Megaprojekt NICA bude studovat chladnou hustou jadernou hmotu

Deset mikrosekund po velikém třesku vesmír obsahoval kromě leptonů a fotonů silně interagující hmotu sestávající z kvarků a gluonů o vyšší hustotě, než jaká je v atomovém jádře. Vlastnosti této kvark-gluonové polévky můžeme studovat i v laboratoři.

Experimentální vývoj částicové fyziky i fyziky zkoumající horkou a hustou hmotu se zatím posunoval hlavně k stále větším energiím srážky, a tedy k stále vyšším energiím svazků na urychlovači. Při srážce těžkých jader tak získáváme jadernou hmotu čím dál vyšší hustoty energie a čím dál vyšší teploty. Taková hmota byla například na počátku vesmíru. Jaderná hmota se může vyskytovat v různých fázích. Jádra běžných atomů jsou ve fázi jaderné kapaliny. Je to však kapalina s velice exotickými vlastnostmi. Je obtížně stlačitelná a supratekutá s velmi nízkou viskozitou.

Když takovou hmotu dostatečně ohřejeme, přechází do stavu hadronového plynu. Připomeňme, že hmota uvnitř normálních jader v atomech je složena z nukleonů (protonů a neutronů), které v jádře udržuje silná interakce a společně s mezony patří k hadronům. Jsou dvojího typu – baryony (skládají se ze tří kvarků) a mezony (skládají se ze dvou kvarků). Pokud dodáme do systému složeného z nukleonů ohřátím dostatek energie, začnou se nukleony přeměňovat na jiné hadrony a vznikají i hadrony další. Zároveň po přechodu do fáze hadronového plynu bude interakce mezi těmito hadrony volnější a budou se chovat více jako plyn než kapalina. Důležitá je znalost podmínek, za kterých dochází k fázovému přechodu mezi jedním a druhým stavem.

Pokud dodáme hadronovému plynu ještě více energie a dostatečně jej ohřejeme nebo stlačíme, dojde k tomu, že kvarky v hmotě s velmi vysokou hustotou hadronů ztratí identifikaci s konkrétním hadronem. Pokud dodáme jaderné hmotě spoustu energie, začne vznikat velký počet kvarků a gluonů. Gluony jsou částice, které zprostředkovávají silnou interakci. Je to podobné situaci, kdy dodáme velké množství energie normální hmotě, ta začne produkovat a vyzařovat velké množství fotonů viditelného záření a hmota začne svítit. Rozpálená plotýnka vařiče se tak zbarví doruda. Fotony jsou zprostředkující částicí elektromagnetické interakce, která určuje chování normální hmoty.

Gluony interagují velmi intenzivně s dalšími gluony a kvarky. Na rozdíl od fotonů v normální hmotě jsou gluony v jaderné hmotě silně vázány a nejsou z ní emitovány. Při vysokém ohřátí nebo stlačení tak dostaneme směs kvarků a gluonů, která se označuje jako kvark-gluonové plazma.

Různé fáze jaderné hmoty

Podobně jako u normální hmoty lze termodynamické vlastnosti různých fází jaderné hmoty a fázové přechody mezi nimi zobrazit pomocí fázového diagramu. Prozatím se velmi intenzivně studují stavy hmoty s extrémně vysokou teplotou. I při velmi vysoké hustotě energie však má v tomto případě hmota velmi nízkou čistou hodnotu hustoty počtu baryonů (tj. rozdílu mezi počtem baryonů a antibaryonů na jednotku objemu). Při dostatku energie sice mohou vznikat nové baryony, ale vždy ve dvojici s antibaryony. Čistý počet baryonů se tak zachovává a jejich hustota určuje míru energie srážky, která se využije na stlačení hmoty. Čím vyšší je hodnota hustoty čistého počtu baryonů, tím více je hmota stlačená.

Na urychlovačích LHC v laboratoři CERN (Švýcarsko) nebo RHIC v Brookhavenu (USA) dosáhneme rychlého extrémního ohřátí hmoty, ovšem její čistá baryonová hustota zůstává blízká původní nebo se ještě sníží. Energie srážky se využila na ohřátí, ale ne na stlačení. Po srážce se vytvořená horká hmota rychle rozpíná a chladne. Klesá její teplota i baryonová hustota. Při dostatečné energii vznikne během srážky zmíněné kvark-gluonové plazma. Následné rozpínání a ochlazování hmoty vede k hadronizaci, tedy k fázovému přechodu od kvark-gluonového plazmatu k hadronovému plynu. A právě poznání vlastností tohoto fázového přechodu, které se mohou v různých oblastech fázového diagramu i dramaticky odlišovat, je velmi důležitým a zajímavým úkolem jaderné fyziky využívající srážky těžkých iontů. Umožňuje nám to zjistit, co se dělo v raných fázích vývoje vesmíru.

