Проекты XXI века

NICA: стартовая версия определена

Завершается подготовительный этап начала строительства зданий коллайдера NICA, двух его детекторов и каналов транспортировки пучков из Нуклотрона в коллайдер. С начала января на участке застройки ведется забивка контрольных свай (методом "вдавливания", исключающим деформацию фундаментов соседних зданий). Генеральный подрядчик европейский строительный концерн "Штрабаг" (в лице дочернего российского подразделения) рассчитывает подготовить оценку стоимости и сроков сооружения зданий к концу марта этого года. Одновременно в Лаборатории физики высоких энергий активно ведутся работы по созданию элементов ускорительного комплекса NICA и детектора MPD.

15 января 2014 года Координационным комитетом проекта NICA принято решение о поэтапном вводе в действие ускорительного комплекса и детектора и определены параметры стартовой версии комплекса. 23 января состоялось совместное заседание ускорительной секции общеинститутского семинара и семинара ЛФВЭ имени В.И.Векслера и А.М.Балдина, на котором были представлены два доклада, подготовленные группой авторов - М.Ю.Барабанов, О.С.Козлов, И.Н.Мешков, А.О.Сидорин, Г.В.Трубников. Первый доклад "Стартовая конфигурация ускорительного комплекса NICA" сделал А.О.Сидорин, второй - "Перспективы экспериментов на встречных протон-протонных пучках" - М.Ю.Барабанов.

Необходимость четкого определения этапов ввода в эксплуатацию оборудования коллайдера была особо подчеркнута на международном экспертном комитете по ускорительной части проекта, состоявшемся в октябре 2013 года. Как и на любой ускорительной установке, первоначальная настройка будет производиться в оптимальном диапазоне энергий и при уменьшенной интенсивности пучков. Естественно, что в условиях ограниченного финансирования, к моменту пуско-наладочных работ должно быть изготовлено лишь оборудование, необходимое на данном этапе, а остальные системы будут последовательно изготавливаться и устанавливаться по мере продвижения к проектным параметрам комплекса.

С учетом рекомендаций экспертов координационный комитет проекта сформулировал задачи и состав оборудования комплекса на момент ввода его в действие ("стартовая версия"). Был определен оптимальный диапазон энергии сталкивающихся пучков, - от 3 до 4 ГэВ на нуклон. Именно в этом диапазоне ожидается получение максимальной плотности ядерной материи при столкновениях тяжелых ионов. Кроме того, он достаточно хорошо освоен на Нуклотроне. Основное требование к параметрам пучков - обеспечение возможности тестирования и настройки систем детектора MPD. Для этого светимость коллайдера NICA при столкновении ядер золота должна быть не ниже 5 процентов от проектной. На основании этих требований была определена так называемая "стартовая конфигурация" оборудования коллайдера. В отличие от полной версии, на начальном этапе будет отсутствовать система электронного охлаждения, главная задача которой - обеспечение высокой средней светимости при энергиях ионов от 1 до 3 ГэВ на нуклон. Ввиду заметно меньшей интенсивности пучков отпадает также и необходимость в системах обратной связи, предназначенных для подавления неустойчивостей, вызываемых собственными электромагнитными полями сгустков. Заметному "сокращению" подверглась и высокочастотная система коллайдера, предназначенная для формирования коротких и интенсивных сгустков частиц.

В режиме столкновения тяжелых ионов в коллайдере будет реализована оригинальная трехступенчатая схема накопления и группировки пучков. Первоначально с помощью высокочастотной системы, создающей так называемые "барьерные" напряжения, в каждом из двух колец коллайдера за счет последовательных инжекций из Нуклотрона накапливаются пучки требуемой интенсивности. Частицы пучков равномерно распределены по периметру орбиты. Затем с помощью второй высокочастотной системы пучок разбивается на 22 сгустка, и с использованием охлаждения производится их предварительное сжатие. После этого включается третья высокочастотная система, которая осуществляет окончательное сжатие сгустков до длины, необходимой для получения проектной рекордной светимости.

В стартовой конфигурации оборудования решено ограничиться только системой "барьерных" напряжений и половинным комплектом оборудования второй системы. При этом сгустки при столкновениях будут иметь большую длину, что приведет к размыванию области столкновения ионов внутри детектора, однако ее размеры останутся в пределах, допустимых для эффективной работы основных систем MPD. Сокращение комплектации высокочастотной системы вызвано не только необходимостью экономии средств: в стартовой конфигурации будут установлены только шесть резонаторов из 26, составляющих полный комплект. Существенную роль играет и срок проектирования и изготовления этого высокотехнологичного оборудования.

В качестве наиболее вероятного производителя высокочастотных систем коллайдера рассматривается Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера (Новосибирск), специалисты которого в прошлом году завершили изготовление ускоряющих станций ионного синхротрона - бустера комплекса NICA. В настоящее время ИЯФ приступает к созданию ВЧ станций барьерного напряжения, а сама стартовая конфигурация является компромиссом между профилем финансирования проекта, доступным в рамках бюджета ОИЯИ, и производственными возможностями новосибирского института. Будет также сокращена стартовая комплектация системы стохастического охлаждения. Требуемое время жизни светимости удастся обеспечить за счет охлаждения только продольной степени свободы, то есть охлаждения разброса частиц по энергии. При этом, правда, придется отказаться от термодинамического равновесия в сгустке и, используя "вредное" внутрипучковое рассеяние, работать на динамической перекачке энергии из поперечных степеней свободы в охлаждаемую продольную. Экспериментальному исследованию метода стохастического охлаждения было уделено особое внимание на последних сеансах Нуклотрона, и к настоящему времени продемонстрирована возможность получения требуемых характеристик системы.

Расчеты, выполненные группой разработчиков ускорительного комплекса NICA, показали, что при столкновениях ядер золота светимость коллайдера, требуемая в стартовой конфигурации -
около 10²⁵ см^-2с^-1, может быть обеспечена с достаточным запасом. Для ядер элементов из середины таблицы Менделеева, таких как аргон, медь, железо, ксенон, можно рассчитывать и на получение максимальной проектной светимости. В программу экспериментов с тяжелыми ионами входит также, как необходимая реперная точка, проведение столкновений протонов. Поэтому для стартовой конфигурации были сделаны оценки достижимой светимости в протон-протонных и дейтрон-дейтронных столкновениях.

Стартовая версия не рассчитана на получение предельно возможной светимости в столкновениях легких ионов, поэтому светимость коллайдера при столкновениях протонов имеет достаточно скромное значение по сравнению с ее проектным значением в режиме работы с поляризованными пучками -
около 10²⁹ см^-2с^-1, при энергии протонов до 6 ГэВ. Однако ее уровень уже достаточен для обсуждения возможности выполнения программы физических исследований, которая в настоящее время находится в стадии разработки.

26 января стартовало охлаждение кольца Нуклотрона, и с первых чисел февраля начато выполнение программы физических исследований 51-го сеанса. В программу "ускорительных" смен сеанса включены исследования по стохастическому охлаждению и перегруппировки пучка, ориентированные на уточнение достижимых параметров коллайдера NICA стартовой конфигурации при столкновениях пучков дейтронов и протонов.

Анатолий Сидорин, Михаил Барабанов