Наука в фокусе, Большой адронный коллайдер готов к новым открытиям!

В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в канун его 60-летия побывала Наталия Демина. Она уверена, что после модернизации Большой адронный коллайдер будет готов к новым открытиям.

По туннелю Большого адронного коллайдера на велосипеде я так и не покаталась. Хотя два десятка велосипедов, подвешенных на специальной стойке или прислоненных к стене, явно ждали желающих. Мы как раз были внизу, как вдруг неожиданно прозвучала сирена, и ее неприятный звук всё усиливался. Нашу группу тут же поторопили к лифту, который поднял нас на поверхность, на 90 м вверх. «Если в туннеле начнется пожар, то всё заполнится специальной пеной, в которой можно дышать», — успокаивал нас сопровождающий, веселый афрошвейцарец Абдила Абал (Abdillah Abal). «А вы в ней дышать пробовали?» — спросила я. «Нет!» — ответил он, и все засмеялись.

К зданию, где проходит эксперимент ALICE, через несколько минут приехала пожарная команда, которая поспешила в туннель. Поиски причины тревоги продолжались около часа, а на поверхности на теплом весеннем солнце грелись отошедшие на безопасное расстояние инженеры и техники. Потом оказалось, что в туннеле сработал датчик уровня кислорода, и вниз нам спуститься уже не дали.

1307804

Правила посещения БАКа (LHC, Large Hadron Collider) стали более строгими после того, как в подземном зале эксперимента ATLAS на завершающей стадии размещения детекторов потерялось несколько человек. Их долго искали, пока не нашли. «Журналисты приехали с супервайзером, который тоже был приезжим. Он работал в ATLAS, но не находился постоянно в ЦЕРНе, и из-за этого и случился такой конфуз. Журналисты ушли из каверны (подземного зала, где расположен детектор), не предупредив никого. А все думали, что они в подземном зале, и долго их там искали, — рассказали мне старожилы. — А еще вот был такой случай. Один журналист потянулся в туннеле рукой к уже включенной аппаратуре, хотел ее потрогать. Хорошо, что вовремя остановили, там уже было подано высокое напряжение». С тех пор любая группа приходит на БАК с двумя сопровождающими, которые внимательно следят за безопасностью гостей.

Радиационный контроль здесь тоже на высоте. После посещения детекторов нам в обязательном порядке демонстрировали нулевые показания на дозиметре и просили подписать документы, что мы ознакомлены с его данными.

Сам ЦЕРН похож на научный город, на въезде вас встретит шлагбаум с охранником, который проверит ваш пропуск или бронь в местной гостинице-общежитии. «Раньше всё было проще, — говорят мне старожилы. — Всё это появилось только после того, как случилось несколько неприятных инцидентов, в том числе и с “зелеными”».Что еще за инциденты? ЦЕРН открыт миру, каждый день на его территорию и в музей (Глобус науки и инноваций) приезжают на экскурсии школьники, студенты и преподаватели, которым рассказывают о прошлом, настоящем и будущем одного из лучших физических центров мира. В ЦЕРНе, кажется, есть всё: и почта, и вкусный недорогой ресторан самообслуживания, и банк, и японская сакура, и русские березы. Почти рай что для сотрудников, что для посетителей. Но существует и какое-то небольшое количество людей, которым «инциденты» нужны как воздух, и надо уметь этому как-то разумно противостоять.

Само 27-километровое кольцо находится на глубине 50–150 м на территории как Франции, так и Швейцарии. Из центра Женевы в ЦЕРН можно приехать на обычном городском трамвае, всего 20–30 минут пути. Граница между двумя странами почти незаметна, и пока мне не сказали: «Смотри, вот граница», — я бы ее не заметила. Машины и пешеходы едут не останавливаясь. Я и сама ходила туда-сюда, от гостиницы в ЦЕРН, смеясь про себя, что иду на ужин из Франции в Швейцарию, а потом наоборот. Такое соседство, кстати, нравилось в свое время и Вольтеру. В городке Ферне, находившемся возле Юрских гор и швейцарской границы, он построил дом, чтобы в случае приближения французской полиции скрыться на территории соседнего государства. Мемориальный дом Вольтера до сих пор находится в окрестностях ЦЕРНа.

1307806

До приезда в ЦЕРН я не знала о той роли, которую сыграла в строительстве коллайдера российская оборонка, оставшаяся еще со времен СССР. Так, для адронного торцевого калориметра детектора CMS надо было сделать большой объем специальных пластин из латуни. Где взять латунь? Оказалось, что найти ее совсем непросто. Выяснилось, что на севере, на наших военно-морских предприятиях, скопилось большое количество уже отстрелянных старых гильз, вот их и переплавили. И сделали пластины хорошего качества, требуемого для БАКа.

