Ускоритель «Нуклотрон» как инструмент для решения фундаментальных проблем современной физики: поиск асимметрии Вселенной и тёмной материи

Количество просмотров: 3

Ускоритель «Нуклотрон», представляющий собой сверхпроводящий синхротрон, предназначен для получения пучков тяжёлых ионов с энергией до 6 ГэВ на нуклон[35], находится на переднем крае современной экспериментальной физики в поиске ответов на два из самых глубоких вопросов космологии: почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия, и из чего состоит загадочная тёмная материя, составляющая около 27% энергийного содержания Вселенной[4]. Предложенная модернизация этого ускорительного комплекса открывает принципиально новые возможности для проведения прецизионных экспериментов, которые позволят не только изучать свойства высокоэнергетических процессов при столкновениях тяжёлых ионов, но и выполнять тонкие измерения фундаментальных параметров элементарных частиц, таких как электрический дипольный момент (ЭДМ) протонов и дейтронов, что может пролить свет на источники нарушения CP-симметрии, ответственные за материя-антиматериальную асимметрию[5]. Одновременно модернизированная установка позволит искать аксионы — гипотетические частицы, которые претендуют на роль основной компоненты тёмной материи[5][7]. Этот интегрированный подход, сочетающий высокоэнергетическую физику с прецизионными измерениями фундаментальных симметрий, представляет собой уникальную научную стратегию, позволяющую атаковать самые глубокие тайны устройства Вселенной с множества направлений одновременно.

Фундаментальные загадки современной физики и их связь с ускорителем «Нуклотрон»

Современная физика сталкивается с рядом принципиальных вопросов, на которые не может ответить Стандартная модель элементарных частиц, хотя она и остаётся наиболее успешной теорией, описывающей поведение материи на фундаментальном уровне[36]. Одна из наиболее остро стоящих проблем касается того факта, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, в то время как согласно предсказаниям физики, во время Большого взрыва должны были образоваться равные количества материи и антиматерии[9][33]. Если бы это предсказание было верным, то вся материя и антиматерия аннигилировали бы друг с другом, оставив только излучение, и во Вселенной не существовало бы ни звёзд, ни планет, ни жизни[6][9]. Тот факт, что мы наблюдаем преимущественно материю, свидетельствует о существовании асимметричных процессов в ранней Вселенной, которые привели к небольшому избытку материи над антиматерией[33][36]. Это явление, известное как барионная асимметрия Вселенной, остаётся одной из величайших нерешённых задач физики и космологии.

Вторая фундаментальная загадка касается природы тёмной материи, загадочного вещества, которое составляет примерно 27% всей энергетической плотности Вселенной[4]. Галактики вращаются с такой скоростью, что гравитация от видимого вещества, состоящего из звёзд, газа и пыли, была бы недостаточна, чтобы удержать их вместе — они должны были бы распасться из-за центробежных сил[4][7]. Это явление было впервые отмечено при наблюдении кривых вращения галактик и остаётся одним из самых прямых свидетельств существования тёмной материи. Кроме того, наблюдения изотропии реликтового микроволнового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной демонстрируют, что тёмная материя играла критическую роль в формировании галактик и всей структуры космоса[7][7]. Без тёмной материи обычное вещество не смогло бы собраться в гравитационные ямы, необходимые для образования первых звёзд и галактик в ранней Вселенной[7][7].

Третья фундаментальная проблема связана с нарушением CP-симметрии в природе. CP-симметрия — это комбинированная симметрия, которая предполагает, что законы физики должны быть одинаковыми, если мы одновременно заменим все частицы на их античастицы и инвертируем пространственные координаты[33][48]. Если бы CP-симметрия была точной, то процессы, производящие больше материи, чем антиматерии, компенсировались бы процессами, производящими больше антиматерии[33]. Однако мы знаем, что CP-симметрия нарушена в слабых взаимодействиях[48]. Более того, это нарушение, согласно расчётам, недостаточно велико, чтобы объяснить наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной[9][33][36]. Это предполагает, что должны существовать дополнительные источники CP-нарушения, которые ещё не открыты, возможно, связанные с новой физикой за пределами Стандартной модели[33][36].

Ускоритель «Нуклотрон» и предложенная его модернизация специально разработаны для того, чтобы помочь разрешить эти фундаментальные загадки через ряд взаимодополняющих экспериментальных подходов. Путём измерения электрического дипольного момента лёгких ядер с беспрецедентной точностью установка может выявить новые источники CP-нарушения[5][6][14]. Одновременно, путём изучения влияния аксионов на спины циркулирующих ядер, ускоритель может обнаружить эти гипотетические частицы и сыграть важную роль в понимании природы тёмной материи[5][7][47]. Кроме того, функционируя как инжектор для коллайдера NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), «Нуклотрон» обеспечивает возможность изучать экстремальные условия материи, которые могут пролить свет на процессы в ранней Вселенной[3][13].

