Проекты XXI века

Вот уже почти 25 лет международное научное сообщество в области физики высоких энергий предпринимает немалые усилия по поиску новых состояний сильновзаимодействующей материи при экстремальных условиях - высоких температурах и/или плотностях барионного заряда. Обнаружение таких состояний и изучение их свойств необходимо для понимания ранней стадии эволюции Вселенной, формирования нейтронных звезд и физики соударений тяжелых ионов. Ускорительные эксперименты по соударению тяжелых ионов дают уникальный способ воспроизведения подобных условий в лаборатории.

За время, прошедшее после пионерских экспериментов на синхрофазотроне ОИЯИ, сменилось несколько поколений ускорителей ультрарелятивистских тяжелых ионов, энергетический масштаб изменился от нескольких ГэВ до нескольких десятков ТэВ на нуклон, а в недалеком будущем представится возможность достичь энергии Eлаб порядка нескольких десятков тысяч ТэВ/нуклон (в лабораторной системе). Изучение физики тяжелых ионов успешно осуществлялось на ускорителях Bevalac (Беркли) с энергией Eлаб ~ 2 ГэВ/нуклон, AGS (Брукхейвен) с Eлаб ~ 11 ГэВ/нуклон, и SPS (ЦЕРН) с Eлаб ~ 160 ГэВ/нуклон. Первые два ускорителя уже закрыты, программа же по ядерной физике на SPS, так же как и на SIS (GSI, Дармштадт, ~ 1 ГэВ/нуклон), фактически закончена. Релятивистский тяжелоионный коллайдер RHIC (Брукхейвен) интенсивно работает начиная с 2000 года в ультрарелятивистском диапазоне энергии столкновения SNN1/2 ~ 200 ГэВ с целью поиска сигналов формирования кварк-глюонной материи. В связи с последним, большие надежды возлагаются сейчас на Большой Адронный Коллайдер (LHC, ЦЕРН), который скоро начнет работать в области тэвных энергий - до 16 АТэВ в соударениях свинец-свинец.

За это время прошло 18 ежегодных представительных международных конференций "Кварковая материя", проведено большое число других конференций и совещаний различного уровня, опубликованы тысячи экспериментальных и теоретических работ, но проблема достоверного обнаружения новых состояний сильновзаимодействующей материи все еще остается не решенной полностью ввиду ее сложности. Это оставляет шанс принять участие в ее решении всем, кто работает в этой высокоприоритетной фундаментальной области физики высоких энергий.

При проведении экспериментов с тяжелыми ионами все это время реализовывалась стратегия неуклонного увеличения энергии действующих ускорителей. Сравнительно недавно и в связи с новыми данными, полученными на SPS при Eлаб ~ 20-40 ГэВ/нуклон, наметилась обратная тенденция, а именно, тенденция понижения энергии пучка ионов для исследования свойств образующейся горячей барионо-обогащенной материи с целью получения свидетельств фазовых переходов и критических явлений.

Первым ускорителем, позволившим получать пучки ядер высоких энергий, был синхрофазотрон ОИЯИ, который уступил место нуклотрону, принадлежащему к новому поколению ускорителей на сверхпроводящих магнитах. Нуклотрон потенциально способен ускорять тяжелые ионы с атомным номером ~ 200 до предельно возможной кинетической энергии ионов Eлаб ~ 5 ГэВ/нуклон, однако, пока его проектные возможности еще полностью не реализованы.

