Zderzacz w rosji. Projekt nica (nuclotron-based ion collider facility). Wspólny instytut badań jądrowych (jinr) w dubnej, region moskiewski

Zderzacz w Rosji przyspiesza cząstki w nadlatujących wiązkach (kolider od słowa collide). Było to potrzebne do badania produktów zderzania się tych cząstek ze sobą, aby naukowcy nadali elementarnym cząstkom materii silną energię kinetyczną. Zajmują się też zderzeniami tych cząstek, kierując je przeciwko sobie.

Historia tworzenia

Zderzaki występują w kilku odmianach: zderzenia pierścieniowe (np. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN w Europie), liniowe (planowany ILC).

Pomysł wykorzystania zderzeń wiązek był teoretyzowany już kilkadziesiąt lat temu. Wiederauer Rolf, fizyk z Norwegii, otrzymał w Niemczech w 1943 roku patent na pomysł zderzenia wiązek. Została ona opublikowana dopiero dziesięć lat później.

W 1956 roku Donald Kirst zaproponował wykorzystanie zderzeń wiązek protonów do badania fizyki cząstek elementarnych. Podczas gdy Gerard O`Neill myślał o wykorzystaniu pierścieni magazynujących do produkcji intensywnych wiązek.

Projekt zderzacza był aktywnie realizowany jednocześnie we Włoszech, Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych (Frascati, INP, SLAC). Pierwszym uruchomionym koliderem był zderzacz elektronowo-pozytonowy AdA, zbudowany pod kierunkiem Tushekavo Frascati.

Jednak pierwszy wynik został opublikowany dopiero rok później (w 1966 roku), w porównaniu z wynikami obserwacji sprężystego rozpraszania elektronów na VEP-1 (1965, ZSRR).

.

Wielki Zderzacz Hadronów w Dubnej

VEP-1 (przeciw wiązkom elektronów) to maszyna, która powstała pod precyzyjnym kierownictwem G. И. Budker. Po pewnym czasie w akceleratorze w Stanach Zjednoczonych wyprodukowano więcej wiązek. Wszystkie trzy zderzenia były zderzaczami testowymi, służyły do zademonstrowania możliwości badania na nich fizyki cząstek elementarnych.

Pierwszym zderzaczem hadronów jest ISR, synchrotron protonowy, uruchomiony w 1971 roku przez CERN. Jego moc energetyczna wynosiła 32 GeV w wiązce. Był to jedyny działający liniowy kolider w latach dziewięćdziesiątych.

Po uruchomieniu

Nowy kompleks akceleracyjny jest budowany w Rosji, we Wspólnym Instytucie Badań Jądrowych. Nazywa się NICA - Nuclotron based Ion Collider facility i znajduje się w Dubnej. Celem budowy jest zbadanie i odkrycie nowych właściwości gęstej materii barionowej.

Po uruchomieniu maszyny naukowcy ze Wspólnego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej pod Moskwą będą mogli stworzyć pewien stan materii, który był wszechświatem w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Materia ta nazywana jest plazmą kwarkowo-gluonową (QGP).

Budowa kompleksu w bezpiecznym obiekcie rozpoczęła się w 2013 roku, a start planowany jest na 2020 rok.

Główne wyzwania

Specjalnie na Dzień Nauki w Rosji, pracownicy JINR przygotowali materiały do zajęcia edukacyjne dla młodzieży szkolnej. Temat nosi nazwę "NICA - Wszechświat w laboratorium". Film z udziałem naukowca Grigorija W. Trubnikowa opowiada o przyszłych badaniach w zderzaczu hadronów w Rosji, we współpracy z innymi naukowcami z różne kraje świata.

Największe wyzwanie stojące przed badaczami w tej dziedzinie to

1. Właściwości i funkcje bliskich oddziaływań elementarnych składników modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych między sobą, czyli badanie kwarków i gluonów.
2. Znalezienie oznak przejścia fazowego między SGC a materią hadronową oraz poszukiwanie nieznanych wcześniej stanów materii barionowej.
3. Praca z podstawowymi właściwościami oddziaływań ścisłych i symetrii CGP.