Ускоритель «Нуклотрон»: конструкция, возможности и текущее состояние

«Нуклотрон» представляет собой сверхпроводящий синхротрон длиной 251 метр в окружности, расположенный в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия[5][35]. Этот ускоритель предназначен для ускорения различных типов ионов, включая тяжёлые ионы вплоть до золота, а также протонов и поляризованных дейтронов до энергий примерно 6 ГэВ на нуклон[35]. Конструкция ускорителя основана на использовании сверхпроводящих магнитов, что позволяет достигать высокой напряжённости магнитного поля при относительно низком потреблении энергии[30][35]. Ускоритель включает комплекс инжекторов, состоящих из источников различных типов ионов, включая лазерные источники, дуоплазматронные источники и источники поляризованных протонов и дейтронов[1][10][1]. От инжекторов пучки поступают в линейный ускоритель ЛУ-20, откуда они направляются в основное кольцо синхротрона[1][10].

Одной из ключевых особенностей «Нуклотрона» является его способность работать с поляризованными пучками, то есть пучками частиц, спины которых ориентированы в определённом направлении[5][21][35]. Эта возможность критически важна для проведения экспериментов, чувствительных к нарушению CP-симметрии, таких как измерения электрического дипольного момента и поиск аксионов, поскольку эти явления отражают различие в поведении частиц в зависимости от их спина[5][14][21]. Существующая установка успешно функционирует уже в течение многих лет, проводя эксперименты с тяжёлыми ионами и служа инжектором для других ускорителей в комплексе ОИЯИ[3][8].

Ускоритель прошёл несколько этапов модернизации. В частности, завершаются работы по обновлению детектора BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron), предназначенного для экспериментов с высокоинтенсивными пучками тяжёлых ионов[8][8]. Более того, «Нуклотрон» был официально введён в эксплуатацию как инжектор для коллайдера NICA: 18 декабря 2025 года впервые был успешно введён пучок тяжёлых ионов ксенона в кольцо NICA[13]. Это событие ознаменовало вступление ускорительного комплекса в критическую фазу пусконаладки, которая предшествует началу физических экспериментов[13]. Планируется, что в следующие месяцы будет обеспечена стабильная циркуляция пучка, осуществлено его ускорение и достигнута режим столкновения пучков[13].

В контексте более долгосрочной стратегии развития ОИЯИ, очень амбициозные планы предусматривают завершение технического проектирования Rare Isotope Collider Facility (RICF) к 2025 году, начало строительства в 2026 году и первые пучки к 2030 году[27]. RICF станет новой флагманской инициативой в области ядерной физики, позиционирующей ОИЯИ как глобального лидера в изучении экзотических ядер и ядерной астрофизики[27]. Эта установка будет генерировать интенсивные вторичные пучки редких изотопов для спектроскопии, измерений масс и времён жизни, а также исследований ядерных реакций[27]. Таким образом, «Нуклотрон» остаётся центральным элементом ускорительного комплекса, эволюционирующим в контексте более широкой научной стратегии ОИЯИ.

Проблема асимметрии материи и антиматерии: физика на Нуклотроне

Проблема материя-антиматериальной асимметрии является одной из самых фундаментальных нерешённых проблем в физике и космологии. Согласно современным космологическим наблюдениям, барионная плотность Вселенной составляет примерно 5% от полной энергетической плотности[4][36]. Однако согласно предсказаниям Стандартной модели, во время Большого взрыва должны были образоваться поровну материя и антиматерия, которые впоследствии аннигилировали бы друг с другом[6][33][36]. Тот факт, что мы наблюдаем остаток материи, свидетельствует о нарушении некой фундаментальной симметрии, которая позволила бы материи преобладать над антиматерией в ранней Вселенной.

В 1967 году физик Андрей Сахаров предложил три необходимых условия, которые должны удовлетворяться для генерации барионной асимметрии[33]. Во-первых, должно происходить нарушение барионного числа, то есть процессы, в которых число барионов до и после не сохраняется[33]. Во-вторых, должно быть нарушение комбинированной C-симметрии (симметрии зарядового сопряжения) для того, чтобы процессы, производящие барионы, происходили с другой скоростью, чем процессы, производящие антибарионы[33]. В-третьих, должно быть нарушение CP-симметрии, чтобы левые и правые ориентации частиц и античастиц вели себя по-разному[33]. Нарушение CP-симметрии особенно важно, потому что оно может объяснить, почему в ранней Вселенной материя и антиматерия создавались с разными скоростями.

Стандартная модель физики частиц содержит источники CP-нарушения, главным образом в виде комплексной фазы в матрице смешивания кварков (матрица CKM) и потенциально в матрице смешивания нейтрино[33][48]. Однако величина CP-нарушения, предсказываемая Стандартной моделью, оказывается на много порядков меньше, чем необходимо для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии[9][33][36]. Это предполагает, что должны существовать дополнительные источники CP-нарушения за пределами Стандартной модели. Такие источники могли бы быть связаны, например, с суперсимметричными расширениями Стандартной модели, теориями с дополнительными измерениями пространства-времени, или другими гипотетическими физическими механизмами[36].

