Модернизация «Нуклотрона» для поиска темной материи и разгадки космической асимметрии

Российские исследователи из Московского физико-технического института, НИЯУ МИФИ, Института ядерных исследований РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Объединенного института ядерных исследований представили экспериментальную программу, основанную на модернизации ускорителя «Нуклотрон». Этот сверхпроводящий ускоритель с кольцом длиной 251 метр, расположенный в ОИЯИ, изначально предназначен для экспериментов с тяжелыми ионами и атомными ядрами. Предлагаемые преобразования направлены на решение двух масштабных научных задач, не требуя строительства новых дорогостоящих установок.

Двойная функция модернизированной установки

После модернизации «Нуклотрон» сможет выполнять роль эффективного ускорителя-инжектора (бустера) для коллайдера NICA — новой мегаустановки, введенной в эксплуатацию в 2025 году. Одновременно он сохранит статус самостоятельной экспериментальной установки для поиска «новой физики». Ключевым аспектом преобразований является модернизация магнитооптической структуры, которая позволит контролировать и поддерживать поляризацию частиц, а также проводить эксперименты по поиску электрического дипольного момента легких ядер — дейтрона и протона.

Как пояснил Сергей Колокольчиков, младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей МФТИ и аспирант ИЯИ РАН, в предложенной конфигурации кольцо «Нуклотрона» будет работать на пониженной энергии порядка 6–8 ГэВ. Такой подход обеспечивает условия для фундаментальных экспериментов по поиску электрического дипольного момента при низкой энергии 270 МэВ, сохраняя при этом функцию установки как ускорителя поляризованных пучков для коллайдера NICA.

Технические решения для фундаментальных исследований

Для измерения электрического дипольного момента требуется создание когерентного поляризованного пучка, в котором сохраняется поляризация и все спины прецессируют с одинаковой частотой. Вместо строительства сложных специализированных конструкций, ученые предложили разделение магнитных и электрических полей в разных частях ускорителя. Это позволяет установить необходимое оборудование в существующем туннеле «Нуклотрона».

Ключевым условием модернизации стало создание достаточного пространства для размещения прямых фильтров Вина — устройств, в которых электрическое и магнитное поля скрещиваются под прямым углом. Это достигается путем уменьшения общей длины поворотных магнитов за счет увеличения поля в них до 1,8 Тл. Фильтры Вина позволяют управлять спином частиц, не изменяя энергию пучка, компенсируя отклонение спина от прецессии в поворотных магнитах.

Размещение фильтров Вина делает возможной реализацию концепции квазизамороженного спина для измерения электрического дипольного момента. Этот параметр представляет собой гипотетическую характеристику элементарных частиц, отражающую неоднородность распределения положительных и отрицательных зарядов внутри них. Обнаружение ЭДМ поможет понять, почему после Большого взрыва материя стала преобладать над антиматерией, что является одной из фундаментальных загадок современной физики.

Одновременно модернизированный «Нуклотрон» расширит возможности поиска аксионов — гипотетических частиц, которые могут составлять темную материю. Если аксионы существуют, они создают вокруг себя слабое псевдомагнитное поле. Проходя через ускоритель, эти поля вызывают колебания спинов частиц, и анализ таких осцилляций может привести к обнаружению аксионов. Таким образом, установка с фильтрами Вина сможет выступать в роли широкополосной антенны для регистрации проявлений темной материи.

Статья с описанием вариантов модернизации ускорителя опубликована в Physics of Atomic Nuclei — англоязычной версии журнала «Ядерная физика», который считается ведущим в России в своей области. Предложенный подход демонстрирует, как существующие научные установки могут быть адаптированы для решения новых фундаментальных задач без необходимости масштабных капитальных вложений в инфраструктуру.