Последние полтора года в ОИЯИ идет широкое обсуждение возможности поиска смешанной фазы сильновзаимодействующей материи на нуклотроне, инициированное группой теоретиков Лаборатории теоретической физики имени Н.Н.Боголюбова в середине 2004 года, а в июле 2005 года состоялись первые обсуждения с привлечением внешних экспертов в формате круглого стола "Поиск смешанной фазы сильновзаимодействующей материи на нуклотроне ОИЯИ". Интерес к этой проблеме не был случайным не только потому, что нуклотрон принадлежит ОИЯИ и ОИЯИ заинтересован в его результативной работе, но и потому, что мы глубоко убеждены в том, что для изучения фазовой диаграммы КХД материи следует первым делом осуществлять поиск экспериментальных свидетельств фазовых переходов и только после их установления двигаться "в глубь" новых фаз, повышая энергии ускорителей. Для первого же шага нужны скорее не очень высокие энергии. Не будем же мы, например, нагревать воду до тысячи градусов Цельсия только лишь для того, чтобы установить факт существования пара?! Достаточно 100о С при нормальном давлении. Кроме того, нам представляются более достоверными и убедительными имеющиеся на сегодня теоретические указания относительно существования фазовых переходов в сравнении с аналогичными предсказаниями, касающимися конкретных свойств соответствующих новых фаз.

Такая точка зрения не осталась незамеченной, ее разделяют партнеры ОИЯИ в BNL, GSI, ИТЭФ, ИЯИ РАН и других центрах по физике высоких энергий. Достаточно вспомнить новый проект FAIR GSI (Дармштадт), направленный на изучение сжатой барионной материи в диапазоне энергий ионов (в лабораторной системе) Eлаб ~ 10-35 AГэВ, который будет функционировать начиная с 2015 года. Согласно имеющимся ожиданиям, сильновзаимодействующая материя, возникающая в соударениях тяжелых ионов в энергетическом диапазоне Eлаб ~ 5-40 AГэВ, может претерпевать серию фазовых переходов первого рода, сопровождающихся образованием смешанной фазы и критическими явлениями на ее границе. Эти проблемы кажутся настолько привлекательными, что научное сообщество в BNL стало обсуждать возможность понижения энергии коллайдера RHIC до диапазона энергий, включающего планируемый диапазон на FAIR. Так, например, в марте 2006 года на RHIC состоялась конференция для обсуждения вопроса целесообразности и возможности понижения энергии RHIC с целью поиска и исследования возможной критической концевой точки.

Понижение энергий в экспериментах с тяжелыми ионами представляет собой, в некотором смысле, "повторение пройденного", так как практически идет возврат к уже исследовавшимся ранее значениям энергий. Да, исследовавшимся, но не исследованным в полной мере! Целесообразность этого возврата вполне очевидна, поскольку тем самым появляется уникальная возможность воспользоваться самыми передовыми детекторами, современными представлениями и моделями, которые отсутствовали на момент проведения прежних экспериментов. Сегодня становится возможным исследовать эту энергетическую область более детально по энергии, с более высокой точностью измерений, с привлечением более широкого и разнообразного класса наблюдаемых характеристик с тем, чтобы уточнить сложившиеся взгляды и, возможно, пересмотреть старые заблуждения, а также дополнить имевшиеся экспериментальные данные новыми, необходимыми c точки зрения современных представлений.

В конце июня 2006 года в ОИЯИ были сформированы две независимые ускорительные группы (лидеры - И.Н.Мешков и А.Д.Коваленко) и две независимые детекторные группы (лидеры - В.А.Никитин и А.И.Малахов), а также группа ионного источника (лидер - С.Л.Богомолов) и группа по подготовке физической программы, - с целью создания концептуального проекта развития нуклотронного ускорительного комплекса, ориентированного на поиск смешанной фазы и критических явлений сильновзаимодействующей материи, под общим руководством А.Н.Сисакяна. В задачу групп входило создание концептуального проекта с учетом жестко заданных граничных условий. Так, например, необходимо было "вписаться" в существующую инфраструктуру Лаборатории высоких энергий имени В.И.Векслера и А.М.Балдина с тем, чтобы максимально уменьшить стоимость проекта (фигурально говоря, речь шла о строительстве квартиры не в новом, а в уже существующем доме, что, очевидно, существенно снижает материальные затраты). Кроме этого, закладывался целый ряд параметров ускорительного комплекса, который задавался, исходя из физических задач, поставленных в проекте.

В результате возник концептуальный проект "Design and construction of Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA) and Mixed Phase Detector (MPD)", с которым можно познакомиться на сайте http://theor.jinr.ru/meetings/2006/roundtable/. В случае его реализации можно будет покрыть энергетический диапазон от нескольких до Eлаб ~ 24 ГэВ/нуклон. Перспектива детального сканирования по энергии принципиально важна в этой области при отсутствии единого критического сигнала, позволяющего однозначно выделить искомый эффект.

