионы золота до 600 МэВ, а также 500-метровый коллайдер с двумя детекторами. Один из них, многоцелевой MPD, предназначен для исследования сверхплотной горячей материи в столкновениях тяжелых ионов. Второй, SPD, будет использоваться в экспериментах с поляризованными (вращающимися в определенную сторону) пучками частиц. Такие эксперименты предполагают столкновение как продольно, так и поперечно поляризованных пучков.

Бустер и коллайдер оснастят системами электронного охлаждения пучков. Их специально для NICA разработали и изготовили в Новосибирске.

На территории ЛФВЭ появится самая мощная в России криогенно-компрессорная станция для производства жидкого гелия и азота. Она значительно уменьшит стоимость экспериментов за счет рециркуляции жидкого азота — ​его можно будет использовать повторно.

В информационном бюллетене NICA специалисты ОИЯИ отмечают, что на заполнение колец коллайдера будет расходоваться не более 10 % пучкового времени. Остальные 90 % ускорительный комплекс будет работать на эксперименты с фиксированными мишенями, в основном на установках, расположенных на каналах выведенных из нуклотрона пучков.

Оборудование закупается в разных странах. У ОИЯИ есть обязательство перед странами-членами — ​они платят ежегодные взносы, а институт приобретает у них часть оборудования для нового комплекса. Не менее 20 % взноса должны вернуться в страну — ​так называемый промышленный возврат. Так, ярмо магнита для детектора MPD доставили из Чехии, а гигантский соленоид заказали в Италии. Его уже сделали и скоро отправят в Дубну по воде. Главное — ​успеть до закрытия навигации по Волге.

Критическая точка Вселенной

Считается, что сразу после Большого взрыва Вселенная существовала в виде кварк-глюонной плазмы. Это состояние вещества, в котором кварки не соединены в протоны и нейтроны, а практически свободны. В обычных условиях разделить кварки невозможно. Ученые предполагают, что в первые микросекунды вещество было настолько горячим, что огромная энергия не позволяла образоваться частицам вроде протона. Главная задача NICA — поиск фазового перехода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой.

Большинство известных ускорителей заряженных частиц, такие как европейский БАК или американский «Тэватрон», рассчитаны на работу в области высоких энергий (от 1 до 100 ТэВ). NICA же нацелен на куда более низкие энергии — ​до 11 ГэВ. Если разгонять частицы до слишком высокой энергии, то они пролетают сквозь друг друга, не образуя плотного вещества. При низкой энергии частицы в момент столкновения объединяются в горячую и сверхплотную материю — ​в разы плотнее адронного вещества (на NICA —​ в восемь раз). Изучив такое вещество, можно найти область, в которой частицы переходят из своего обычного адронного состояния в кварк-глюонную плазму.

Адроны могут расплавиться и образовать непрерывную среду только при определенной плотности и температуре вещества. «С NICA мы можем охватить очень интересную область — ​зону перехода вещества из одного состояния в другое. Представьте, что вы кипятите воду. При этом видно сразу два ее состояния — ​и саму воду, и пузырьки пара. Но если мгновенно нагреть воду до, например, миллиона градусов, то никакого перехода увидеть не удастся —​ вода моментально испарится. Аналогичные процессы происходят и с кварк-глюонной плазмой, когда она превращается в адронную материю или наоборот. И, вероятно, этот фазовый переход можно будет наблюдать в экспериментах на нашем комплексе», — ​поясняет Юрий Потребеников, заместитель директора ЛФВЭ.

Еще более амбициозная задача — ​найти не просто момент перехода, но и критическую точку, когда оба агрегатных состояния существуют одновременно. Здесь можно продолжить аналогию с водой и вспомнить явление, называемое тройной точкой, — ​когда при определенных давлении и температуре жидкая вода, пар и лед существуют одновременно. Для равновесия кварк-глюонной плазмы с адронным газом такая точка еще не найдена. Теоретические расчеты показывают, что она лежит в области плотностей и температур, в пределах которых будет работать NICA.

Космос, медицина и реакторы

Помимо фундаментальной науки на новом комплексе будут заниматься и прикладными исследованиями. В первую очередь ученых интересует тестирование микроэлектроники для космических аппаратов. За пределами атмосферы Земли электронные приборы подвергаются облучению ионизирующими частицами. Чтобы проверить устойчивость к такого рода воздействию, нужно воссоздать космические условия — ​например на ускорителе. Микросхемы облучают ионами железа с энергией 2–4 ГэВ, наиболее опасными для электроники. Так, в ОИЯИ уже протестировали и отобрали электронные компоненты для космического эксперимента PAMELA.

Еще одно перспективное применение — ​изучение воздействия частиц на биологические объекты. В ОИЯИ действует установка для протонной терапии рака. Этими исследованиями занимаются сотрудники ЛФВЭ и лаборатории радиобиологии ОИЯИ. В перспективе бустер NICA может быть использован для исследований в области углеродной терапии рака —​более эффективной для опухолей с низкой радиочувствительностью.

Ученые ЛФВЭ также будут участвовать в создании ядерного реактора, управляемого ускорителем. Концепция предполагает, что масса радиоактивного вещества в таких реакторах будет далека от критической, а цепная реакция начнется благодаря пучку частиц из ускорителя. Такие эксперименты уже идут, но пока получаемая в реакторе энергия существенно меньше, чем энергия, затраченная на «производство» пучков.

Физики также хотят заняться созданием сверхпроводящих накопителей энергии. «Во время циклической работы ускорителя в обмотках магнита накапливается, а затем возвращается в сеть большое количество энергии. Для уменьшения влияния большой индуктивной нагрузки ускорителя на общую сеть и пульсаций сети на работу ускорителя между ними планируется разместить сверхпроводящий накопитель энергии. Он позволит экономить энергию за счет уменьшения потерь в линиях связи сети и ускорителя», — ​рассказывает Юрий Потребеников.

Справка

Объединенный институт ядерных исследований —​международная организация, созданная в 1956 году. Членами ОИЯИ являются 18 стран, еще с шестью заключены соглашения о сотрудничестве. Институт сам устанавливает правила, регулирующие его деятельность, и они имеют приоритет перед законодательством РФ. ОИЯИ освобожден от уплаты таможенных пошлин и НДС, а его иностранные сотрудники — ​от подоходного налога.

В ОИЯИ семь лабораторий, в которых занимаются ядерной физикой, радиационной биологией, физикой элементарных частиц, информационными технологиями и исследованиями конденсированного состояния вещества. Есть нуклотрон и циклотроны тяжелых ионов У‑400 и У‑400М с рекордными параметрами пучков для экспериментов по синтезу тяжелых и экзотических ядер. А ускоритель протонов, фазотрон, в институте используют в том числе для протонной терапии.

Все открытые в СССР и России трансурановые элементы были синтезированы в Дубне. 105-му химическому элементу присвоили название дубний, 114-му — ​флеровий в честь основателя института академика Флерова, 115-му — ​московий, а 118-му — оганесон в честь академика Оганесяна, научного руководителя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.