Три загадки для NICA
Понять поведение элементарных частиц микромира мы не можем даже с помощью самых мощных микроскопов. Сама длина волны света больше размеров этих частиц. Это не позволяет нам заглянуть глубоко — в само устройство мироздания. Но понять по косвенным признакам скрытую от нас жизнь мы можем с помощью экспериментов на ускорителях частиц. Эти масштабные и сложные установки разгоняют частицы до скоростей, приближенных к скорости света. Сталкивая их в коллайдере, ученые изучают поведение частиц, в том числе рождение новых, жизнь которых может длиться всего доли секунды.
Первые проекты NICA посвящены вопросам самого зарождения нашего мира — переходу материи из состояния кварк-глюонной плазмы в элементарные частицы. Это основа основ. Также большое внимание уделяется нерешенным вопросам ядерной физики — сильному взаимодействию внутри ядра, электрическому дипольному моменту, решению «спинового кризиса».
Остановимся на трех основных:
Кварк-глюонная плазма
Кварк-глюонная плазма — экстремальное состояние субъядерной материи, образующееся при сверхвысоких плотностях энергии и температурах, которыми и характеризовались первые доли секунд после Большого взрыва. Тогда атомы и молекулы ещё не образовались. Это был некий суп из составляющих частиц: кварков, антикварков и глюонов. Дальше был переход, когда новая Вселенная остывала, что и способствовало образовываю атомов и молекул.
NICA способна разгонять и сталкивать не только легкие частицы, но и тяжелые ионы, что поможет нам исследовать этот загадочный переход, когда сама материя позволяет кваркам и глюонам быть в свободном состоянии. Для этого будет задействован детектор MPD (Multi-Purpose Detector). Второй детектор в коллайдере NICA, SPD (Spin Physics Detector) задействован для столкновения легких частиц, протонов с учетом их спина. И здесь мы переходим ко второй важной задаче — решению спинового кризиса.
Спиновой кризис
Спин — важная характеристика элементарных частиц и обозначает их собственный вращательный момент. Сам «спиновый кризис» возник в результате того, что суммарный спин частицы обусловлен не только кварками, как считали ученые, но и глюонами. Но до сих пор не понятно как суммировать спин протона из его составляющих частей, какая доля спина у каждой составляющей части. То есть здесь есть определенная загадка.
Для ее решения необходимы эксперименты с поляризованными протонами, которые позволят получить данные о спиновой структуре частиц. Для этого в NICA будут сталкивать пучки поляризованных легких ядер в детекторе SPD. Спины частиц в таком пучке смотрят в одном выделенном направлении.
Важно подчеркнуть, что спиновая программа существенно расширяет возможности комплекса NICA —- самой передовой машины в мире по спиновым задачам.
Управление поляризацией также очень важное направление для высокоточных экспериментов. При этом можно управлять направлением поляризации различных частиц в любой точке коллайдера с помощью специальных магнитных навигаторов с очень слабыми полями. Направление поляризации можно выставить практически по нашему желанию и в этом смысле NICA лучшая в мире.
Электрический дипольной момент
Электрический дипольной момент (ЭДМ) — одно из фундаментальных свойств материи, наряду с зарядом и массой. По сути это характеристика асимметрии распределения плотности заряда внутри частицы.
Его величина настолько мала, что до сих пор никому не удалось измерить ЭДМ с достаточной точностью. Сейчас только ставят экспериментальные ограничения сверху на эту величину. Пока все предсказания теоретических моделей сходятся к очень малой величине, на уровне 10−30 е·см. Стандартная модель предсказывает, что электрический дипольный момент у частиц почти нулевой. Но уже есть новые гипотезы, такие как теория суперсимметрии, которые предполагают, что его величина больше.
Стоит отметить, что в экспериментах мы приблизились к теоретическим прогнозам и уже измерили ЭДМ на уровне 10−25 е·см. Планируемый эксперимент на комплексе NICA позволит обнаружить ЭДМ-сигнал на уровне 10−29 е·см, что на 4 порядка точнее текущих измерений.
Загадочная материя
Само открытие электрического дипольного момента позволит объяснить загадку барионной асимметрии Вселенной или почему во Вселенной образовалось больше вещества чем антивещества. В целом нахождение верного ЭДМ способствует открытию новой физики за пределами основной стандартной модели элементарных частиц. А это как выйти за таблицу Менделеева в нашем макромире.
В данном случае мы говорим про постоянный дипольный момент, когда плюс с минусом разведены. Но есть ещё осциллирующий (колеблющийся) дипольный момент — это аксион и он является прямым кандидатом на роль частиц темной материи. Из космологических наблюдений известно, что она составляет примерно четверть массы Вселенной. Стоит отметить, что в комплексе NICA также реализуется программа по поиску аксиона.
И в заключение хочется сказать, что эксперименты по столкновению и управлению поляризацией частиц в коллайдере NICA используют новаторские идеи российских ученых. Спиновая программа комплекса по поиску ЭДМ и аксиона является неотъемлемой частью экспериментов по изучению фундаментальных симметрий. Все это делает ускоритель NICA очень удобной средой для точных экспериментов и дает нам реальные шансы на открытие главных тайн мироздания.
