Проекты XXI века

Одним из основных направлений развития современной физики высоких энергий является изучение сильновзаимодействующей материи в экстремальных условиях (при высоких температурах и/или плотностях барионного заряда). Такие условия могли возникать на ранних стадиях эволюции Вселенной, в процессе образования нейтронных звезд, и могут быть достигнуты в лабораторных условиях в столкновениях релятивистских тяжелых ядер. Этим объясняется постоянное стремление ведущих мировых центров по физике высоких энергий к созданию новых ускорителей тяжелых ядер и к увеличению энергий уже существующих ускорителей. Tолько путем увеличения энергий и вариации масс сталкивающихся ядер можно достичь на фазовой диаграмме сильновзаимодействующей материи заветной линии фазового перехода, за которой заканчивается "старый" и начинается "новый мир". Его изучение и является одной из центральных задач фундаментальной науки.

Согласно имеющимся теоретическим представлениям, сильновзаимодействующая материя может претерпевать серию фазовых переходов с увеличением температуры и/или плотности барионного заряда, одним из которых является фазовый переход первого рода восстановления специальной симметрии сильных взаимодействий - киральной симметрии, которая сильно нарушена при низких температурах и/или плотностях барионного заряда. Как следствие, предсказывается существование соответствующей этому переходу смешанной фазы - фазы сосуществования материи с нарушенной и ненарушенной киральной симметрией. В нашей повседневной жизни мы ежедневно сталкиваемся с фазовым переходом первого рода вода-пар и соответствующей этому переходу смешанной фазой - фазой сосуществования воды и пара, которая возникает в случае нормального атмосферного давления при температуре кипения 1000С. Нечто подобное предсказывается и для сильновзаимодействующей материи, однако для создания необходимых условий в лаборатории и извлечения "сигнала" возникновения соответствующей смешанной фазы необходимы огромные интеллектуальные и материальные затраты.

Каждый существующий сегодня в мире ускоритель тяжелых ядер позволяет исследовать определенную область фазовой диаграммы сильновзаимодействующей материи, определяемую температурами и барионными плотностями, которые могут быть достигнуты в процессе соударения в зависимости от энергии и атомного номера ускоряемых ядер. Напомним, что первым ускорителем, позволившим получать пучки ядер высоких энергий, был синхрофазотрон ОИЯИ, который сегодня уступил место нуклотрону, принадлежащему к новому поколению ускорителей на сверхпроводящих магнитах. Какова же область на фазовой диаграмме, соответствующая нуклотрону? Первые модельные оценки, сделанные в Лаборатории теоретической физики имени Н.Н.Боголюбова, показывают, что температура и плотность барионного заряда материи, образующейся в процессе соударения ядер c атомными номерами ~ 200 при предельно достижимых на нуклотроне значениях энергии столкновения ~ 5 ГэВ/нуклон, могут быть достаточными для достижения области смешанной фазы.

Нуклотрон ОИЯИ может быть важным источником информации как о новом возможном состоянии материи, так и о свойствах адронов в соответствующей горячей и/или плотной барионной среде. Значимость этой информации может быть усилена, если принять во внимание теоретические предсказания о совпадении фазового перехода восстановления киральной симметрии с фазовым переходом деконфайнмента в состояние гипотетической кварк-глюонной плазмы. Это открывает новые перспективы для программы физических исследований на нуклотроне, что было осознано совсем недавно (начало 2005 года) в недрах Лаборатории теоретической физики и инициировало широкие обсуждения в ОИЯИ и активную поддержку и заинтересованность Лаборатории высоких энергий имени В.И.Векслера и А.М.Балдина.

Здесь, однако, следует подчеркнуть, что как расположение линии фазового перехода на фазовой диаграмме сильновзаимодействующей материи, так и определение области, соответствующей нуклотрону на этой диаграмме, модельно зависимы. Для получения более надежных оценок необходимы дальнейшие исследования, проводимые на основе как существующих сегодня пространственно-временных моделей соударений тяжелых ядер, так и создаваемых новых моделей, пригодных в области нуклотронных энергий, что является задачей не одного дня. Тем не менее, вне зависимости от этого, уже сейчас ясно, что нуклотрон занимает свое особое место на фазовой диаграмме и необходимо разработать соответствующую программу физических исследований, которая могла бы пролить свет на эту динамично развивающуюся фундаментальную область современной физики высоких энергий. Немаловажно также и то, что эти исследования и полученные на этом пути результаты могут быть значимыми для ведущих мировых центров по физике высоких энергий и использоваться как в настоящих, так и планируемых экспериментах.

Для создания соответствующей программы теоретических и экспериментальных исследований в апреле 2005 года в ОИЯИ возникла неформальная инициативная рабочая группа из теоретиков и экспериментаторов из ЛТФ, ЛВЭ, ЛЯП, ЛФЧ и ЛИТ под общим руководством А.Н.Сисакяна, первые результаты работы которой появились совсем недавно. Здесь справедливо отметить, что более глубокое понимание проблемы сформировалось также и в результате обсуждений с рядом ведущих мировых экспертов в этой области, таких как профессора Х.Гутброд и Х.Затц (Германия), Г.М.Зиновьев (Украина), Т.Хатсуда (Япония) и Х.Штробель (Германия).

