Исследование сильно взаимодействующей материи в экстремальных условиях является одним из интенсивно развивающихся направлений современной ядерной физики. Недавние открытия слияния нейтронных звезд и сверхмассивных нейтронных звезд бросают вызов нашим знаниям об уравнении состояния сверхплотной ядерной материи. Эксперименты с релятивистскими столкновениями тяжелых ионов открывают возможность исследовать новые фазы материи, которые характеризуются высокой барионной плотностью. По результатам таких экспериментов можно судить о строении нейтронных звезд и о свойствах адронов в плотной материи. Строящийся в подмосковной Дубне в ОИЯИ коллайдер NICA нацелен на прояснения этих фундаментальных вопросов.
В экспериментах по столкновению тяжелых ионов на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРН изучается состояние ядерной материи, аналогичное тому, что существовало в ранней Вселенной, так называемая кварк-глюонная плазма (КГП), с равным числом частиц и античастиц. При анализе измеренных выходов частиц с помощью статистических моделей адронизации была определена температура вымораживания такой КГП - около T = 156 МэВ при практически нулевом химическом потенциале. Однако, за последнее десятилетие, наряду с изучением высокотемпературной КХД-материи, существенно возрос интерес к ядерным столкновениям при более низких энергиях. Это привело к созданию новых экспериментальных программ на существующих установках, а также к строительству ускорительных комплексов: NICA в ОИЯИ и SIS100/300 в GSI. Целью этих программ является изучение структуры фазовой диаграммы КХД при отличном от нуля барионном химическом потенциале μB. При умеренных энергиях столкновения барионное число переносится от сталкивающихся ядер в область центральных быстрот, создавая там среду с конечной результирующей барионной плотностью. Изучение выходов адронов при химическом вымораживании, а также транспортные модели показывают, что избыточная барионная плотность (или, что эквивалентно, барионный химический потенциал μB) увеличивается с уменьшением энергии пучка. При энергии около 30A ГэВ плотность достигает максимума, в десять раз превышая плотность ρ0 ядер в основном состоянии. Такая плотность ядерной материи, как показывают теоретические оценки, существует в ядрах нейтронных звезд. Соответствующая часть фазовой диаграммы ядерной материи в настоящее время не может быть рассмотрена теоретически с помощью расчетов на КХД решетке. Однако, эффективные модели, основанные на КХД, предсказывают ее богатую структуру, как показано на рис.1, а также существование фазового перехода первого порядка в состояние деконфаймента, который характеризуется наличием критической точки [NUPECC. Long range plan. http://www.nupecc.org/lrp2016/Documents/lrp2017.pdf ].
Помимо важности для понимания фундаментальных свойств КХД, изучение материи с высокой плотностью, также представляет большой интерес в контексте астрофизики. Недавнее открытие нейтронных звезд с массами около двух масс Солнца накладывает серьезные ограничения на Уравнение состояния (УС) ядерной материи, изменяя его до такой степени, что открывается возможность коллапса таких тяжелых нейтронных звезд в черные дыры. Столкновения тяжелых ионов при умеренных энергиях приводят к плотности барионов, подобной плотности в ядре нейтронных звезд (ρ/ρ0 > 5), хотя и при более высокой температуре. Таким образом, исследование ядро-ядерных взаимодействий позволит выделить особенности УС, которые имеют отношение к пониманию стабильности нейтронных звезд, дополняя прямое наблюдение радиусов нейтронных звезд с улучшенным разрешением.
Изучение свойств сверхплотной ядерной среды, включая поиск возможных сигналов деконфаймента и критической точки на фазовой диаграмме, является главной целью эксперимента MPD (Multi-Purpose Detector) на коллайдере NICA [https://nica.jinr.ru/projects/mpd.php]. Помимо эксперимента MPD, подобные задачи ставят перед собой другие коллаборации: CBM на ускорительном комплексе FAIR в Германии в GSI, STAR-BES на коллайдере RHIC в США и NA61-SHINE на синхротроне SPS в ЦЕРН. Однако следует отметить, что столкновения тяжелых ионов именно при энергиях коллайдера NICA идеально подходят для обеспечения высокой барионной плотности и достижения фазы деконфаймента ядерного вещества. Комплекс NICA заполняет пробел в энергетическом диапазоне существующих и будущих ускорителей.
