Около 3000 исследователей со всего мира будут выполнять эксперименты, целью которых является изучение фундаментальной структуры материи и того, как эволюционировала Вселенная из состояния своего зарождения в то, что мы наблюдаем сегодня.
Работая в международных коллаборациях, учёные будут изучать экзотические формы материи – от частиц, которые не существуют в природе уже в течение миллиардов лет, до необычных ядер, которые живут очень короткое время только в плотных сердцевинах взрывающихся звёзд. В экспериментах будут также использоваться пучки, полученные для того чтобы исследовать вопросы применения новых технологий.
Более 500 ученых из 25 ведущих российских научных центров активно участвуют как в создании проекта самого ускорительного комплекса, так и в подготовке научных экспериментов на пучках ионов и антипротонов, разработке и создании новых детекторов.
Российские ученые принимают участие в следующих коллаборациях FAIR:
Тяжёлые ионы от SIS 18 и SIS 100 будут использоваться в многоцелевой установке для изучения воздействия высоэнергетического излучения на биологические системы и материалы приразличных условиях. Ионопровод пучка высоких энергий и экспериментальную площадку коллаборация BIOMAT будет использовать совместно с коллаборацией SPARC.
Для того чтобы исследовать, как ведёт себя материя в области высоких давлений, типичных для взрывов сверхновых и нейтронных звёзд, в FAIR будут проводиться эксперименты по столкновениям между тяжёлыми ионами при высоких энергиях. Предполагается , что при очень высоких плотностях составляющие атомных ядер (протоны и нейтроны) “сплавляются” в кварк-глюонную плазму. Этот фазовый переход в новое состояние должен наблюдаться в центральных столкновениях между ядрами при высоких энергиях, доступных на ускорителях FAIR. Универсальная детектирующая система будет идентифицировать частицы, рождающиеся в плотной зоне реакции. Например, частицы, содержащие странный и очарованный кварки, будут служить в качестве чувствительных диагностических зондов. Эти эксперименты в FAIR будут дополнять исследования по изучению более раннего состояния горячей кварк-глюонной плазмы, проводимые на Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРН в Женеве.
Антипротоны низких энергий будут получать на отведённой для этого экспериментальной площадке путем замедления изначально быстрого антипротонного пучка в двух последовательных накопительных кольцах. Медленные антипротоны будут затем накапливаться и исследоваться в кольцах и в ловушках, или выводиться к экспериментальным установкам.
Темы планируемых экспериментальных исследований включают изучение фундаментальных симметрий, взаимодействия между материей и антиматерией и физику атомов антиматерии. Эти работы по антиводороду будет продолжать проводимые в ЦЕРН революционные исследования с до 100 раз большими интенсивностями антипротонов.
(WDM )
Мощные импульсы пучков, генерируемые ускорителями FAIR будут способны создавать большие объёмы плотной плазмы c плотностями энергии подобными тем, какие существуют в звёздах и гигантских планетах. Для того чтобы этого достичь, пучки необходимо специальным образом сформировать для оптимизации нагрева и/или сжатия образцов. Например, полыйионный пучок с кольцевой формой фокальной области будет использоваться для такого разогрева металлической оболочки, содержащей внутри таблетку замороженного водорода или воды, при которой она расширяется и сжимает таблетку, не нагревая её значительно.
Исследователи таким образом смогут изучать низкотемпературную плазму высокой плотности. Важнейшей особенностью экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе на ускорителях FAIR будет уникальная возможность проведения диагностики плазмы с помощью пучков высокоэнергетичных протонов (радиография) и мощного петаваттного лазера.
Антипротоны низких энергий будут получать на отведённой для этого экспериментальной площадке путем замедления изначально быстрого антипротонного пучка в двух последовательных накопительных кольцах. Медленные антипротоны будут затем накапливаться и исследоваться в кольцах и в ловушках, или выводиться к экспериментальным установкам.
Темы планируемых экспериментальных исследований включают изучение фундаментальных симметрий, взаимодействия между материей и антиматерией и физику атомов антиматерии. Эти работы по антиводороду будет продолжать проводимые в ЦЕРН революционные исследования с до 100 раз большими интенсивностями антипротонов.
Одной из основных задач FAIR является получение вторичных пучков радиоактивных ядер для исследования структуры ядра и происхождения элементов во Вселенной. Эти пучки образуются при прохождении через мишень первичного пучка тяжёлых ионов. Ионы при этом разваливаются на другие ядра, которые тотчас же сепарируются в магнитном сепараторе – Super-FRS. Это позволяет получать высокочистые пучки всех видов изотопов (вплоть до короткоживущих), в широком диапазоне энергий и с временными импульсными характеристиками, привязанными к конкретным экспериментам. Впервые, самые тяжёлые радиоактивные ядра будут производиться в количествах, достаточных для проведения прецизионных исследований. Затем вторичные пучки направляются на три экспериментальные площадки:
•Ветвь высоких энергий, где будут исследоваться важные для астрофизических процессов реакции с тяжёлыми ионами высоких энергий;
• Ветвь низких энергий, где такие свойства ядер как моды распада и энергетические уровни могут быть изучены с использованием пучков низких энергий;
• Ветвь, направленная в систему колец CR-RESR-NESR, где экзотические ядра накапливаются, охлаждаются и хранятся. Здесь в экспериментах будут измеряться массы и времена жизни неизвестных ядер, или изучаться их структура с помощью электронного или антипротонного пучков.
Физика экстремально сильных электромагнитных полей находится в фокусе коллаборации SPARC. Для этого высокоточные эксперименты с наиболее тяжёлыми ионами будут выполнены с целью детального понимания их электронной структуры и внутренней динамики. Результаты этих экспериментов позволят сделать однозначный вывод о применимости фундаментальной теории взаимодействия между веществом и светом в предельно сильном поле. В экспериментах будут использоваться практически все основные возможности FAIR – высокоинтенсивные пучки стабильных ионов в разных зарядовых состояниях и в диапазоне скоростей от нуля до скорости, близкой к скорости света. Более того, коллаборация SPARC внесёт вклад в ответ на давний вопрос о понимании взаимодействия очень тяжёлых ионов с различными формами материи.
В экспериментах будут использоваться не только обычные мишени, но и такие необычные как ультрахолодные электроны, атомы, молекулы или кластеры, которые даже могут быть подвергнуты воздействию интенсивных световых полей, производимых мощными лазерами.