Один из наиболее перспективных методов поиска новых источников CP-нарушения заключается в измерении электрического дипольного момента (ЭДМ) фундаментальных частиц и ядер[6][14][20][21]. Электрический дипольный момент — это величина, которая отражает асимметрию в распределении положительного и отрицательного зарядов внутри частицы[6]. Согласно Стандартной модели, ЭДМ элементарных частиц должен быть чрезвычайно мал, приблизительно на уровне 10^-38 сантиметра для электрона[6]. Однако многие теории новой физики предсказывают ЭДМ, который может быть на много порядков больше, в диапазоне от 10^-30 до 10^-27 сантиметра[6]. Если бы такой ненулевой ЭДМ был обнаружен, это свидетельствовало бы о существовании новых источников CP-нарушения, которые могли бы играть решающую роль в объяснении барионной асимметрии Вселенной[6][14][20][21].

Учёные Университета Колорадо недавно установили самые строгие до сих пор ограничения на потенциальный размер разделения электрических зарядов в электроне, хотя новое исследование всё ещё оставляет значительное окно для существования ненулевого ЭДМ[6]. В своей опубликованной статье исследователи подчеркивают, что дисбаланс материи и антиматерии в нашей Вселенной служит убедительным стимулом для поиска неоткрытых частиц, нарушающих симметрию заряда и чётности[6]. Они отмечают, что хотя текущее исследование не обнаружило ненулевой ЭДМ электрона, оно приблизило нас на один шаг ближе к разрешению научной загадки: почему Вселенная не пуста[6].

Модернизированный ускоритель «Нуклотрон» предоставляет уникальную возможность для проведения прецизионных измерений ЭДМ протонов и дейтронов на уровне чувствительности 10^-29 e·см, что представляло бы улучшение чувствительности более чем на порядок по сравнению с текущими ограничениями на нейтронный ЭДМ[14][20][25]. Если такие ненулевые ЭДМ будут обнаружены, это может помочь разгадать одну из величайших тайн физики — почему материя преобладает над антиматерией во Вселенной[14][20][25]. Кроме того, измерения протонного и дейтронного ЭДМ могут позволить выявить структуру лежащих в основе новых источников CP-нарушения и помочь ограничить или исключить различные теории новой физики[14][25].

Электрический дипольный момент и замороженный спин: техническая революция в экспериментах

Для осуществления прецизионных измерений электрического дипольного момента протонов и дейтронов требуется разработка принципиально новых экспериментальных методик, которые позволили бы чувствительно регистрировать чрезвычайно малые эффекты, вызванные нарушением CP-симметрии. Существует ряд методов поиска ЭДМ, но для заряженных частиц, таких как протоны и дейтроны, единственным жизнеспособным подходом являются эксперименты в накопительных кольцах[21]. Фундаментальная идея таких экспериментов заключается в том, что если ненулевой ЭДМ заставляет спин частицы прецессировать в электрическом поле, отличным от магнитного поля, используемого для удержания частицы в кольцевой орбите, то можно регистрировать этот эффект путём мониторирования поляризации циркулирующего пучка[14][20][31].

Ключевой инновацией в этом подходе является концепция «замороженного спина» (frozen spin), которая была разработана для минимизации систематических ошибок, вносимых магнитным полем ускорителя[21][32]. В обычном ускорителе магнитные и электрические поля расположены в одних и тех же местах, и их комбинированное воздействие вызывает сложную эволюцию спина, которая может затруднить выявление слабого сигнала ЭДМ. Концепция замороженного спина предполагает, что магнитное и электрическое поля разделены в различных частях ускорителя[5][32]. Это позволяет поддерживать спин частицы в ориентации, параллельной направлению движения (продольной поляризации) во всех местах в кольце, в то время как в области с электрическим полем спин может медленно поворачиваться в результате взаимодействия с ЭДМ[32].

Ещё более амбициозная схема, предложенная для модернизированного «Нуклотрона», предусматривает использование фильтров Вина (Wien filters), которые представляют собой устройства, в которых электрическое и магнитное поля скрещиваются под прямым углом[5][19][21]. Фильтр Вина — это прибор для фильтрации заряженных частиц в скрещенном магнитном и электрическом поле, который может применяться как анализатор энергетического спектра, монохроматор или масс-спектрометр[19]. Размещение фильтров Вина на «Нуклотроне» становится возможной реализация концепции квазизамороженного спина, для измерения электрического дипольного момента[5]. Эти фильтры способны обеспечивать точное управление над переходом между магнитным и электрическим полями, позволяя исследователям оптимизировать условия для обнаружения ЭДМ.