Теоретические исследования и имеющаяся сегодня экспериментальная информация показывают, что при образовании КГП будет наблюдаться повышенный выход адронов содержащих странные и очарованные кварки (тяжелые ароматы). Частицы, содержащие тяжелые ароматы, будут возникать и при столкновениях релятивистских пучков поляризованных протонов и дейтронов, изучение которых будет проводиться в другом эксперименте на коллайдере NICA – SPD (Spin Physics Detector) [http://spd.jinr.ru]. Процессы рождения таких адронов (гипероны, очарованные мезоны и барионы) довольно редки и для их регистрации необходимо применять новые детекторные технологии, обеспечивающие минимальные шумовые и наилучшие временные, энергетические и радиационные характеристики используемых детекторов. С другой стороны, множественность вторичных частиц, рождающихся в центральных столкновениях релятивистских ионов, может достигать нескольких тысяч в диапазоне энергий коллайдера NICA sqrt(s_(NN)) = 4÷11 ГэВ. Для надежной регистрации таких событий нужны трековые детекторы, способные с высокой эффективностью реконструировать треки первичных заряженных частиц и заряженных продуктов их распадов. Трековые системы, обеспечивающие возможность восстанавливать вершины распадов короткоживущих очарованных адронов могут быть построены на базе современных кремниевых пиксельных детекторов. Поэтому в контексте представленных физических задач одним из главных элементов экспериментальных установок MPD и SPD будет трековая система. Трековые системы, обладающие высоким пространственным разрешением, позволят идентифицировать короткоживущие очарованные адроны, обеспечивая возможность реконструкции вершины их распада. В связи с этим ключевую роль в трековой системе играют вершинные детекторы (ВД), которые устанавливают как можно ближе к месту столкновения ускоренных пучков. Сегодня ВД конструируются на основе новых кремниевых сенсоров с интегрированными в них каналами электроники для высокоскоростной обработки и регистрации событий. Детекторы собираются в модули, где важнейшим элементом становится система охлаждения и поддержки этих модулей с применением материалов с низким атомным номером. ВД должны иметь минимальное количество вещества, используемого в области регистрации адронов (менее процента от радиационной длины на чувствительный слой), чтобы не вносить дополнительных искажений при реконструкции траекторий заряженных адронов за счет их многократного рассеяния на элементах конструкций. В настоящий момент рекордные значения радиационной прозрачности при минимуме используемого вещества в мега-установках, используемых в физике высоких энергий и элементарных частиц (на уровне 0.4% для первого слоя кремниевых детекторов), достигнуты для вступившей в строй новой внутренней трековой системы (вершинный детектор) эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН [L.Musa, S. Beole, “ALICE tracks new territory”, CERN Courier, June 2021, https://cerncourier.com/a/alice-tracks-new-territory/]. Основываясь на огромном опыте этой международной коллаборации (члены коллектива, данного Проекта, являются участниками эксперимента ALICE), предполагается использовать передовые детекторные технологии этого эксперимента для разработки и создания в рамках текущего Проекта концепций и отдельных работающих модулей вершинных детекторов для прецизионной идентификации вершин распадов мультистранных и очарованных адронов в экспериментах MPD и SPD на отечественном коллайдере NICA.
Еще одной фундаментальной проблемой, на решение которой направлен проект, станет исследование нового физического явления – образования кластеров холодной КГП с высокой барионной плотностью (флуктонов) в ядрах и анализ возможностей его наблюдения при энергиях коллайдера NICA. Одним из проявлений существования таких кластеров в ядрах является образование частиц во взаимодействиях с ядрами в областях, кинематически запрещенных для реакций со свободными нуклонами, которое обычно называют кумулятивным рождением. Проект предусматривает развитие теории образования различных частиц в новой кумулятивной области центральных быстрот и больших поперечных импульсов при взаимодействии, как нуклона с кластером, так и двух кластеров холодной плотной КГП с высокой барионной плотностью в сталкивающихся ядрах. Будут рассчитаны спектры этих частиц и их корреляции с выходами других частиц, включая частицы с более тяжелыми кварками, увеличенный выход которых ожидается в процессах с участием кварк-глюонных кластеров. Предполагается, что полученные зависимости будут изучены в экспериментах на коллайдере NICA с использованием уже имеющихся и новых ультратонких пиксельных детекторных систем, которые будут разработаны в рамках настоящего Проекта.