Коллайдер NICA: как российский проект поможет решить кризис спина протона

Протон — одна из основных частиц, из которых состоит вещество. Но, несмотря на десятилетия исследований, его спин остаётся загадкой. Спин — это внутренняя квантовая характеристика, не связанная с вращением, но определяющая магнитные свойства вещества и лежащая в основе таких технологий, как МРТ и квантовые компьютеры. Ожидалось, что спин протона складывается из спинов трёх кварков, однако эксперименты показали: их вклад составляет лишь 30%. Остальные 70% приходятся на глюоны и движение кварк-глюонной материи внутри частицы. Разобраться в этом — одна из главных целей коллайдера NICA.

Чем NICA отличается от Большого адронного коллайдера?

Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе — это машина открытий, рассчитанная на максимальные энергии. Она позволяет рождать новые частицы и проверять теории за пределами Стандартной модели. Однако высокая энергия не всегда преимущество. Например, для изучения фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную плазму или спиновых эффектов в сильном взаимодействии слишком большая энергия, наоборот, — помеха. Коллайдер NICA спроектирован как раз для таких задач: он работает при энергиях, оптимальных для исследования сильного взаимодействия и поведения ядерной материи в экстремальных условиях.

Коллайдеры ценятся за то, что при столкновении встречных пучков энергия, доступная для рождения новых частиц, значительно выше, чем при ударе пучка о неподвижную мишень. Для БАК этот выигрыш составляет почти 130 раз. Но, в отличие от БАК, NICA не гонится за рекордными энергиями. Её миссия — детально изучить структуру протона и то, как из кварков и глюонов собираются адроны.

Кризис спина протона: суть и важность

Когда учёные впервые измерили вклад кварков в спин протона, результат оказался неожиданным: вместо 100% — всего 30%. Оставшиеся 70% связаны со спином глюонов и орбитальным движением кварков и глюонов внутри протона. «Мы пока не можем вывести массу, размер и магнитный момент протона из первых принципов теории сильного взаимодействия, — поясняет Гуськов. — NICA даст возможность продвинуться в понимании этих фундаментальных свойств».

Помимо спиновой проблемы, на коллайдере планируют изучать поведение ядерной материи при столкновениях тяжёлых ионов. При высоких температурах и плотностях протоны и нейтроны «плавятся» в кварк-глюонную плазму — состояние, в котором материя существовала в первые мгновения после Большого взрыва. Высокие энергии БАК подходят для изучения свойств этой плазмы, но мешают наблюдать сам фазовый переход. NICA, с её умеренными энергиями, сможет заглянуть именно в эту область.

Таким образом, российский коллайдер не является «младшим братом» БАК — у него своя, не менее важная научная программа. Он поможет закрыть пробелы в нашем понимании сильного взаимодействия и, возможно, привести к новым открытиям в физике частиц, которые повлияют на развитие технологий — от томографии до квантовых вычислений.