Согласно предложению, модернизированный «Нуклотрон» будет работать при пониженной энергии, порядка 6–8 ГэВ для функций основного ускорителя, но с отдельными каналами, способными обеспечивать пучки поляризованных частиц при энергиях 270 МэВ для экспериментов по поиску ЭДМ[5]. Этот подход обеспечивает оптимальные условия как для фундаментальных экспериментов по поиску электрического дипольного момента при низкой энергии, так и для сохранения функции установки как ускорителя поляризованных пучков для коллайдера NICA[5]. Такая техническая гибкость позволяет установке выполнять одновременно две критически важные физические программы.

Концепция спиновой прозрачности (spin transparency), разрабатываемая в рамках международного проекта SpinTra, представляет собой ещё один важный аспект технического развития, который непосредственно применим к «Нуклотрону»[21]. Спиновая прозрачность — это концепция, которая позволяет частицам с «замороженным спином» проходить через ускоритель без развития поперечных компонент поляризации, которые были бы чувствительны к магнитным полям и магнитным неоднородностям[21]. Это достигается путём тщательного проектирования магнитооптической структуры ускорителя, включая использование специальных элементов, называемых спиновыми навигаторами[21]. Спиновый навигатор — это устройство, которое позволяет изменять направление спина посредством управления степенью поляризации в реальном времени во время эксперимента[21].

Предмет исследования SpinTra включает анализ спиновой динамики в режиме спиновой прозрачности[21]. Основной задачей является обеспечение длительного времени спиновой когерентности протонов в кольцах с «замороженным спином», а также связанные с этим вопросы тензорной спиновой динамики и гравитационного вращения спина[21]. Эта программа исследований, первая в мире экспериментальная проверка новых идей спиновой прозрачности и спинового навигатора на накопителе COSY в Юлихе, Германия, предоставляет критические знания, которые непосредственно применимы к разработке модернизированного «Нуклотрона»[21]. Такая международная кооперация в развитии технических подходов ускоряет переход от теории к практической реализации на экспериментальных установках.

Тёмная материя, аксионы и широкополосная антенна Нуклотрона

Проблема тёмной материи представляет собой одну из величайших открытых загадок современной астрофизики и физики частиц. Наблюдаемая Вселенная состоит из многих компонент: обычная (барионная) материя, которая составляет примерно 5% энергетической плотности Вселенной, включая звёзды, газ и пыль; тёмная материя, которая составляет примерно 27%; и тёмная энергия, которая составляет примерно 68%[4]. Несмотря на то, что тёмная материя была открыта более 90 лет назад на основе наблюдений кривых вращения галактик, её природа остаётся неизвестной[4][7][7]. Галактики, включая нашу собственную Млечный Путь, вращаются с такой скоростью, что гравитация от видимого вещества не могла бы удержать их вместе[4][7]. Они должны были бы распасться давно, если бы в них не присутствовало огромное количество тёмного вещества, которое мы не можем увидеть, потому что оно не излучает, не отражает и не поглощает свет[4].

В отличие от обычной материи, тёмная материя не взаимодействует с электромагнитной силой[4]. Это означает, что она не излучает электромагнитное излучение и не может быть напрямую обнаружена с помощью телескопов[4][7]. Вместо этого учёные смогли вывести существование тёмной материи только из гравитационного воздействия, которое она оказывает на видимую материю[4][7][7]. Компьютерные симуляции показывают, что без тёмной материи галактики не смогли бы сформироваться так быстро, как мы наблюдаем в ранней Вселенной, потому что обычная материя взаимодействует сама с собой и замедляет гравитационный коллапс[7][7]. Тёмная материя, не вступая в электромагнитные взаимодействия, создаёт гравитационные «ямы», в которых собираются звёзды и газ[7][7].

Один из главных кандидатов на роль частиц тёмной материи — это аксионы, гипотетические частицы с чрезвычайно малой массой, которые были впервые предложены в контексте квантовой хромодинамики[7][7][47]. История аксиона началась не с тёмной материи, а с проблемы в квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильное ядерное взаимодействие[7][7]. В 1970-х годах физики заметили странность: КХД предсказывала нарушение симметрии заряда и четности, но эксперименты продемонстрировали, что сильное взаимодействие эту симметрию сохраняет[7][7]. Это выглядело как неестественное совпадение, будто природа специально «подкрутила» параметры. Для решения этой проблемы, известной как сильная CP-проблема, физики Пекчеи и Квинн предложили существование нового поля и связанной с ним частицы — аксиона[47].

