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.