© Foto: JINR
La Russia sta rapidamente terminando la costruzione del proprio Large Ion Collider che potrebbe competere con il famoso Large Handron Collider del CERN. Sputnik ha parlato con i creatori del progetto per scoprire in cosa consiste la più grande struttura mega-scientifica in Russia e le sfide che deve affrontare.
NICA è il nome che gli scienziati del Joint Institute for Nuclear Research (JINR) hanno dato al collisore di ioni basato su nucleotroni. Allo stesso tempo, alcuni li chiamano il fratello minore del Large Hadron Collider —LHC, per il suo acronimo in inglese—: non perché sia meno importante, ma perché è più recente.
Portare avanti la tradizione
A metà degli anni Cinquanta, quasi contemporaneamente, apparvero nel mondo due grandi centri scientifici per lo studio delle proprietà fondamentali della materia: il CERN in Svizzera e il JINR in URSS. I fondatori di quest'ultimo erano 13 stati, per lo più rappresentanti del campo socialista.
Oggi l'istituto congiunto unisce 19 paesi membri ed è l'unica organizzazione scientifica internazionale intergovernativa della Russia registrata dall'ONU. Inoltre, l'istituzione di un'elevata complessità rappresenta circa la metà dei risultati nel campo della fisica nucleare realizzati sul territorio dell'ex Unione Sovietica negli ultimi 70 anni.
In questo luogo sono stati scoperti 10 nuovi elementi della tavola periodica di Mendeleev , tra cui muscovium (numero atomico 115), dubnium (105), oganeson (118) e flerovium (114). I loro nomi si riferiscono rispettivamente alla regione di Mosca e alla città di Dubna, agli scienziati russi Yuri Oganesyan e Georgy Flerov, che fu uno dei fondatori dell'istituto e suo direttore.
Nel 1957, l' acceleratore di particelle più potente al mondo dell'epoca, il sincrofasotrone, in grado di accelerare i protoni a un'energia record di 10 GeV (10 miliardi di elettronvolt), fu lanciato a Dubna .
Il collisore superconduttore per protoni e ioni pesanti NICA è l' erede diretto della suddetta struttura unica. Da parte sua, il sincrofasotrone è stato fermato nel 2002 e il suo enorme conduttore magnetico, o, come dicono gli scienziati, il calcio del magnete, è stato utilizzato per costruire uno dei gradini del nuovo complesso.
Edificio in cui si trovava il primo sincrofasotrone di JINR
© Foto : ANO "Natsional'nyye Priority"
Meglio dell'LHC
Basato su concetti teorici moderni, il nostro universo è nato circa 14 miliardi di anni fa durante il Big Bang. Nel primo microsecondo dopo questo evento, sono sorte le particelle elementari quark. Quando il mezzo si è decompresso, questi si sono fusi in adroni: protoni e neutroni, da cui si sono formati i nuclei degli atomi .
All'interno degli adroni , i quark sono tenuti insieme da speciali particelle fortemente interagenti, i gluoni (parola che deriva dall'inglese glue, che in spagnolo significa colla). I fisici ritengono che prima della comparsa degli adroni, il mezzo fosse così denso che quark e gluoni non formassero alcuna struttura e che la materia esistesse sotto forma di plasma composto da quark e gluoni. La sua temperatura era di trilioni di gradi, ma insieme alla densità, questa diminuì gradualmente fino a quando cominciarono ad apparire stati legati di materia .
Tuttavia, gli scienziati non sanno ancora in quali condizioni si è verificata la fase di transizione di quark e gluoni alla forma nucleare dell'esistenza della materia. Questa è una delle domande principali della fisica moderna. Si suggerisce che se due fasci di ioni ad alta energia sono diretti l'uno verso l'altro, nel punto della loro collisione, si verificherà una fase mista, cioè uno stato di transizione tra plasma di quark con gluoni e sostanza adronica. In questo modo, sotto questa ipotesi si intende effettuare l'esperimento nel sistema NICA. Ricreando lo stato originale della materia, gli scienziati dovrebbero far luce su come sono nati tutti gli oggetti materiali nell'universo.
Al CERN, in particolare al Large Hadron Collider, si sta studiando anche il plasma di quark e gluoni. Questo è specificamente curato dal rivelatore ALICE, che analizza i risultati delle collisioni di ioni pesanti, ma non può catturare il momento della transizione di fase a causa dell'enorme potenza di accelerazione dell'LHC . Le particelle si scontrano con una tale energia che i prodotti della collisione vengono dispersi ai lati molto rapidamente.
Pertanto, l'enorme densità di sostanza richiesta per lo studio dei quark e dei gluoni del plasma non può essere raggiunta per un tempo sufficientemente apprezzabile. Esperimenti simili sono in corso presso il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti, che finora non sono stati in grado di mostrare un risultato chiaro.
Immagine di ALICE situata al CERN anno 2019
© Foto : CERN
Rispetto ai suoi fratelli maggiori , il collisore NICA è meno potente . Mentre nell'esperimento con ALICE gli ioni vengono accelerati a un'energia di 2,76 TeV, in quest'altro sistema, secondo il progetto, i nuclei pesanti dovrebbero essere accelerati a 4,5 GeV, nel caso dei protoni a 12,6 GeV.