Pro srážky, které vedou k vysokým teplotám a nízkým čistým baryonovým hustotám, je tento přechod téměř nezaznamenatelný ve změnách termodynamických veličin. Naopak u srážek při nižších teplotách, ale vyšších až vysokých čistých baryonových hustotách je fázový přechod velmi dramatický a mohlo by jít i o fázový přechod prvního druhu, tedy podobný tomu, co pozorujeme třeba při přechodu vody v led. V takovém případě mohou existovat dvě různé fáze hmoty společně a na dobu, než jedna fáze přejde úplně v druhou, se například nemění teplota. Budované zařízení NICA je určeno právě ke studiu jaderné hmoty s vysokou baryonovou hustotou a nižší teplotou. Umožní přesněji porozumět dějům v nitru supernovy a vzniku neutronových hvězd.

Stavba urychlovačového komplex u NICA, který je ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů budován úsilím jeho 18 členských a 6 přidružených států.Snímek Archiv SÚJV

Urychlovačový komplex NICA

Pro studium chladnější, ale velmi stlačené jaderné hmoty se tak ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) v Dubně začal roku 2000 připravovat komplex urychlovačů NICA (Nuclotron-based Ion Collider FAcility). Ten je založen na existujícím supravodivém urychlovači Nuklotron, který je základním zařízením Laboratoře vysokých energií tohoto ústavu a umožňuje urychlovat protony i těžší ionty až na kinetické energie 6 GeV/nukleon. To znamená, že každý nukleon má kinetickou energii sedmkrát větší, než je jeho klidová energie, která je o něco málo menší než 1 GeV. U protonů lze dosáhnout kinetické energie až 12 GeV. Tento urychlovač byl uveden do provozu v roce 1993 a jeho velkou výhodou je, že dokáže urychlovat i polarizované ionty.

Nově vybudovaný lineární urychlovač a předurychlovač umožní do vylepšeného Nuklotronu poslat velmi intenzivní a kvalitní svazek jak lehkých, tak i těžkých iontů až po zlato. Zajímavostí je, že předurychlovač se buduje v místě, kde byl původně dubněnský synchrofázotron dokončený v roce 1957. Svého času to byl největší urychlovač na světě. Šlo o zařízení se slabou fokusací a průměrem svazku v řádu několika centimetrů. Proto musela mít roura tohoto urychlovače, kde se pohyboval svazek a bylo potřeba docílit vysokého vakua, značně velký průměr. Vybudování synchrofázotronu brzy po válce bylo zásadním krokem, a i to je důvod, proč se jeho část i při instalaci nového předurychlovače zakomponovala do celkového interiéru areálu.

Svazek z Nuklotronu bude možné vyvést do původní experimentální haly, kde se budou provádět experimenty s pevnými terči. Ty zde probíhají už dlouhá léta. Zlepšení kvality svazku i experimentálních zařízení je umožní posunout na kvalitativně vyšší úroveň. Druhou možností bude vyslání svazku z Nuklotronu do shromažďovacích prstenců, které umožní srážet dva proti sobě urychlené ionty vstřícných svazků. A právě toto zařízení, označované jako NICA srážeč, je klíčovou stavbou nové velké mezinárodní infrastruktury.

Každé z proti sobě letících jader bude mít v případě těžších iontů kinetickou energii v rozmezí 1 až 4,5 GeV/nukleon. To znamená, že hmotnost těchto jader tak může být až 5,5krát větší než jejich hmotnost klidová. Pokud se budou urychlovat protony, bude možné dosáhnout energie až 12,6 GeV. Protože se při srážce vstřícných svazků těžiště srážejících se částic vůči laboratoři nepohybuje, lze využít v principu veškerou energii ukrytou v pohybu urychlených iontů na ohřev a stlačení jaderné hmoty i na produkci nových částic.

Snímek ze stavby z konce června 2019.Snímek Vladimír Wagner

Celkové schéma urychlovačového komplexu NICA

Detektorové sestavy a jejich možnosti

Exotický stav hmoty nestačí jen připravit, ale hlavně je třeba prozkoumat jeho vlastnosti. K tomu budou sloužit dvě experimentální zařízení vybudovaná na opačných stranách srážeče. Půjde o experimenty MPD (MultiPurpose Detector) a SPD (Spin Physics Detector). Tyto detektory umožňují zachytit částice vyletující z místa srážky a určit jejich vlastnosti (náboj, typ částice, energii a hybnost). Důležité je také určení dráhy částic a místo jejich vzniku, hlavně v tom případě, kdy jde o sekundární částice vzniklé z rozpadu těch krátce žijících.

Sestava MPD je zaměřena právě na studium fázového diagramu stlačené hadronové hmoty. Sestava je velmi podobná experimentům ATLAS, CMS a ALICE na urychlovači LHC v laboratoři CERN. Místo srážky bude obklopovat několik vrstev detektorů. Úplně nejblíže bude systém vnitřních dráhových detektorů, založených na několika vrstvách křemíkových dráhových detektorů, které umožní třírozměrné zobrazení drah a rozpadů krátce žijících částic. Dále bude velký dráhový detektor (časově- -projekční komora), který bude umístěn v magnetickém poli, a spolu s detektory měřícími dobu letu částice umožní nabité částice identifikovat a určit jejich hybnost a energii. Elektromagnetický kalorimetr pak umožní detekovat vysokoenergetické fotony a určit jejich energii. Ve směru letu srážejících se svazků je umístěna sestava detektorů, které umožňují sledovat svazky, charakterizovat srážku a detekovat částice vyletující pod malým úhlem.

