Сильные взаимодействия: NICA дорисует пейзаж
Новый ускорительный комплекс NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, запущенный в эксплуатацию год назад, создаёт широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных до пучков, состоящих из таких тяжёлых ионов, как ядра золота. В столкновениях тяжёлых ионов будут изучать свойства плотной барионной материи.
Рассказывает академик Владимир Кекелидзе, вице-директор ОИЯИ. Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Владимир Димитриевич, с чего и как начался проект NICA?
— Нет определённой точки отсчёта. Я бы сказал, что это началось в 2005—2006 годах, примерно 20 лет назад. Тогда во главе нашего института встал академик Алексей Норайрович Сисакян. Он инициировал обсуждения с привлечением международного научного сообщества, в каком направлении развивать наш институт. В ходе этих обсуждений определились основные научные задачи, которые мы хотели бы решить. Они были отражены в четырёх изданиях так называемой Белой книги.
— Почему она «белая»?
— Потому что интенсивное исследование этой области только начинается, тут много белых пятен. Преамбулу к первому изданию написал нобелевский лауреат Ти Ди Ли1, большой вклад в обоснование наших задач внёс другой нобелевский лауреат, Дэвид Гросс. Это выдающиеся учёные, и мы были рады такому сотрудничеству. В Белой книге собраны все мысли, все идеи, которые волновали физиков на тот момент. В результате мы пришли к пониманию, как создавать этот комплекс, на что он будет нацелен, как с его помощью решить те задачи, которые в другом месте, с другими установками решить невозможно.
1. Так произносят имя китайского и американского физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии по физике 1957 года. Официально по-русски его имя пишется как Ли Чжэндао (или Ли Цзунда́о). По-английски Tsung-Dao Lee, в сокращении — T. D. Lee, отсюда и произношение на русском: Ти Ди Ли. — Прим. ред.
Сегодня наш институт — это международная межправительственная организация, в которой работают более пяти тысяч сотрудников. У нас семь лабораторий, и каждая продвигает своё научное направление. Причём лаборатории эти — как отдельные институты. В самой крупной лаборатории, которая отвечает за физику высоких энергий, основная базовая установка — ускорительный комплекс NICA.
— А какие основные задачи будет решать NICA?
— Главная научная задача комплекса — изучение так называемых сильных взаимодействий в области, где ядерная материя максимально плотная. Изучение этого фундаментального взаимодействия, одного из четырёх основных, важно для понимания структуры ядерной материи и связи между её структурными элементами — кварками и глюонами. С одной стороны, сильные взаимодействия хорошо изучены и опираются на строгую теорию — квантовую хромодинамику, а с другой — нет пока ответов на ряд принципиальных вопросов. Прежде всего неясно, в чём причина того, что кварки и глюоны не могут существовать в свободном состоянии, а всегда находятся в связанном состоянии так называемого конфайнмента внутри адрона — элементарной частицы, участвующей в сильном взаимодействии.
Кварки и глюоны — это самые элементарные фундаментальные частицы материи, элементарнее ничего нет. В природе известно 12 фундаментальных частиц, из них можно построить любую существующую ядерную материю, которая может находиться в разных фазовых состояниях: простейшем, состоящем из кварков и глюонов, или в более сложном, включающем составные частицы — протоны, нейтроны, мезоны и др. Фазовый переход от составных к самым элементарным происходит при характерных температурах около 170 МэВ, это приблизительно 20 миллиардов градусов, что в миллионы раз горячее, чем в недрах Солнца.
Мы хотим воссоздать и изучить ядерную материю в этом состоянии, когда она имеет максимально возможную плотность, и постараться понять, почему кварки и глюоны всегда находятся в состоянии конфайнмента. Мы знаем, что их там удерживают именно сильные взаимодействия. В ходе реализации проекта NICA будет также изучаться спиновая структура нуклонов — протонов и нейтронов. В 2000-х годах возникла так называемая проблема кризиса спина: раньше считалось, что спин протона и нейтрона — это сумма спинов трёх кварков, из которых они состоят. Три кварка — значит, там три спина, они определённым образом складываются, и получается конфигурация протона или нейтрона. Но оказалось, что кварки вносят в величину спина только треть, а остальное формируется другими механизмами. Какими? Орбитальными моментами движения кварков, глюонами и прочим. Тут тоже предстоит разбираться.