Ważne wyposażenie

Istotą zderzacza hadronów w kompleksie NICA jest zapewnienie dużego spektrum wiązek: od protonów i deuteronów, po wiązki składające się ze znacznie cięższych jonów, takich jak jądro złota.

Ciężkie jony będą przyspieszane do energii nawet 4,5 GeV/nukleon, a protony do dwunastu i pół. Sercem kolidera w Rosji jest akcelerator Nuclotron, który działa od dziewięćdziesiątego trzeciego roku ubiegłego wieku, ale został znacznie przyspieszony.

Zderzacz NICA ma kilka sposobów oddziaływania. Jeden z nich służy do badania zderzeń ciężkich jonów w detektorze MPD, a drugi do przeprowadzania eksperymentów z wiązkami spolaryzowanymi w urządzeniu SPD.

Zakończenie budowy

Zaznaczono, że w pierwszym eksperymencie biorą udział naukowcy z takich krajów jak USA, Niemcy, Francja, Izrael i oczywiście Rosja. W NICA trwają obecnie prace nad instalacją i uruchomieniem części.

Budynek dla zderzacza hadronów zostanie ukończony w 2019 roku, natomiast instalacja samego zderzacza będzie miała miejsce w 2020 roku. W tym samym roku rozpoczną się również badania nad zderzeniami ciężkich jonów. Całe urządzenie będzie w pełni sprawne w 2023 r.

Zderzacz w Rosji jest tylko jednym z sześciu projektów w kraju, które zostały sklasyfikowane jako meganauki. W 2017 r. rząd przeznaczył na ten cel prawie cztery miliardów rubli do budowy tej maszyny. Koszt podstawowej konstrukcji maszyny został oszacowany przez ekspertów na dwadzieścia siedem i pół miliarda rubli.

Nowa era

Władimir Kekelidze, dyrektor fizyki w Laboratorium Wysokich Energii JINR, uważa, że projekt zderzacza w Rosji da temu krajowi szansę na awans na najwyższe stanowiska w fizyce wysokich energii.

Niedawno odkryto ślady "nowa fizyka", które ustalił Wielki Zderzacz Hadronów i wykraczają one poza Model Standardowy naszego mikrokosmosu. Stwierdzono, że nowo odkryte "nowa fizyka" nie będzie kolidować z kolibrem.

W jednym z wywiadów Władimir Kekelidze wyjaśnił, że te odkrycia nie wpłyną na pracę NICA jako taki Projekt ma na celu przede wszystkim zrozumienie, jak wyglądały najwcześniejsze chwile wszechświata, a takie warunki do badań jak te obecne w Dubnej nie istnieją nigdzie indziej na świecie.

Powiedział również, że naukowcy JINR badają nowe granice nauki, w których są zdeterminowani, aby objąć prowadzenie. Że nadchodzi era, w której nie tylko buduje się nowy zderzacz, ale nowa era fizyki wysokich energii dla naszego kraju.

projekt międzynarodowy

Według tego samego dyrektora, prace nad NICA, w którym mieści się Wielki Zderzacz Hadronów, będą miały charakter międzynarodowy. Ponieważ badania w fizyce wysokich energii są obecnie prowadzone przez całe zespoły naukowców, w tym ludzi z całego świata.

W projekt na miejscu zaangażowani są już pracownicy z dwudziestu czterech krajów. A koszt tego cudu szacuje się na pięćset czterdzieści pięć milionów dolarów.

Nowy zderzacz pomoże również naukowcom prowadzić badania nad nową materią, materiałoznawstwem, radiobiologią, elektroniką, terapią wiązką promieniowania i medycyną. Ponadto, z tego wszystkiego skorzystają programy "Roscosmos", jak również ponowne przetwarzanie i usuwanie odpadów radioaktywnych oraz tworzenie zaawansowanych źródeł kriogenicznych i energetycznych, które są bezpieczne w użyciu.

bozon Higgsa

Bozon Higgsa to tzw. pola kwantowe Higgsa, które pojawiają się z konieczności w fizyce, a dokładniej w jej modelu standardowym cząstek elementarnych, jako konsekwencja mechanizmu Higgsa polegającego na nieprzewidywalnym łamaniu symetrii elektrycznie słabej. Jego odkrycie było dopełnieniem modelu standardowego.

