Ученые Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королёва рассчитают и смоделируют международный эксперимент на первом российском адронном коллайдере NICA, создаваемом на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном наукограде Дубна. Согласно подписанным документам, университет вошел в состав международной коллаборации по проведению эксперимента по столкновению поляризованных протонов и дейтронов на установке SPD (Spin Physics Detector), одной из трех основных научных установок отечественного коллайдера. В составе коллаборации, наряду с ведущими научными учреждениями страны, шесть российских университетов, в том числе Самарский университет им. Королёва, а также исследовательские лаборатории и университеты из Беларуси, Китая, Египта, Сербии, Чили, Армении и ЮАР.
- Самарский университет им. Королёва заключил с Объединенным институтом ядерных исследований меморандум о вхождении в международную коллаборацию SPD NICA, это означает участие нашего университета в большом эксперименте на одной из трех ключевых научных установок коллайдера - SPD, она предназначена для изучения спиновых характеристик частиц. Эксперимент будет решать задачи по изучению структуры протонов и природы их собственного момента импульса - спина. В коллайдере будут сталкиваться пучки поляризованных протонов и дейтронов, а наши ученые будут проводить расчеты различных характеристик жестких процессов рождения частиц и моделировать варианты развития этого эксперимента, при этом будут задействованы мощности университетского суперкомпьютера "Сергей Королёв". Подготовка к эксперименту уже началась, - рассказал заведующий кафедрой общей и теоретической физики Самарского университета им. Королёва Владимир Салеев.
Как подчеркнул ученый, эксперименты, планируемые к проведению на российском коллайдере, уникальны - например, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе их не провести, там используются совершенно другие, гораздо более высокие энергии частиц, и решаются иные научные задачи. NICA позволит проводить эксперименты, которые невозможны ни в ЦЕРНе, ни на других существующих ускорителях в Германии или США, российский адронный коллайдер тем самым закроет существующий сейчас пробел в экспериментальной физике высоких энергий с поляризованными пучками.
Например, физики до сих пор не знают, из чего складывается спин протонов - частиц, которые вместе с нейтронами составляют ядро атома вещества. Разгадыванию именно этой тайны и посвящен, в большей части, эксперимент, в котором примут участие самарские ученые. Раньше считалось, что протон состоит из трех кварков и спин протона определяется суммой их спинов. Однако в ходе экспериментов было установлено, что это справедливо только для протона, который исследуют в процессах столкновений при низких энергиях, то есть, если можно так сказать, это справедливо для протона, находящегося в покое или движущегося с малой скоростью.
Стоит только разогнать протон до определенной скорости и эксперименты показывают, что он устроен гораздо сложнее. Это как если бы в автомобиле с увеличением скорости движения резко увеличилось бы число пассажиров - вдруг появились бы новые персонажи, в том числе состоящие из антиматерии, которые в создавшейся давке общались бы на высоких тонах, ругались и даже аннигилировали бы друг друга. В рамках эксперимента этот протон-"автомобиль" на почти околосветовой скорости врезается внутри коллайдера в другую такую же "машину", и ученым с помощью специальных детекторов остается лишь ловить и идентифицировать разлетающиеся обломки и "пассажиров", пытаясь понять, что происходило в "салоне" во время поездки.
По словам Владимира Салеева, начало эксперимента SPD на коллайдере предварительно намечено на 2025 год - установка еще строится, да и сам коллайдер еще не полностью введен в эксплуатацию, однако подготовка к проведению экспериментальных исследований уже идет. В университете создана рабочая группа, в нее вошли трое сотрудников кафедры общей и теоретической физики во главе с Владимиром Салеевым, а также студенты и аспиранты. Участие в этом проекте включено в "Стратегию развития Самарского университета им. Королёва до 2030 года".
- Наш университет должен обеспечить теоретическую поддержку эксперимента, провести большой объем расчетов, предсказывающих, какие частицы с какими энергиями и углами вылета будут рождаться, то есть провести моделирование процессов, которые будут изучаться в рамках физической программы исследований коллаборации SPD NICA. Такая работа уже ведется. Планируемая высокая частота столкновений частиц и большое число детекторных каналов установки SPD представляют собой серьезный вызов для вычислительной системы и программного обеспечения, - отметил ученый.
Достигнуто соглашение о прямом объединении вычислительных мощностей университета и вычислительного кластера ОИЯИ в рамках грид-среды эксперимента SPD. Для расчетов и моделирования процессов планируется использовать так называемые Монте-Карло генераторы событий. Метод Монте-Карло - это один из способов математического моделирования с использованием генератора случайных чисел. Метод назван в честь известного казино в Монако.
В ближайших планах рабочей группы - создание в университете совместной с ОИЯИ молодежной лаборатории по реализации данного проекта. В работе лаборатории смогут принять участие студенты и аспиранты университета.
Справочно
NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) – это ускорительный комплекс (коллайдер), который создаётся на базе Объединённого института ядерных исследований (г. Дубна, Московская область) с целью изучения свойств плотной барионной материи и спиновых свойств протонов и дейтронов. После того как коллайдер NICA будет запущен, ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва - кварк-глюонную плазму, или так называемый "кварковый суп".
Строительство коллайдера было начато в 2013 году. В 2019 году получены первые физические результаты успешно реализованного первого значимого этапа проекта - эксперимента на установке BM@N. В коллайдере также предусмотрены установки MPD для изучения столкновения тяжёлых ионов и SPD для изучения спиновой структуры протонов и дейтронов.
Суперкомпьютер "Сергей Королев" создан в рамках программы развития Самарского университета им. Королёва при поддержке правительства Самарской области. Система суперкомпьютера обеспечивает пиковую производительность 40 триллионов операций с плавающей запятой в секунду (40 ТФлопс).
Спин является одним из квантовых свойств элементарных частиц, открытых 100 лет тому назад на заре развития квантовой физики. Принципиальным отличием спина от обычного классического момента импульса является его дискретность. Опыт показывает, что в природе существуют только такие элементарные частицы, у которых проекция спина на выделенную ось оказывается кратной целому (бозоны) или полуцелому (фермионы) значению постоянной Планка ħ. Квантовые свойства спина определяют свойства атомных спектров, структуру атомных ядер, параметры кристаллической решетки и являются принципиальными при объяснении таких свойств вещества, как сверхпроводимость и сверхтекучесть при низких температурах.