Nonostante quanto sopra, è in grado di contenere la massima densità di plasma , con una quantità di circa 20.000 milioni di tonnellate per centimetro cubo. Questo è paragonabile alla densità delle stelle di neutroni . Pertanto, per ricreare in laboratorio le condizioni di uno stato speciale della materia in cui si trovava l'universo nei primi istanti dopo il Big Bang, l' acceleratore Dubna è ancora più adatto dell'LHC.
"I teorici hanno previsto molte fasi di transizione all'interno della sostanza elementare e queste saranno studiate nel nostro collisore. Il compito sarà determinare come cambiano le proprietà delle particelle secondarie che vengono prodotte a seconda dell'energia e della dimensione dei nuclei in collisione". , ha commentato Anatoly Sidorin, vice capo del Dipartimento di acceleratori presso il Laboratorio di fisica delle alte energie, JINR.
Come funziona NICA
Il complesso NICA è una cascata formata da due acceleratori lineari che fungono da sorgenti delle particelle (ioni pesanti e leggeri), i due acceleratori ciclici —un booster e un Nuclotron—, che accelerano gradualmente fino a raggiungere quasi la velocità della luce. Inoltre, il collisore ha due rilevatori che registrano gli incidenti.
"All'inizio, le particelle vengono portate nell'acceleratore lineare a una piccola energia, circa il 20% della velocità della luce", ha spiegato Sidorin. "Il raggio viene quindi accelerato nel motore da un campo elettrico ad alta frequenza. In circa tre secondi, il flusso guadagna energia corrispondente al 60% della velocità della luce. Il restante 40% è alimentato dal Nuclotron", ha aggiunto.
Il NICA Accelerator Booster Tunnel
© Sputnik / Vladislav Ctrekopytov
L'acceleratore lineare di ioni pesanti ei due stadi ciclici sono ora pronti . I lavori di ingegneria sono in fase di completamento sull'edificio del collisore. Entro la fine dell'anno sarà completato l'assemblaggio di tutti i magneti e saranno eseguiti i lavori di messa in servizio. In questo modo, le prime collisioni dovrebbero iniziare ad avvenire dall'inizio del 2024. Anche l'unità analitica principale del complesso, il rivelatore multiuso -MPD, per il suo acronimo in russo-, è in un alto grado di preparazione.
NICA Collider Multipurpose Detector (MPD)
© Foto : ANO "Natsional'nyye Priority"
Questo strumento "misurerà tutti i parametri di base necessari per comprendere i processi che avvengono (...) il rivelatore SPD, o rivelatore di fisica dello spin, sarà lanciato più tardi, nei primi anni 2030. Il suo compito sarà studiare le collisioni di protoni, deuteroni e neutroni polarizzati e le loro strutture di spin", ha affermato Sergei Merts, capo scienziato del Laboratorio di fisica ad alta energia del JINR.
Guarda con i tuoi occhi
Oltre ai progetti fondamentali in corso presso il complesso NICA, sono già in corso di realizzazione molti altri esperimenti pratici. Ora, ad esempio, vi vengono testati microcircuiti destinati al funzionamento nello spazio. I raggi cosmici contengono ioni pesanti ed è necessario capire come reagirà l'elettronica degli strumenti ad essi. Vengono inoltre studiati gli effetti delle radiazioni sul corpo umano e sugli oggetti biologici .
Tra le interruzioni che si verificano nei cicli di collisioni nella girante, è prevista la ricerca nel campo delle scienze della vita , della scienza dei materiali e dell'energia nucleare .
"Negli ultimi otto anni, molta tecnologia e sviluppo necessari per NICA sono entrati nell'industria e nelle imprese commerciali e stanno già migliorando la qualità della nostra vita, ad esempio nei sistemi di sicurezza e nei trasporti. Le telecamere di riconoscimento facciale arrivano dalla fisica delle particelle, dai nostri rivelatori", ha detto il direttore del JINR Grigory Trubnikov, accademico dell'Accademia delle scienze russa, in un incontro con i giornalisti.
Parte del tunnel del collisore NICA
© Foto : ANO "Natsional'nyye Priority"
Il complesso NICA ha anche una funzione educativa. Di norma, è molto difficile per una persona comune raggiungere oggetti così chiusi, ma ora c'è una tale opportunità. Una delle direzioni dell'amministrazione del Decennio della scienza e della tecnologia in Russia (dal 2022 al 2031) è stata l'iniziativa del Turismo scientifico popolare .
Nel febbraio 2023 ha avuto luogo il primo tour a Dubna . Gli scolari dell'8° e 10° anno di Mosca, accompagnati dai loro insegnanti, sono venuti alla Città della Scienza per conoscere il JINR e le sue strutture e ricerche scientifiche . E anche, per saperne di più sulla fisica nucleare. Tali escursioni sono programmate per svolgersi regolarmente.
Infine, si può notare che la costruzione del collisore NICA è in fase di attuazione nell'ambito del progetto National Science and Universities
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