Современные экспериментальные установки в ядерной физике
Современная ядерная физика вышла за рамки изучения стабильных ядер. Сегодня акцент сместился на исследование экстремальных состояний вещества: ядер с экстремальными значениями избыточности протонов или нейтронов, сверхтяжёлых элементов, ядер с аномальными структурами (гало-ядра, борромеевские системы), а также состояний вещества при высоких температурах и плотностях, характерных, например, для ранней Вселенной или внутренностей нейтронных звёзд.
Эти задачи требуют экспериментальных установок принципиально нового уровня. Ключевые требования — высокая интенсивность и чистота пучков, возможность получения радионуклидов с короткими временами жизни, расширенный диапазон энергий, высокая разрешающая способность детекторов, быстрая и точная идентификация продуктов реакции.
Установка RIBF позволяет получать интенсивные пучки радиоактивных изотопов методом фрагментации тяжёлых ионов с последующей сепарацией ионов интересующего изотопа. Основной ускоряющий комплекс включает циклотрон Superconducting Ring Cyclotron (SRC), способный ускорять ионы до энергий порядка 345 МэВ/нуклон.
Благодаря сверхпроводящим магнитам и инновационной схеме сепарации (BigRIPS), достигается высокая чистота и интенсивность пучков даже для экзотических ядер. Эксперименты на установке RIBF позволили открыть множество новых изотопов, в том числе за пределами так называемой “капли стабильности”.
FRIB (в Университете штата Мичиган) является одной из самых современных установок, предназначенных для получения и изучения редких изотопов. На ней реализована линейная схема ускорения ионов (линейный ускоритель длиной около 400 метров), позволяющая получать пучки со стабильной интенсивностью и высокой энергетической точностью.
FRIB играет ключевую роль в изучении структуры нейтронно-обогащённых ядер, процессов r-захвата (n,γ) в нуклеосинтезе и верификации современных ядерных моделей.
Комплекс FAIR строится на базе центра GSI (Дармштадт). Он будет включать в себя мощный ускорительный комплекс SIS100/SIS300 и экспериментальные станции, включая Super-FRS (Fragment Separator) и установку NUSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions).
FAIR нацелен на исследования в самых разных областях — от структуры ядер до кварк-глюонной плазмы. Особое внимание уделяется симуляции астрофизических процессов, в том числе взрывов сверхновых, а также изучению свойств антиматерии.
Национальный центр лазерного синтеза в Ливерморе (NIF) — крупнейшая в мире установка для создания экстремальных температур и плотностей, необходимых для термоядерного синтеза методом инерциального сжатия. Установка использует 192 высокоэнергетических лазера, направленных на мишень с дейтерием и тритием, вызывая её симметричное сжатие.
Результаты экспериментов на NIF важны не только для проблем управляемого термоядерного синтеза, но и для верификации уравнений состояния вещества при экстремальных параметрах, моделирования ядерных взрывов и процессов в звёздных недрах.
Z-машина, расположенная в Лос-Аламосе, генерирует кратковременные мощнейшие импульсы электрического тока (десятки мегампер), создающие мощные магнитные поля и плазму с экстремальными характеристиками. Она используется для моделирования астрофизических процессов и измерения EOS (уравнений состояния) при мегабарных давлениях.
Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначен для изучения свойств вещества при ультравысоких энергиях, в частности кварк-глюонной плазмы, образующейся в столкновениях тяжёлых ядер (Pb+Pb) при энергиях до нескольких ТэВ на нуклон. ALICE оснащена детекторами с высокоточной трековой реконструкцией, системами идентификации частиц и калориметрами.
Данные, полученные в ALICE, позволяют исследовать такие явления, как подавление струй (jet quenching), коллективные потоки (flow), а также оценивать степень термализации и вязкость создаваемой материи.
RHIC — первая в мире установка, на которой была экспериментально получена кварк-глюонная плазма. Коллайдер обеспечивает столкновения ионов золота при энергиях до 200 ГэВ/нуклон. Используются разнообразные детекторные системы (STAR, PHENIX и др.), ориентированные на измерения потоков, спектров частиц, флуктуаций и корреляций.
Современные установки оснащаются детекторами, объединяющими высокую разрешающую способность, модульность и радиационную стойкость:
Новейшие экспериментальные установки в ядерной физике используют сложные схемы сбора, фильтрации и обработки данных. На передний план выходит применение методов машинного обучения для:
Использование FPGA-архитектур и многопоточных вычислений позволяет осуществлять обработку сигналов в реальном времени с минимальной задержкой, обеспечивая быстрый отклик системы и адаптацию к условиям эксперимента.
Создание новых экспериментальных установок требует колоссальных финансовых и интеллектуальных ресурсов, поэтому большинство проектов осуществляется в рамках международного сотрудничества. Примеры таких коллабораций:
Такие установки задают новый уровень для всей ядерной физики XXI века, открывая возможности для исследований, ранее считавшихся недостижимыми.