Sestava SPD je primárně zaměřena na srážky podélně či příčně polarizovaných protonů nebo deuteronů. Umožní studovat podstatu vnitřního momentu hybnosti (spinu) hadronů, což je zatím ještě málo poznaná oblast částicové fyziky.

Nový experiment BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) bude v hale, kam se bude svazek z Nuklotronu vyvádět na pevné terče. Zde bude možné opět studovat stlačenou hadronovou hmotu, strukturu a vlastnosti samotných hadronů i vlastnosti silné interakce.

Zařízení NICA dokáže připravit jadernou hmotu, která bude mít sice nižší teplotu, ale mnohem větší čistou baryonovou hustotu než hmota připravená na urychlovači LHC v CERN nebo na urychlovači RHIC v americkém Brookhavenu. Zkoumá úplně jiné oblasti fázového diagramu. Vzájemně se budou velice dobře doplňovat s novým zařízením FAIR, které se buduje v německé laboratoři GSI Darmstadt. Na rozdíl od zařízení NICA nebude FAIR využívat vstřícné svazky, ale urychlené ionty bude pouze posílat na pevný terč.

Při budování mezinárodního centra FAIR v Darmstadtu a NICA v Dubně se řeší velmi podobné problémy a oba projekty úzce spolupracují. Například velká část potřebných supravodivých magnetů pro projekt FAIR se vyrábí ve spolupráci s SÚJV Dubna. Společně se pracuje i na některých detektorech, elektronických systémech a metodách sběru dat. Řada prototypů detektorů pro FAIR i potřebné elektroniky se plánuje testovat s využitím Nuklotronu. Spolupráce se předpokládá i při zpracování a interpretaci dat získaných na obou zařízeních.

Nejen fundamentální výzkum hadronové hmoty

Kromě základního studia fundamentálních termodynamických vlastností hadronové hmoty se bude intenzivně studovat to, jakým způsobem u hadronů vzniká spin. Velice intenzivní svazky iontů s velmi velkým rozsahem energií a možnost pracovat jak v režimu pevného terče, tak srážek vstřícných svazků se uplatní v řadě dalších oblastí základního i aplikovaného výzkumu. Například v materiálovém výzkumu, rozvoji nano- a pikotechnologií i v biologickém výzkumu. Budou se zde zkoumat možnosti hadronové terapie nádorů s využitím iontů. V této oblasti už má SÚJV Dubna dlouhou tradici. Velmi důležité je i zkoumání vlivu kosmického záření vysokých energií na biologické objekty i elektroniku, takže se předpokládá intenzivní spolupráce s ruskou Federální kosmickou agenturou Roskosmos.

Vysoce intenzivní svazky vysoce ionizovaných iontů umožní také studovat vlastnosti velmi husté plazmy a kvantové elektrodynamiky ve velice intenzivních elektrických polích. Svazky protonů a neutronů mohou tříštivými reakcemi produkovat intenzivní neutronová pole. Ta lze využít k transmutaci jaderného odpadu. Připravují se tak cesty k budoucím systémům urychlovačem řízených transmutorů, které by umožnily vyhořelé palivo z klasických jaderných reaktorů spálit a dramaticky snížit konečný objem jaderného odpadu.

Velmi důležité jsou také metodologické práce v oblasti technologií, které se při budování urychlovacího komplexu a experimentů využívají. Už bylo zmíněno, že velký pokrok se čeká ve vývoji supravodivých magnetů. Stejně tak bude nutné využít metody distribuovaných výpočtů pro zvládnutí obrovského toku dat a systému GRID.

Projekt NICA se stal klíčovým směrem rozvoje SÚJV Dubna, který byl předložen v roce 2005. Postupně se podařilo zapojit do práce na tomto projektu okolo stovky institucí z téměř třiceti zemí a začít budovat tuto mezinárodní infrastrukturu. Velmi intenzivní je už zmíněná spolupráce s projektem FAIR, ale také s laboratoří CERN. Projekt NICA byl zařazen mezi megaprojekty Ruské federace. Jeho výhodou je, že podobně jako projekty v laboratořích CERN a GSI využívá a rozšiřuje stávající infrastruktury. I tak jsou však cíle a časový rozvrh budování silně závislé na dostupných finančních zdrojích. Zvláště v době, kdy není ekonomická situace Ruska i některých dalších států zapojených do projektu příliš růžová, je termín dobudování jednotlivých částí projektu hodně nejistý. Hlavní část nebude rozhodně dokončena v původně plánovaném roce 2020.