В начале февраля 2023 года успешно завершился первый физический эксперимент на установке BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron), расположенной на выведенном пучке Нуклотрона в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В течении полутора месяцев сеанса было набрано более 500 млн событий в эксперименте по исследованию взаимодействия ионов ксенона, ускоренных до энергий 3,0 и 3,8 ГэВ на нуклон, с ядрами CsI. Фактически, BM@N является первой очередью коллайдера NICA, который сейчас сооружается в Дубне.

Полученные экспериментальные данные позволят детально исследовать свойства сверхплотной ядерной материи, которая образуется в ядро-ядерных столкновениях при этих энергиях. Исследование уравнения состояния сверхплотной ядерной материи важно и для астрофизики для понимания структуры нейтронных звезд, процессов при взрывах сверхновых звезд, процессов излучения гравитационных волн при слиянии звезд-компаньонов в двойных нейтронных звездах.

«Институт ядерных исследований РАН внес большой вклад в разработку и создание детекторных систем для установки BM@N. В институте в течение последних нескольких лет был разработан и изготовлен целый ряд передних детекторов для регистрации фрагментов-спектаторов, образующихся при взаимодействиях ионов пучка с мишенью. Это передний адронный калориметр, пучковый кварцевый годоскоп и многоканальная сцинтилляционная стенка. Информация, полученная с помощью этих детекторов в эксперименте BM@N, будет использована для пособытийной реконструкции геометрии столкновения ядер – центральности и угла плоскости реакции», – отметил ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН Федор Фридрихович Губер, руководитель группы ученых, разрабатывавших детектор.

В создании установки и проведении эксперимента участвовали более 150 ученых из ведущих российских научных институтов и университетов, а также зарубежных научных центров.

Полученные экспериментальные данные позволят детально исследовать свойства сверхплотной ядерной материи, которая образуется в ядро-ядерных столкновениях при энергиях Нуклотрона. Плотность ядерной материи в процессе столкновения ядер при таких энергиях повышается в 3–5 раз, а температура в области столкновения ядер более чем в 100 миллионов раз превышает температуру на поверхности Солнца. Процессы, которые происходят при столкновениях ядер «лоб в лоб», отличаются от процессов, когда ядра сталкиваются лишь по касательной, поэтому их нужно разделять друг от друга. Для этой цели в ИЯИ РАН были разработаны и изготовлены несколько детекторов для регистрации фрагментов, образующихся при взаимодействиях ионов пучка с мишенью. Это передний адронный калориметр, пучковый кварцевый годоскоп и многоканальная сцинтилляционная стенка. Информация с этих детекторов будет использована для определения геометрии столкновения ядер. В этих работах и в проведении самого эксперимента участвовали также студенты и аспиранты из МИФИ и МФТИ.

Подобно тому, как в окружающем нас привычном мире существует множество примеров переходов одного состояния вещества в другое (фазовых переходов), например, переход воды в пар при ее нагревании, в процессе столкновения ядер при энергиях Нуклотрона также ожидается фазовый переход из состояния обычной ядерной материи в новое ее состояние – кварк-глюонную плазму. Эксперимент BM@N как раз и направлен на обнаружение такого фазового перехода и исследование свойств нового состояния ядерной материи. Исследование сверхплотной ядерной материи важно также и для астрофизики для понимания внутреннего строения нейтронных звезд, процессов при взрывах сверхновых звезд.

Надо отметить, что в настоящее время в мире наблюдается исключительно высокий интерес к исследованию свойств сверхплотной ядерной материи. Подобные эксперименты ведутся на протонном суперсинхротроне в ЦЕРН (Швейцария) и на коллайдере RHIC в Брукхэйвенской лаборатории в США, но при энергиях, значительно больших, чем энергии Нуклотрона. В Германии такие эксперименты ведутся на синхротроне в Институте тяжелоионных исследований (GSI), но при энергиях ниже энергий Нуклотрона. В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ), завершается сооружение нового ускорительного комплекса NICA, в Германии также ведутся работы по сооружению ускорительного комплекса ФАИР, на которых будут созданы новые экспериментальные установки для продолжения физической программы исследований свойств сверхплотной ядерной материи. Для определения геометрии ядро-ядерных столкновений в экспериментах в ЦЕРН уже используются детекторы, которые были разработаны и изготовлены в ИЯИ РАН. Также планируется использование подобных детекторов и в будущих экспериментах на коллайдере NICA.

Что касается практической направленности этих исследований, то, по словам Губера, здесь можно сослаться на ответ английского физика-экспериментатора Майкла Фарадея тогдашнему министру финансов Англии (первая половина XIX века) на вопрос о практической ценности открытого им электричества – «Не знаю, но когда-нибудь с него будут платить налоги».

Источник: Институт ядерных исследований РАН.