Ускоритель «Нуклотрон» позволит установить причину асимметрии Вселенной и найти темную материю

Модернизация ускорителя позволит обнаружить электрический дипольный момент, что поможет понять, почему после Большого взрыва материя стала преобладать над антиматерией. Одновременно установка расширит возможности поиска аксионов — частиц, претендующих на роль темной материи. «Нуклотрон» — базовый объект Объединенного института ядерных исследований. Он представляет собой сверхпроводящий ускоритель с кольцом длиной 251 метр в окружности, предназначенный для экспериментов с ускоренными тяжелыми ионами и ядрами атомов.

Как пояснили ученые, измерение электрического дипольного момента требует когерентного поляризованного пучка, в котором сохраняется поляризация и все спины прецессируют с одинаковой частотой. Для этого в мире предлагают создавать сложные специализированные и дорогие конструкции. Предложенное же решение предполагает разделение магнитных и электрических полей в разных частях ускорителя. Это позволяет установить необходимое оборудование в туннеле «Нуклотрона» и обойтись без строительства новых установок. Статья с описанием вариантов модернизации ускорителя опубликована в Physics of Atomic Nuclei — англоязычной версии журнала «Ядерная физика». Издание считается ведущим в России в своей области.

Преобразования позволят «Нуклотрону» выполнять сразу две задачи: быть эффективным ускорителем-инжектором (бустером) для коллайдера NICA — новой мегаустановки, введенной в эксплуатацию в 2025 году, и одновременно остаться самостоятельной экспериментальной установкой для поиска новой физики.

«Для решения этих задач предлагается модернизация магнитооптической структуры „Нуклотрона”. Наряду с основными функциями бустера коллайдера NICA она позволит контролировать и поддерживать поляризацию, а также проводить эксперименты по поиску электрического дипольного момента легких ядер — дейтрона и протона»,— пояснил Сергей Колокольчиков, один из авторов проекта, младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей МФТИ и аспирант Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН.

По его словам, в предложенной модернизации кольцо «Нуклотрона» будет работать на пониженной энергии — порядка 6–8 ГэВ. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает условия для фундаментальных экспериментов по поиску электрического дипольного момента при низкой энергии — 270 МэВ, а с другой — сохранит функцию установки как ускорителя поляризованных пучков для коллайдера NICA.

«Ключевым условием при модернизации являлось создание достаточного места для размещения прямых фильтров Вина,— сообщил Сергей Колокольчиков.— Это достигается путем уменьшения общей длины поворотных магнитов на „Нуклотроне”, за счет увеличения поля до 1,8 Тл в поворотных магнитах».

Благодаря размещению фильтров Вина (устройств, в которых электрическое и магнитное поля скрещиваются под прямым углом) на «Нуклотроне» становится возможной реализация концепции квазизамороженного спина, для измерения электрического дипольного момента, а также привлекательным поиск аксионов — гипотетических частиц, которые могут составлять темную материю. Фильтры Вина позволяют управлять спином (направлением вращения) частиц, не изменяя энергию пучка, отмечают авторы. Они компенсируют отклонение спина, возникающее из-за прецессии, обусловленной магнитным дипольным моментом в поворотных магнитах, что позволяет выделить ЭДМ-сигнал.

Если аксионы существуют, то они создают вокруг себя слабое псевдомагнитное поле. Проходя через ускоритель, эти поля заставляют колебаться спины частиц. Анализируя такие осцилляции, можно обнаружить аксионы. Таким образом модернизированный «Нуклотрон» с фильтрами Вина сможет выступить в роли широкополосной антенны для регистрации проявлений темной материи.