Проект NICA предусматривает возможность работы нуклотрона с выведенным пучком и, в частности, работу с пучками поляризованных ионов. Он частично перекрывается с проектом FAIR в GSI как по области энергий, так и по физическим задачам. Столь сильная конкуренция лишний раз подтверждает актуальность исследований в этой области, где Россия, ОИЯИ имеют реальный шанс внести существенный вклад. Обсуждения с иностранными коллегами на Рочестерской конференции в Москве и после нее показали, что имеются интерес и даже "ревнивое" отношение к проекту. Наша принципиальная задача - запустить NICA ранее FAIR, чтобы иметь 2-3 года беcконкурентной работы. Это условие очень критично и означает, что работа должна начаться уже сегодня.

Заметим, что если даже результаты будут получены одновременно с каким-то другим проектом, они, как это обычно бывает в науке, не потеряют свою ценность (лишь бы были хорошего качества и не намного позже). Примеров тому множество, и один из наиболее ярких - история одновременного осуществления первого эксперимента на встречных пучках, Новосибирск/SLAC. Любые экспериментальные результаты нуждаются в подтверждении разными научными центрами, поэтому даже в случае, если и возникнут "пересечения", проект NICA будет далеко не бесполезным для науки. В любом случае, сооружение коллайдера в Дубне будет иметь собственную ценность и конкурентоспособность, а его возможные "пересечения" с другими международными проектами только придаст проекту NICA больше значимости.

Осуществление коллайдерного проекта в Дубне, имеющего своей целью исследование свойств нагретой и сильно сжатой ядерной материи и поиск сигналов образования смешанной кварк-адронной фазы, будет способствовать возрастанию престижа российской науки в мире. Позиции Дубны усиливаются благодаря уже проявленному интересу к проекту со стороны известных специалистов Германии, Америки, Китая и ряда других стран. И, наконец, ОИЯИ заинтересован в нахождении "экологической ниши" для развития этого важного научного направления и не может развиваться без совершенствования собственной экспериментальной базы, поскольку, в противном случае, он перестанет быть привлекательным для стран-участниц.

С целью более детального обсуждения всего круга возникающих вопросов с 6 по 7 октября в ОИЯИ проходила встреча экспертов в формате второго Круглого стола "Поиск смешанной фазы сильновзаимодействующей материи на нуклотроне ОИЯИ: развитие нуклотронного комплекса" (более подробную информацию об этом можно найти на сайте http://theor.jinr.ru/meetings/2006/roundtable/), в работе которого могли принять участие все заинтересованные сотрудники ОИЯИ. Концептуальный проект был рассмотрен и оценен представительной Международной экспертной комиссией, в которую входили Н.Н.Алексеев (ИТЭФ, Москва), Д.Динев (ИЯИиЯЭ, Болгария), С.В.Иванов (ИФВЭ, Протвино), Т.Katayama (Университет Токио, Япония) - заместитель председателя, Л.В.Кравчук (ИЯИ РАН), А.Н.Лебедев (ФИ РАН), Е.В.Левичев (ИЯФ, СО РАН), D.Moehl (ЦЕРН, Женева, Швейцария), R.Ostojic (ЦЕРН, Женева, Швейцария), P.Senger (GSI, Дармштадт, Германия), P.Spiller (GSI, Дармштадт, Германия), T.Taylor (ЦЕРН, Женева, Швейцария) - председатель, N.Xu (LBNL, Брукхейвен, США).

Письменное заключение экспертной комиссии ожидается в ближайшее время, и мы проинформируем читателей о его содержании. Оно станет основой для продолжения начатой работы, чтобы затем подготовить предложения для Программно-консультативного комитета по физике частиц ОИЯИ по созданию нового проекта в области физики тяжелых ионов. Основная работа еще впереди!

А. СОРИН, заместитель директора ЛТФ имени Н.Н.Боголюбова