NICA es el nombre que le dieron los científicos del Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear —JINR, por sus siglas en inglés— al colisionador de iones basado en el sistema nucleotrón. Al mismo tiempo, algunos los nombran como el hermano pequeño del Gran Colisionador de Hadrones —LHC, por sus siglas en inglés—: no por ser menos importante, sino por ser más reciente.
Continuando con la tradición
A mediados de la década de 1950, casi simultáneamente, aparecieron en el mundo dos grandes centros científicos para el estudio de las propiedades fundamentales de la materia: el CERN en Suiza y el JINR en la URSS. Los fundadores de este último fueron 13 Estados, en su mayoría representantes del campo socialista.
Hoy el instituto conjunto une a 19 países miembros y es la única organización científica intergubernamental internacional de Rusia registrada por la ONU. Además, el establecimiento de alta complejidad representa aproximadamente la mitad de los logros en el área de la física nuclear realizados en el territorio de la antigua URSS durante los últimos 70 años.
En este lugar se descubrieron 10 nuevos elementos de la tabla periódica de Mendeléyev, entre los que se encuentran el moscovio (número atómico 115), el dubnio (105), el oganesón (118) y el flerovio (114). Sus nombres hacen referencia respectivamente a la región de Moscú y la ciudad de Dubna, a los científicos rusos Yuri Oganesyan y Georgy Flerov, quien fue uno de los fundadores del instituto y su director.
En 1957, se lanzó en Dubna el acelerador de partículas más poderoso del mundo en ese momento, el sincrofasotrón, capaz de acelerar protones a una energía récord de 10 GeV (10.000 millones de electronvoltios).
El colisionador superconductor de protones e iones pesados NICA es el heredero directo de la singular instalación mencionada. Por su parte, el sincrofasotrón se detuvo en 2002 y su enorme conductor magnético, o, como dicen los científicos, la culata del imán, se utilizó para construir uno de los escalones del nuevo complejo.
Mejor que el LHC
A partir de los conceptos teóricos modernos, nuestro universo nació hace unos 14.000 millones de años durante el Big Bang. En el primer microsegundo después de este evento, surgieron las partículas elementales quarks. A medida que el medio se descomprimía, estos se unieron en hadrones: protones y neutrones, a partir de los cuales se formaron los núcleos de los átomos.
Dentro de los hadrones, los quarks se mantienen unidos por partículas especiales de fuerte interacción, los gluones (palabra que proviene del inglés glue, que significa pegamento en español). Los físicos creen que antes de la aparición de los hadrones, el medio era tan denso que los quarks y los gluones no formaban ninguna estructura, y la materia existía en forma de plasma formada por los quarks y gluones. Su temperatura era de billones de grados, pero junto con la densidad, esta descendió gradualmente hasta que comenzaron a aparecer estados ligados de la materia.
Sin embargo, los científicos siguen sin saber en qué condiciones ocurrió la fase de transición de los quarks y los gluones a la forma nuclear de la existencia de la materia. Esta es una de las principales cuestiones de la física moderna. Se sugiere que si dos haces de iones de alta energía se dirigen uno hacia el otro, en el lugar de su colisión, surgirá una fase mixta, es decir, un estado de transición entre el plasma de quarks con gluones y la sustancia hadrónica. De esta manera, bajo este supuesto se pretende realizar el experimento en el sistema NICA. Al recrear el estado original de la materia, los científicos deberían arrojar luz sobre cómo se formaron todos los objetos materiales del universo.
En el CERN, específicamente en el Gran Colisionador de Hadrones, también se está estudiando el plasma de quarks y gluones. De esto se encarga específicamente el detector ALICE, que analiza los resultados de las colisiones de iones pesados, pero no puede captar el momento de la transición de fase debido a la enorme potencia de aceleración del LHC. Las partículas chocan con tal energía que los productos de la colisión se dispersan hacia los lados muy rápidamente.
Por lo tanto, no se puede lograr mantener la enorme densidad de sustancia requerida para el estudio de los quarks y los gluones del plasma durante un tiempo lo suficientemente apreciable. Experimentos similares se están llevando a cabo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EEUU, que hasta ahora no han podido mostrar un resultado evidente.
Comparado con sus hermanos mayores, el colisionador NICA es menos potente. Mientras en el experimento con ALICE los iones se aceleran a una energía de 2,76 TeV, en este otro sistema, de acuerdo con el plan, los núcleos pesados deberían acelerarse a 4,5 GeV, en el caso de los protones a 12,6 GeV.