Интересно, что аксионы почти сразу же стали рассматриваться как кандидаты на роль тёмной материи[7][7]. Расчёты показали, что в ранней Вселенной аксионы могли образовываться в огромных количествах[7][7]. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, тихо существуя на фоне всего происходящего — идеальные свойства для частиц, составляющих тёмную материю[7][7]. Их масса предположительно настолько мала, что их квантовая природа проявляется на макроскопических масштабах, делая их сильно отличающимися от традиционных кандидатов на роль тёмной материи, таких как WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)[7][7]. В отличие от WIMPs, которые предсказывают избыточное количество мелких субструктур в галактиках, несовместимое с наблюдениями, аксионы, благодаря своей выраженной волновой природе, предсказывают распределение тёмной материи, которое согласуется с астрономическими данными[7][7].

Поиск аксионов представляет собой одну из самых сложных задач современной физики, потому что они почти не взаимодействуют с обычной материей[7][7]. Однако существует ключевой эффект, который даёт шанс их обнаружить: в сильных магнитных полях аксионы могут превращаться в фотоны[7][7][47]. Это преобразование происходит благодаря взаимодействию аксиона с электромагнитным полем через аксион-фотонное взаимодействие. Эффект может быть описан простой формулой взаимодействия, но его воплощение в экспериментах требует достаточно сильных магнитных полей и чувствительных детекторов фотонов.

Если аксионы существуют, то они создают вокруг себя слабое псевдомагнитное поле[5][47]. Проходя через ускоритель с сильными магнитными полями, эти поля заставляют колебаться спины циркулирующих частиц[5][47]. Анализируя такие осцилляции, можно обнаружить аксионы[5][47]. Таким образом, модернизированный «Нуклотрон» с фильтрами Вина способен выступить в роли широкополосной антенны для регистрации проявлений тёмной материи, а именно аксионов[5]. Это использование установки в качестве детектора аксионов представляет собой инновационный подход к проблеме поиска тёмной материи, поскольку он использует существующую инфраструктуру ускорителя и не требует строительства полностью новых установок.

Другие экспериментальные подходы к поиску аксионов включают использование резонансных камер в сильных магнитных полях, таких как ADMX (Axion Dark Matter eXperiment)[7][7]. Эти эксперименты ищут преобразованные аксионы, которые должны преобразовываться в микроволновые фотоны, которые затем могут быть обнаружены радиоприёмниками, настроенными на резонансную частоту[7][7]. Будущий эксперимент IAXO (International Axion Observatory) обещает быть ещё более чувствительным, используя передовые технологии сверхпроводящих магнитов и высокочувствительные детекторы[7][7]. Однако «Нуклотрон» с его уникальными возможностями в области спиновой физики предоставляет дополнительный и независимый путь к поиску аксионов, расширяя общую глобальную стратегию их выявления.

Коллайдер NICA как партнёр Нуклотрона в исследовании фундаментальной физики

Коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) представляет собой один из самых амбициозных проектов в области ядерной физики, строящийся на базе Объединённого института ядерных исследований с 2013 года[41]. Основные научные цели коллайдера NICA заключаются в исследовании фазовой диаграммы сильно сжатой барионной материи в лабораторных условиях, которая существует только в нейтронных звёздах и ядрах сверхновых звёзд[41]. Для создания такой материи с высокой плотностью в лабораторных условиях используется столкновение тяжёлых ионов, в которых значительная часть энергии пучка расходуется на возникновение новых адронов и возбуждение резонансов, свойства которых могут быть заметно модифицированы окружающей горячей и плотной средой[41]. При очень высоких температурах или плотностях эта смесь адронов разбивается на составные части — кварки и глюоны, образуя новое агрегатное состояние материи — кварк-глюонную плазму[41].

Новый ускорительный комплекс NICA обеспечивает пучки различных частиц с широким спектром параметров[41]. Первый луч ксенона был успешно введён в кольцо NICA 18 декабря 2025 года, ознаменовав начало критической фазы пусконаладки[13]. Это достижение открывает дорогу для исследований с тремя основными детекторами: MPD (Multi-Purpose Detector) предназначен для проведения экспериментов в области релятивистской ядерной физики при столкновениях пучков ядер тяжёлых элементов, ядер тяжёлых элементов с протонами и протон-протонных столкновениях[42]. SPD (Spin Physics Detector) предназначен для проведения экспериментов по физике спина при столкновениях пучков ядер лёгких элементов, то есть протонов и дейтронов[44]. BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) используется для изучения взаимодействия релятивистских пучков тяжёлых ионов с фиксированными мишенями[8][8][41].

Ускоритель «Нуклотрон» выполняет критическую функцию как инжектор для коллайдера NICA, обеспечивая ускорение пучков до промежуточных энергий, после чего они направляются в основное кольцо коллайдера для дальнейшего ускорения и приведения в столкновение[3][5]. Полнообъёмная пусконаладка коллайдера NICA и его детекторов MPD и BM@N была запланирована на период 2024–2026 годов[27]. Детектор SPD планировалось ввести в эксплуатацию в 2026–2027 годах[27]. Между 2027 и 2030 годами ускорительный комплекс должен пройти модернизацию для достижения проектной светимости и расширения физической программы[27].

