Горизонты научного поиска

BM@N: физическая программа расширена

BM@N (Барионная материя на Нуклотроне) - первый состоявшийся эксперимент по мега-сайенс проекту NICA. Проведены несколько сеансов, создана международная коллаборация. В прошлом году физическая программа эксперимента BM@N на выведенном пучке Нуклотрона была расширена за счет исследования короткодействующих двухнуклонных корреляций в ядре (КДК).

История этого направления берет начало на синхроциклотроне ЛЯП в 50-е годы. Тогда М.Г.Мещеряков со своими аспирантами Г.А.Лексиным, Л.С.Ажгиреем и В.И.Комаровым занимались процессами вне кинематики нуклон-нуклонных взаимодействий, изучали свойства образовавшихся при этом ядерных фрагментов - протонов и легчайших ядер. В еженедельнике "Дубна: наука, содружество, прогресс" (№№47, 48, 49) были опубликованы воспоминания В.И.Комарова об этих событиях.

Предложенное объяснение эффекта выбивания отдельных нуклонов и легких ядер в кинематически запрещенные области получило название кумулятивного эффекта, то есть такого, при котором рассеяние происходит на группе нуклонов (или более чем на трех кварках) как на одном объекте. Эта тема получила развитие в теории "флуктонов" А.М.Балдина. Л.С.Ажгирей позже проводил эксперименты в ЛВЭ на синхрофазотроне по тематике кумулятивных реакций. С 1971 года по инициативе А.М.Балдина под руководством В.С.Ставинского начались эксперименты по исследованию кумулятивных мезонов. В середине 80-х годов при исследовании кумулятивных эффектов на пучке поляризованных дейтронов делались попытки описать дейтрон с помощью импульсного приближения - это можно считать началом направления КДК на площадке современной ЛФВЭ. Было показано, что в области внутренних импульсов 200-250 МэВ/с импульсное приближение для дейтрона не работает.

В 2017 году инициативу проявила группа из MIT и университета Тель-Авива - профессор Ор Хен и профессор Эли Пясецки предложили использовать пучки легких ядер Нуклотрона для исследования КДК, тем более что спектрометр BM@N уже имел в распоряжении почти все необходимые детекторы.

Участники международной группы во время сеанса.
В первом ряду в центре профессор Эли Пясецки (третий слева) и профессор Ор Хен (третий справа).

Короткодействующие двухнуклонные корреляции (КДК) - это кратковременные объединения двух нуклонов с большими и противоположно направленными импульсами, каждый из которых значительно превышает характерный для данного ядра импульс Ферми, а импульс центра масс пары меньше импульса Ферми. Образование КДК в ядре может быть обусловлено интенсивным взаимодействием между нуклонами на малых расстояниях. В КДК реализуется наиболее плотное состояние ядерной материи, доступное в естественных земных условиях, что делает КДК идеальной площадкой для исследования соотношений между нуклонными и партонными степенями свободы в ядрах. КДК в последние годы являются предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. С 2018 по 2020 гг. в лаборатории JLab реализуется обширная физическая программа по исследованию КДК с использованием электронного пучка. Также измерения КДК запланированы в GSI с протонными пробниками и ядерными мишенями.

Идея исследования КДК заключается в том, что пробник выбивает из ядра один нуклон из скоррелированной нуклон-нуклонной пары, и он попадает в детектор (при этом есть вероятность того, что второй нуклон из пары тоже покинет ядро и будет зарегистрирован). До сих пор ядро, в котором разбивалась КДК пара, было недоступно для исследования, так как оно находилось в покоящейся мишени.

Уникальное отличие эксперимента на BM@N состоит в том, что здесь пучок углерода сталкивается с протоном жидководородной мишени, то есть ядро продолжает движение после взаимодействия и проходит через детекторные системы установки BM@N. Таким образом, впервые появилась возможность исследовать свойства остаточного ядра.

От идеи эксперимента до первого набора данных прошло меньше года - это очень малый срок, обычно подготовка к эксперименту такого плана занимает несколько лет. В подготовке к измерению участвовали три специалиста MIT и сотрудники проекта BM@N. Нужно было провести моделирование, изготовить триггерную систему, подготовить план расположения детекторов, а также перевезти в Дубну из GSI, установить и подключить нейтронный детектор LAND (Large Area Neutron Detector).

Совместно с О.П.Гаврищуком и группой В.И.Юревича проходила сборка и тестирование сцинтилляционных триггерных счетчиков. Группа Ю.Т.Борзунова подготовила к сеансу жидководородную мишень из запасов лаборатории, которая успешно отработала все положенное время, несмотря на почтенный возраст. В сменах участвовали 15 студентов, аспирантов и физиков из MIT, университета Тель-Авива (Израиль), GSI (Германия) и CEA Saclay (Франция), а также около 30 экспертов из Лаборатории физики высоких энергий.

При посещении экспериментального зала многие наши коллеги отметили порядок и продуманную организацию всей инфраструктуры, включая опоры для детекторов, короба для кабелей, стойки для электроники, рабочие инструменты. Это заслуга главного инженера установки BM@N С.М.Пиядина. Группа под руководством С.Н.Базылева обеспечила безукоризненную работу системы сбора данных. Всесторонняя поддержка коллектива BM@N позволила успешно провести первое измерение в марте 2018 года. Было набрано 8 миллионов событий, в которых сработал КДК-триггер. Сейчас ведется анализ этих данных. В конечном состоянии мы видим богатый спектр ядер, включая бор-10 и бор-11, соответствующие выбиванию протон-нейтронной пары или одного протона из ядра углерода-12. В 2020 году планируется выпустить первую публикацию.

Физическая программа по теме КДК на установке BM@N не исчерпывается одним экспериментом, международная группа надеется на дальнейшее сотрудничество. Кроме набора дополнительной статистики на пучке углерода, планируется увеличить площадь покрытия детекторов, которые регистрируют выбитый и рассеянный нуклоны, а также использовать пучок поляризованных дейтронов для исследования спин-зависимой части КДК. Измерения на эту тему также планируются в коллаборации DSS (Deuteron Spin Structure) на внутренней мишени Нуклотрона.

Мария ПАЦЮК, старший научный сотрудник ЛФВЭ,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