С целью более детального обсуждения всего круга возникающих вопросов с 7 по 9 июля 2005 года в ОИЯИ проходила встреча экспертов в формате круглого стола (более подробную информацию об этом можно найти на http://thsun1.jinr.ru/meetings/2005/roundtable/), в работе которой могли принять участие и все желающие сотрудники ОИЯИ, интересующиеся этой областью. Сейчас ведется работа над Меморандумом круглого стола, который станет основой для продолжения начатой работы с тем, чтобы затем подготовить предложения для осенней сессии 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

Говорят участники круглого стола

Профессор Т.Кунихира, Юкава Институт теоретической физики, Киото, Япония:
Тема круглого стола совпадает с направленностью тех исследований, которыми я занимаюсь уже много лет, - изучением кирального фазового перехода в плотной ядерной материи. Они связаны с изменением свойств адронов, особенно сигма-мезона. Мой доклад на этом заседании был принят с интересом, было много вопросов и обсуждений. Узнал много нового о ядро-ядерных соударениях, особенно в области энергий, достижимых на нуклотроне. Эта область, действительно, представляет для нас особый интерес. Я чрезвычайно благодарен организаторам круглого стола за хороший прием, но у меня есть одно критическое замечание. Среди участников нашей встречи преобладали ученые среднего и старшего поколений, и я надеюсь, что в будущем к обсуждению этих, безусловно, горячих тем современной физики будет привлечено больше молодежи.

Профессор М.И.Горенштейн, Институт теоретической физики имени Н.Н.Боголюбова, Киев:
С научной точки зрения мы питаем интерес к ядро-ядерным соударениям по многим причинам. И не только физики на постсоветском пространстве, но и европейские, и американские физические центры активно включились в эти исследования. Уже накоплено много данных при определенных энергиях, и сегодня дубненский нуклотрон занимает особую, я бы сказал, уникальную нишу в этом научном направлении и способен привлечь многих исследователей. В нашем институте в Киеве этой проблемой занимаются около десяти физиков-теоретиков. В сотрудничестве с российскими научными центрами и Дубной был определенный перерыв, но ученые по-прежнему тяготеют к совместной работе, особенно по таким темам, которые обсуждались в эти июльские дни в Дубне. В Дубну всегда приятно возвращаться, потому что здесь сохранили тот дух, ту атмосферу, в которой прошла наша молодость. Мы с Мареком Газдзицким гуляли по тенистым аллеям вокруг Лаборатории теоретической физики, по улицам города и вспоминали те годы, которые здесь прошли. И я очень рад, что все возвращается на круги своя.

Профессор А.Б.Курепин, Институт ядерных исследований РАН:
Наиболее активно наше сотрудничество с коллегами в Лаборатории высоких энергий развивалось в начале 80-х годов, когда на пучках синхрофазотрона экспонировались несколько установок нашего института. Сегодня очень важно продолжать работы на нуклотроне - уникальном ускорителе, который позволяет осуществлять разные режимы ускорения и быстро менять энергию ускоренных ядер в течение одного сеанса. В работах на обсуждаемом направлении участвует много экспериментаторов, и сегодня мне кажется особенно важным привлекать больше физиков-теоретиков. Поэтому расширение сотрудничества с Дубной и Киевом очень актуально. Кроме того, на совещании высказывались конкретные предложения по объединению усилий разных научных центров на этом направлении, привлечению финансовых средств различных научных фондов, обмену дорогостоящими детекторами.

Профессор М.Гадзицки, Институт ядерной физики Франкфуртского университета - ЦЕРН-Swietokrzyska Academy, Кельце, Польша:
С большим удовольствием участвовал я в этом совещании, потому что увидел в таком объединении наших усилий большие возможности. Действительно, согласен с профессором Курепиным, что накопление большого количества экспериментальных данных требует активного привлечения к совместным исследованиям физиков-теоретиков. А для создания полной картины изучаемых явлений необходима постановка новых экспериментов на разных ускорителях в Дубне, ЦЕРН, Брукхейвене по единой программе, которую должно выработать наше сообщество. Я очень благодарен профессору А.Н.Сисакяну и профессору А.С.Сорину, которые организовали этот круглый стол и инициировали наши общие шаги к восстановлению прежних научных контактов и созданию новой коллаборации физиков, чтобы получать самую актуальную информацию по ядро-ядерным соударениям.

Профессор А.Н.Сисакян:
Такой формат совещания, как свободное обсуждение проблем изучения свойств горячей и плотной материи, выбран нами неслучайно. Мы поставили перед собой задачу вписать наиболее актуальные исследования, проводимые на нуклотроне, в общую программу, осуществляемую в ведущих научных центрах мира. В результате такого объединения усилий появится возможность существенного обновления экспериментального комплекса нуклотрона, создания новых специализированных установок для решения общих научных проблем. Многие из участников круглого стола с интересом узнали из обстоятельных докладов, представленных Лабораторией высоких энергий, о возможностях ускорительного комплекса, созданного на базе нуклотрона. Представляется также важным достигнутое в ходе круглого стола понимание необходимости активного участия в этих исследованиях физиков-теоретиков. Подводя итоги, можно сказать, что сделан пока только первый шаг, на наше предложение откликнулись представители ведущих научных центров мира, и проведенный в Дубне круглый стол показал важность объединения усилий в изучении проблемы существования смешанной фазы сильновзаимодействующей материи.

Мнения экспертов записал Евгений МОЛЧАНОВ, фото Ю.ТУМАНОВА.