Согласно предложенной модернизации магнитооптической структуры «Нуклотронаемы, согласно которой квантовая хромодинамика предсказывает нарушение CP-симметрии в сильном взаимодействии, но такого нарушения не наблюдается[7][7][47]. Постулирование аксиона позволяет подавить это проблемное CP-нарушение[47]. Однако существует интригующая связь между аксионом и CP-нарушением: если существуют новые источники CP-нарушения за пределами сильного взаимодействия, они влияют на параметры аксионной физики[20][25][47]. Улучшение чувствительности к θ_QCD, параметру, критически важному в аксионной и аксионной тёмной материальной физике, примерно на три порядка величины может быть достигнуто через измерения протонного ЭДМ[20][25].

Понимание этих взаимосвязей требует разработки экспериментальных методик, которые одновременно могут зондировать как CP-нарушение, так и проявления аксионов. Модернизированный «Нуклотрон» спроектирован именно для этого двойного назначения. Путём измерения вращения спина поляризованных пучков в скрещенных магнитных и электрических полях установка может чувствительно регистрировать как ЭДМ, так и влияние аксионов на спиновую динамику[5][47]. Это интегрированный подход позволяет одной установке атаковать две критически важные проблемы новой физики одновременно, делая «Нуклотрон» уникально ценным ресурсом для глобального сообщества физиков, ищущих ответы на фундаментальные вопросы о природе Вселенной.

Технические аспекты модернизации и инженерные решения

Предложенная модернизация магнитооптической структуры «Нуклотрона» представляет собой сложное техническое предприятие, требующее глубокого понимания как принципов физики ускорителей, так и практических аспектов инженерии высокоэнергетических установок. Ключевое инженерное решение, предложенное для модернизированного «Нуклотрона», заключается в разделении магнитных и электрических полей в разных частях ускорителя[5]. Вместо использования единого типа магнитного элемента, который одновременно дефлектирует пучок и создаёт магнитное поле для удержания частиц в орбите, модернизированная конфигурация использует отдельные дефлекторы, содержащие только магнитные поля, в сочетании с отдельными электрическими полями, создаваемыми фильтрами Вина[5][32].

Это разделение функций полей позволяет достичь нескольких критических целей. Во-первых, оно обеспечивает необходимое оборудование в туннеле «Нуклотрона» без требования строительства новых установок[5]. Во-вторых, оно позволяет оптимизировать каждый тип поля независимо для конкретного назначения, будь то удержание пучка в орбите, управление спином или поиск ЭДМ[5]. В-третьих, это решение обеспечивает требуемую гибкость для того, чтобы ускоритель мог функционировать одновременно как инжектор для коллайдера NICA и как самостоятельная установка для экспериментов с тонкой структурой[5].

Конкретно, предложенное решение предполагает, что при заполнении кольца коллайдера NICA легкие ионы будут ускоряться в ЛУ-20 и инжектироваться непосредственно в «Нуклотрон» вместе с тяжёлыми ионами, поступающими из системы инжектора тяжёлых ионов[1][5]. Затем оба типа ионов ускоряются синхротроном до требуемых энергий. Для функции поиска ЭДМ предусмотрены отдельные каналы, работающие при пониженной энергии примерно 6–8 ГэВ для основного кольца, но способные обеспечивать пучки поляризованных частиц при энергиях 270 МэВ для экспериментов по ЭДМ[5].

Использование фильтров Вина требует установки дополнительного оборудования, но это оборудование может быть расположено в существующем туннеле ускорителя[5]. Фильтр Вина обычно состоит из параллельных пластин конденсатора для создания электрического поля и дополнительных магнитных катушек для создания магнитного поля, перпендикулярного электрическому полю[19]. Частица, проходящая через фильтр Вина с определённой скоростью, останется не отклонённой, если электрическая и магнитная силы на неё сбалансированы. Частицы с другими скоростями или заряду будут отклонены, позволяя выполнять фильтрацию или анализ энергии[19]. Это же устройство может быть использовано для управления спиновой динамикой и создания условий для чувствительного поиска ЭДМ[5].

Технический дизайн модернизированного «Нуклотрона» также требует рассмотрения вопросов точности удержания пучка, контроля вакуума, системы ускоряющих эффективности радиочастотных полостей и точности магнитного поля. Система вакуума должна поддерживать достаточно низкое давление для предотвращения рассеяния пучка газом в вакуумной камере. Радиочастотная система должна обеспечивать эффективное ускорение, минимизируя потери энергии и обеспечивая точную синхронизацию с орбитальной частотой пучка. Магнитная система должна быть отрегулирована с высокой точностью, обычно на уровне одной части на тысячу или лучше, чтобы обеспечить стабильность орбиты пучка и точное управление его динамикой.

