Самарские ученые смоделируют международный эксперимент на первом российском адронном коллайдере

Ученые Самарского университета им. Королёва  (43-47 место среди российских вузов в рейтинге «Три миссии университета»/2022 и 44 место в RAEX-100/2022) рассчитают и смоделируют международный эксперимент на первом российском адронном коллайдере NICA, который создается на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном наукограде Дубна, сообщает пресс-служба вуза.

Согласно подписанным документам, университет вошел в состав международной коллаборации по проведению эксперимента по столкновению поляризованных протонов и дейтронов на установке SPD (Spin Physics Detector) — одной из трех основных научных установок отечественного коллайдера. В состав коллаборации, наряду с ведущими научными учреждениями страны, вошли шесть российских университетов, а также исследовательские лаборатории и университеты из Беларуси, Китая, Египта, Сербии, Чили, Армении и ЮАР. 

«Самарский университет им. Королёва заключил с Объединенным институтом ядерных исследований меморандум о вхождении в международную коллаборацию SPD NICA. Это означает участие нашего университета в большом эксперименте на одной из трех ключевых научных установок коллайдера — SPD, она предназначена для изучения спиновых характеристик частиц. Эксперимент будет решать задачи по изучению структуры протонов и природы их собственного момента импульса — спина. В коллайдере будут сталкиваться пучки поляризованных протонов и дейтронов, а наши ученые будут проводить расчеты различных характеристик жестких процессов рождения частиц и моделировать варианты развития этого эксперимента, при этом будут задействованы мощности университетского суперкомпьютера "Сергей Королёв". Подготовка к эксперименту уже началась», — рассказал заведующий кафедрой общей и теоретической физики Самарского университета им. Королёва Владимир Салеев.

Как подчеркнул ученый, эксперименты, планируемые к проведению на российском коллайдере, уникальны — например, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) их не провести, там используются совершенно другие, гораздо более высокие энергии частиц и решаются иные научные задачи. NICA позволит проводить эксперименты, которые невозможны ни в ЦЕРНе, ни на других существующих ускорителях в Германии или США. Российский адронный коллайдер тем самым закроет существующий сейчас пробел в экспериментальной физике высоких энергий с поляризованными пучками.

В частности, физики до сих пор не знают, из чего складывается спин протонов — частиц, которые вместе с нейтронами составляют ядро атома вещества. Разгадыванию именно этой тайны и посвящен, в большей части, эксперимент, в котором примут участие самарские ученые. Раньше считалось, что протон состоит из трех кварков, и спин протона определяется суммой их спинов. Однако в ходе экспериментов было установлено, что это справедливо только для протона, который исследуют в процессах столкновений при низких энергиях, то есть, если можно так сказать, это справедливо для протона, находящегося в покое или движущегося с малой скоростью. 

Стоит только разогнать протон до определенной скорости и эксперименты показывают, что он устроен гораздо сложнее. Это как если бы в автомобиле с увеличением скорости движения резко увеличилось бы число пассажиров — вдруг появились бы новые персонажи, в том числе состоящие из антиматерии, которые в создавшейся давке общались бы на высоких тонах, ругались и даже аннигилировали бы друг друга. В рамках эксперимента этот протон-«автомобиль» на почти околосветовой скорости врезается внутри коллайдера в другую такую же «машину», и ученым с помощью специальных детекторов остается лишь ловить и идентифицировать разлетающиеся обломки и «пассажиров», пытаясь понять, что происходило в «салоне» во время поездки.

По словам Владимира Салеева, начало эксперимента SPD на коллайдере предварительно намечено на 2025 год — установка еще строится, и сам коллайдер еще не полностью введен в эксплуатацию, однако подготовка к проведению экспериментальных исследований уже идет. В университете создана рабочая группа, в нее вошли трое сотрудников кафедры общей и теоретической физики во главе с Владимиром Салеевым, а также студенты и аспиранты. Участие в этом проекте включено в «Стратегию развития Самарского университета им. Королёва до 2030 года». 

«Наш университет должен обеспечить теоретическую поддержку эксперимента, провести большой объем расчетов, предсказывающих, какие частицы с какими энергиями и углами вылета будут рождаться, то есть, провести моделирование процессов, которые будут изучаться в рамках физической программы исследований коллаборации SPD NICA. Такая работа уже ведется. Планируемая высокая частота столкновений частиц и большое число детекторных каналов установки SPD представляют собой серьезный вызов для вычислительной системы и программного обеспечения», — отметил ученый.

Достигнуто соглашение о прямом объединении вычислительных мощностей университета и вычислительного кластера ОИЯИ в рамках грид-среды эксперимента SPD. Для расчетов и моделирования процессов планируется использовать так называемые Монте-Карло генераторы событий. Метод Монте-Карло — это один из способов математического моделирования с использованием генератора случайных чисел. Метод назван в честь известного казино в Монако. 

В ближайших планах рабочей группы — создание в университете совместной с ОИЯИ молодежной лаборатории по реализации данного проекта. В работе лаборатории смогут принять участие студенты и аспиранты университета.

ФОТО: Zoltan Tasi // unsplash.com