A pesar de lo anterior, este es capaz de contener la máxima densidad de plasma, con una cantidad de alrededor de 20.000 millones de toneladas por centímetro cúbico. Esto es comparable a la densidad de las estrellas de neutrones. Por tanto, para recrear en un laboratorio las condiciones de un estado especial de la materia en el que se encontraba el universo en los primeros instantes tras el Big Bang, el acelerador de Dubna es aún más adecuado que el LHC.
«Los teóricos han predicho muchas fases de transición dentro de la sustancia elemental y estas serán estudiadas en nuestro colisionador. La tarea será determinar cómo cambian las propiedades de las partículas secundarias que se producen dependiendo de la energía y por el tamaño de los núcleos en colisión», comentó Anatoly Sidorin, jefe adjunto del Departamento de Aceleradores del Laboratorio de Física de Alta Energía, JINR.
Cómo funciona NICA
El complejo NICA es una cascada formada por dos aceleradores lineales que actúan como fuentes de las partículas (iones pesados y ligeros), los dos aceleradores cíclicos —un impulsor y un Nuclotron—, que realizan una aceleración gradual hasta llegar a casi la velocidad de la luz. Asimismo, el colisionador tiene dos detectores que registran los choques.
«Al comenzar, las partículas se llevan al acelerador lineal a una pequeña energía, alrededor del 20% de la velocidad de la luz», explicó Sidorin. «Luego, el haz se acelera en el impulsor mediante un campo eléctrico de alta frecuencia. En unos tres segundos, la corriente adquiere una energía correspondiente al 60% de la velocidad de la luz. El 40% restante es propulsado por el Nuclotron», agregó.
El acelerador lineal de iones pesados y las dos etapas cíclicas ya están listas. El trabajo de ingeniería se está completando en el edificio colisionador. A finales de año, se completará el ensamblaje de todos los imanes y se realizarán los trabajos de puesta en marcha. De esta manera, las primeras colisiones deberían comenzar a realizarse desde principios de 2024. La unidad analítica principal del complejo, el detector polivalente —MPD, por sus siglas en ruso—, también se encuentra en un alto grado de preparación.
Este instrumento «medirá todos los parámetros básicos necesarios para comprender los procesos que acontecen (…) el detector SPD, o detector de física de espín, se lanzará más tarde, a principios de 2030. Su tarea consistirá en estudiar las colisiones de protones, deuterones y neutrones polarizados y sus estructuras de giro», afirmó Sergei Merts, científico jefe del Laboratorio de Física de Altas Energías del JINR.
Ver con los propios ojos
Además de los proyectos fundamentales que se llevan a cabo en el complejo NICA, ya se están implementando muchos otros experimentos prácticos. Ahora, por ejemplo, se están probando allí microcircuitos destinados a funcionar en el espacio. Los rayos cósmicos contienen iones pesados, y hay que entender cómo reaccionará ante ellos la electrónica de los instrumentos. También se estudian los efectos de las radiaciones sobre el cuerpo humano y los objetos biológicos.
Entre los descansos que se producen en los ciclos de colisiones en el impulsor, se planea realizar investigaciones en el campo de las ciencias de la vida, la ciencia de los materiales y la energía nuclear.
«Durante los últimos ocho años, una gran cantidad de tecnología y desarrollo que se necesitaba para NICA ha entrado en la industria, así como, en las empresas comerciales y ya están mejorando la calidad de nuestras vidas, por ejemplo, en los sistemas de seguridad y en el transporte. Las cámaras de reconocimiento facial provienen de la física de partículas, de nuestros detectores», indicó el director de JINR, académico de la Academia de Ciencias de Rusia, Grigory Trubnikov, en una reunión con periodistas.
El complejo NICA también tiene una función educativa. Como regla general, es muy difícil para una persona común llegar a objetos tan cerrados, pero, ahora existe tal oportunidad. Uno de los rumbos de la administración de la Década de la Ciencia y la Tecnología en Rusia (de 2022 a 2031) fue la iniciativa de Turismo Científico Popular.
En febrero de 2023 tuvo lugar la primera gira a Dubna. Los escolares de las clases de octavo y décimo de Moscú, acompañados por sus maestros, llegaron a la ciudad de la ciencia para familiarizarse con JINR y sus instalaciones e investigaciones científicas. Y también, para aprender más sobre física nuclear. Tales excursiones están previstas para llevarse a cabo con regularidad.
Finalmente, se puede señalar que la construcción del colisionador NICA se está implementando en el marco del proyecto nacional de Ciencia y Universidades.