Сергей Колокольчиков, один из авторов проекта, младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей МФТИ и аспирант Института ядерных исследований РАН, отметил, что предложенная модернизация обеспечивает условия для фундаментальных экспериментов по поиску электрического дипольного момента легких ядер при низкой энергии — 270 МэВ, в то время как сохраняя функцию установки как ускорителя поляризованных пучков для коллайдера NICA[5]. Эта техническая интеграция демонстрирует, что «Нуклотрон» может быть спроектирован так, чтобы максимально использовать существующую инфраструктуру при достижении новых научных целей.

Глобальный контекст и конкурирующие программы EDM

Поиск электрического дипольного момента элементарных частиц и ядер активно ведётся во многих лабораториях мира, и различные экспериментальные подходы предоставляют дополнительную информацию о возможной новой физике. В Европе важными установками для проведения экспериментов с ЭДМ являются накопитель COSY в Юлихе, Германия, где проводятся эксперименты JEDI (Juelich Electron Dipole moment Investigations) и CPEDM (Charged Particle EDM)[21][25]. Эти эксперименты готовят как прямые эксперименты по поиску ЭДМ протонов и дейтронов в кольце синхротрона COSY, так и проекты специализированных накопителей для достижения предельных точностей[21][25]. Концепция «замороженного спина» (frozen spin), которая была разработана в рамках этих проектов, непосредственно применима и адаптирована для использования на модернизированном «Нуклотроне»[21][25].

В Соединённых Штатах Брукхейвенская национальная лаборатория (BNL) разработала проект хранилища протонного ЭДМ, направленный на достижение чувствительности к ЭДМ протона на уровне 10^-29 e·см[20]. Этот проект описан в деталях как предложение, основанное на вертикальном вращении поляризации сохранённого протонного пучка[20]. Новая физика, которую можно изучать при помощи этого эксперимента, включает сектор Хиггса, достижимый на масштабах примерно 10^3 ТэВ масс, что значительно превышает энергии, непосредственно доступные на ускорителях типа LHC[20]. Улучшение чувствительности к θ_QCD, параметру, критически важному в аксионной и аксионной тёмной материальной физике, может быть достигнуто примерно на три порядка величины[20].

На международном уровне существует скоординированная деятельность по разработке и совершенствованию технологий для экспериментов с ЭДМ. Документ по статусу и планам европейских экспериментов с ЭДМ в хранилищах подчеркивает, что экспериментам по ЭДМ необходимо решать задачи с высокой точностью, требующие как улучшений в статистике, так и в контроле систематических ошибок, чтобы достичь целевых чувствительностей 10^-29 e·см[25]. Документ указывает, что та же кольцо может быть использовано для ЭДМ дейтерона и ядер гелия-3, создавая обширную физическую программу, которая может быть реализована менее чем за 20 лет[25].

Компаративное преимущество модернизированного «Нуклотрона» заключается в его способности обеспечивать поляризованные пучки при энергиях, оптимальных как для поиска ЭДМ легких ядер, так и для изучения спиновой структуры нуклонов при повышенных энергиях в сочетании с коллайдером NICA[5][44]. Это комбинированный подход, сочетающий прецизионную физику с высокоэнергетическими исследованиями, позволяет «Нуклотрону» занимать уникальное место в глобальной сети установок для физики элементарных частиц. Координация между различными программами EDM и максимизация их взаимной дополнительности остаётся важной задачей для глобального сообщества физиков, стремящихся разрешить фундаментальные тайны Вселенной.

Перспективы открытий и влияние на фундаментальную физику

Если модернизированный ускоритель «Нуклотрон» успешно выполнит свою научную миссию, результаты могут иметь революционное значение для нашего понимания Вселенной. Первое потенциальное открытие — это обнаружение ненулевого электрического дипольного момента протона или дейтрона[14][20]. Такое открытие свидетельствовало бы о существовании новых источников нарушения CP-симметрии, которые выходят за пределы Стандартной модели[14][20][25]. Это открытие могло бы помочь объяснить, почему материя преобладает над антиматерией во Вселенной, разрешая одну из величайших космологических загадок[6][14][20]. Измерения ЭДМ различных частиц — протона, дейтрона, нейтрона и электрона — предоставляют дополнительную информацию о структуре лежащих в основе CP-нарушающих взаимодействий, позволяя учёным ограничить или исключить различные теории новой физики[14][25].

Второе потенциальное открытие — это обнаружение аксионов или аксионоподобных частиц через их влияние на спины циркулирующих в ускорителе частиц[5][47]. Открытие аксионов было бы революционным по нескольким причинам. Во-первых, оно разрешило бы сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике, предоставляя решение давно открытой проблемы в теории элементарных частиц[7][7][47]. Во-вторых, если аксионы составляют основную компоненту тёмной материи, то это открытие раскрыло бы природу одного из наиболее распространённых типов материи во Вселенной[7][7]. В-третьих, открытие аксионов привело бы к глубокому пересмотру нашего понимания физики на самых фундаментальных уровнях, от микромира до эволюции Вселенной[7][7].