W ramach tego samego modelu odpowiada za bezwładną masę cząstek elementarnych, bozonów. Pole Higgsa pomaga wyjaśnić pojawienie się masy bezwładnej w cząstkach, tj. nośnikach oddziaływania słabego, a także brak masy w cząstce nośnej oddziaływania silnego i elektromagnetycznego (gluon i foton). Bozon Higgsa jest strukturalnie taki sam jak bozon Higgsa sam jako cząstka skalarna. Więc ma zerowy spin.

Odkrycie pól

Ten bozon został aksjomatyzowany już w 1964 roku przez brytyjskiego fizyka Petera Higgsa. Cały świat dowiedział się o jego odkryciu dzięki lekturze jego prac. I po prawie pięćdziesięciu latach poszukiwań, czyli w 2012 roku, 4 lipca odkryto cząstkę nadającą się do tej roli. Został on odkryty przez LHC i ma masę ok 125-126 GeV/c².

Jest całkiem dobry powód, by wierzyć, że ta cząstka to bozon Higgsa. W 2013 roku, w marcu, różni badacze z CERN poinformowali, że cząstka odkryta pół roku temu jest w rzeczywistości bozonem Higgsa.

Uaktualniony model zawierający tę cząstkę umożliwił skonstruowanie kwantowej renormalizowalnej teorii pola. A rok później, w kwietniu, grupa CMS poinformowała, że szerokość rozpadu odkrytego bozonu Higgsa jest mniejsza niż 22 MeV.

Właściwości cząstki

Tak jak każda inna cząstka w tablicy, bozon Higgsa podlega grawitacji. Posiada ładunki koloru i elektryczności, a także, jak wspomniano wcześniej, zerowy spin.

Istnieją cztery główne kanały pojawienia się bozonu Higgsa:

1. Po połączeniu się dwóch gluonów. To jest podstawowe.
2. Kiedy pary bozonów WW- lub ZZ- łączą się-.
3. Z warunkiem istnienia towarzyszącego bozonu W lub Z.
4. Z obecnymi kwarkami górnymi.

Rozpada się na antykwark i kwark b, na dwie pary elektron-pozyton i/lub parę mion-antymion z dwoma neutrinami.

W 2017 roku, na samym początku lipca, na konferencji z udziałem EPS, ATLAS, HEP i CMS poinformowano, że wreszcie zaczęły pojawiać się widoczne wskazówki dotyczące rozpadu bozonu Higgsa na parę b-kwark-antykwark.

Wcześniej coś takiego było nierealne do zobaczenia na własne oczy w praktyce ze względu na trudność oddzielenia narodzin tych samych kwarków w inny sposób od procesów w tle. Standardowy model fizyki sugeruje, że taki rozpad jest najczęstszy, tzn. ponad połowa czasu. W październiku 2017 roku odkryto pewną obserwację sygnału rozpadu. Takie stwierdzenie padło z ust CMS i ATLAS w wydanych przez nich artykułach.

Świadomość mas

Odkryta przez Higgsa cząstka jest tak ważna, że Leon Lederman (laureat Nagrody Nobla) w tytule swojej książki nazwał ją cząstką Boga. Chociaż sam Leon Lederman sugerował w swojej oryginalnej wersji "cząstka diabła", ale redaktorzy odrzucili jego propozycję.

W mediach ta niepoważna nazwa jest używana dość powszechnie. Chociaż wielu naukowców nie pochwala tego. Uważają, że dużo lepszą nazwą byłoby "bozon z butelki szampana", ponieważ potencjał pola Higgsa przypomina dno tej właśnie butelki, a jego odkrycie z pewnością doprowadziłoby do całkowitego opróżnienia wielu takich butelek.