Даже если ненулевой ЭДМ или аксионы не будут обнаружены, результаты экспериментов на модернизированном «Нуклотроне» будут иметь значительное научное значение. Исключительно жёсткие ограничения на величину ЭДМ или взаимодействие аксионов с материей позволили бы ограничить пространство параметров различных теорий новой физики, направляя будущие теоретические и экспериментальные исследования[14][25]. Например, если эксперименты исключат ЭДМ на уровне 10^-29 e·см, это будет означать, что определённые классы теорий CP-нарушения необычайно редки или не существуют вообще[25]. Аналогично, если не будут обнаружены аксионы в определённом диапазоне масс и связей с материей, это также ограничит пространство параметров аксионной физики[7][7].

Результаты, полученные на «Нуклотроне», будут также содействовать пониманию спиновой структуры нуклонов через экспериментальную программу коллайдера NICA и детектора SPD[44]. Измерения спиральности глюонов, функций распределения по импульсу (PDF) нуклонов и тензорной структуры дейтрона будут обеспечивать дополнительное понимание внутреннего строения протонов и дейтронов[44]. Эта информация имеет фундаментальное значение для понимания квантовой хромодинамики и сильного ядерного взаимодействия. Интеграция этих исследований высокой энергии с прецизионными измерениями фундаментальных симметрий создаёт многоаспектный подход к разрешению глубоких вопросов о природе Вселенной.

Долгосрочное влияние результатов на фундаментальную физику может быть весьма значительным. Если открытие ненулевого ЭДМ или аксионов будет подтверждено, это может привести к переоценке всех текущих теорий физики элементарных частиц и переписыванию учебников[6][14][20][25]. Если же новых частиц не будет найдено, но будут получены исключительно жёсткие ограничения, это всё равно будет означать прогресс, поскольку это направляет научное сообщество к новым идеям и подходам к решению фундаментальных проблем[14][25]. В любом случае, научная программа модернизированного «Нуклотрона» займёт центральное место в глобальных усилиях по разгадыванию самых глубоких тайн Вселенной.

Заключение: интеграция прецизионной физики и высокоэнергетических исследований

Модернизированный ускоритель «Нуклотрон» представляет собой уникальный и мощный инструмент для решения некоторых из самых фундаментальных проблем в физике и космологии. Путём разделения магнитных и электрических полей и использования инновационных технологий, таких как фильтры Вина и концепция квазизамороженного спина, установка становится способной одновременно выполнять две критически важные научные функции: служить инжектором для коллайдера NICA и проводить прецизионные эксперименты по поиску электрического дипольного момента протонов и дейтронов, а также поиску аксионов в качестве кандидатов на роль тёмной материи[5]. Эта интеграция высокоэнергетической и прецизионной физики создаёт комплексную и эффективную научную стратегию.

Научная значимость этого предприятия трудно переоценить. Проблема асимметрии материи и антиматерии остаётся одной из величайших нерешённых проблем космологии, без решения которой мы не можем полностью понять происхождение Вселенной[6][9][33][36]. Природа тёмной материи, составляющей более четверти энергетической плотности Вселенной, остаётся загадкой, разгадка которой критически важна для понимания эволюции космоса[4][7][7]. Модернизированный «Нуклотрон» предоставляет инновационный и многоаспектный подход к атаке на обе эти проблемы одновременно.

Технические решения, предложенные для модернизации, демонстрируют, как можно оптимально использовать существующую научную инфраструктуру для достижения новых целей, не требуя построения полностью новых и экономически дорогостоящих установок[5]. Это имеет важное значение для развития глобальной сети научных инструментов, позволяя различным лабораториям мира вносить наиболее значительный вклад в решение фундаментальных проблем в соответствии с их специфическими возможностями и сравнительными преимуществами.

Кроме того, модернизированный «Нуклотрон» способствует интеграции международного научного сообщества. Концепции, разработанные в рамках европейских программ JEDI и CPEDM на установке COSY, непосредственно применяются в российском проекте, демонстрируя важность глобального сотрудничества в фундаментальной науке[21][25]. Результаты из различных установок, включая предлагаемый протонный EDM-эксперимент в Брукхейвене, европейские программы и российский проект на «Нуклотроне», будут дополнять друг друга, предоставляя всесторонний зонд новой физики[20][25].

В заключение, модернизированный ускоритель «Нуклотрон» представляет собой важный элемент в глобальной стратегии по решению фундаментальных загадок Вселенной. Путём проведения прецизионных измерений электрического дипольного момента протонов и дейтронов, поиска аксионов и участия в высокоэнергетических исследованиях через коллайдер NICA, установка может существенно способствовать нашему пониманию асимметрии материи и антиматерии и природе тёмной материи[5][14][20][44]. Научное сообщество с нетерпением ждёт результатов этой амбициозной экспериментальной программы, которая имеет потенциал переписать наши представления о фундаментальной физике и о самой природе Вселенной.