«В свое время, когда американцы грозили СССР “звездными войнами”, академик Велихов вместе с группой высокопоставленных научных деятелей предложил разместить на советских спутниках лазерное оружие. Для лазеров нужны были специальные кристаллы, — рассказал мне физик Владимир Гаврилов, руководитель эксперимента CMS от Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). — Для этого проекта было построено несколько заводов. Но потом всё это обвалилось, заводам стало нечего делать. Оказалось, что завод в Богородицке Тульской области может делать кристаллы, которые нужны для CMS». Завод сделал несколько десятков тысяч кристаллов. Эти же кристаллы пытались вырастить и китайцы, но их качество оказалось заметно хуже, чем у России, и небольшое количество китайских кристаллов поставили в не самых важных местах детектора. Но сейчас физики уже не берутся сказать, смогут ли в Богородицке сделать новую партию кристаллов, если они понадобятся. Говорят, что и завод-то уже давно закрылся.

Эксперименты ATLAS и CMS

На Большом адронном коллайдере проходит четыре больших эксперимента (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb) и три малых (LHCf, MoEDAL и TOTEM). Поток данных с четырех больших экспериментов составляет 15 петабайт (15 млн Гб) в год, что для записи потребовало бы 20-километровую стопку CD-дисков. Честь открытия бозона Хиггса принадлежит совместно ATLAS и CMS, а в составе этих коллабораций много ученых из России. Всего за 60 лет работы ЦЕРНа здесь поработали в научных командировках более тысячи российских физиков и инженеров. Вообще в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере трудятся на постоянной основе много техников и инженеров из России — их квалификация высока, и на работу русских здесь берут охотно.

Детектор ATLAS, первый из тех, что нам удалось увидеть, не может не поражать воображение: 35 м в высоту, 33 м в ширину и почти 50 м в длину. Николай Зимин, сотрудник Объединенного института ядерных исследований в Дубне и этого эксперимента, многие годы работающий в ЦЕРНе, сравнил детектор с гигантской матрешкой. «Каждый из верхних слоев детекторов окружает предыдущий, стараясь максимально перекрыть телесный угол. В идеале нужно сделать так, чтобы все вылетающие частицы можно было поймать и чтобы в детекторе были минимизированы “мертвые зоны”», — подчеркивает он. Каждая из детекторных подсистем, «слои детектора», регистрируют те или иные частицы, рождающиеся при столкновении протонных пучков.

Сколько всего «матрешек» в большой «матрешке-детекторе»? Четыре большие подсистемы, включая мюонную и систему калориметров. В итоге вылетающая частица пересекает около 50 «слоев регистрации» детектора, каждый из которых собирает ту или иную информацию. Ученые определяют траекторию движения этих частиц в пространстве, их заряды, скорости, массу и энергию.

Протонные пучки сталкиваются только в тех местах, которые окружены детекторами, в других же местах коллайдера они летят по параллельным трубам.

Хотя число столкновений на работающем БАКе велико, каждый день ученые ускоряли протоны из всего 2 нанограммов водорода. Подсчитано, что БАКу за 1 млн лет понадобится всего 1 г водорода. Ускоренные и запущенные в Большой адронный коллайдер пучки крутятся в течение 10 часов, за это время они проходят путь в 10 млрд км, что достаточно для путешествия до Нептуна и обратно. Путешествующие с почти световой скоростью протоны делают по 27-километровому кольцу 11 245 оборотов в секунду!

Выходящие из инжектора протоны пропускаются через целый каскад ускорителей, пока не попадут в большое кольцо. «ЦЕРНу, в отличие от российских центров, удалось каждый свой рекордный для своего времени ускоритель использовать как предускоритель для следующего», — отмечает Николай Зимин. Началось всё с Протонного синхротрона (PS, 1959), потом был Суперпротонный синхротрон (SPS, 1976), потом Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP, 1989). Потом LEP «вырезали» из туннеля, чтобы сэкономить деньги, и на его месте построили Большой адронный коллайдер. «Потом LHC “вырежут”, построят суперLHC, уже есть такие идеи. А может сразу начнут строить FCC (Future Circular Colliders), и появится уже 100-километровый коллайдер на 50 ТэВ», — продолжает свой рассказ Зимин.

«Почему здесь всё так хорошо организовано с точки зрения безопасности? Потому что внизу много опасностей. Во-первых, само по себе подземелье на 100-метровой глубине. Во-вторых, там очень много криогенной техники, ATLAS работает с двумя магнитными полями. Одно из них образовано центральным сверхпроводящим соленоидом, который надо охлаждать. Второе — самыми крупными в мире магнитными тороидами. Это 25-метровые бублики в одном направлении и 6-метровые — в другом. В каждом из них циркулирует ток в 20 кА. И их тоже надо охлаждать жидким гелием. Запасенной энергии магнитного поля у нас 1,6 ГДж, так что если что-то случится, то последствия разрушения детектора могут быть катастрофическими, а поскольку он только по официальным данным стоит 550 млн швейцарских франков, то их допустить нельзя. Кроме того, часть детекторов работает на взрывоопасных газах, их немного, но они есть. Это особая проблема. В пучковой камере детектора высокий вакуум, и если он нарушится, то может получиться взрыв», — говорит Николай Зимин.

«Здесь одно из самых пустых (в смысле вакуума) мест в Солнечной системе и одно из самых холодных во Вселенной: 1,9 К ( –271,3 °C). Одновременно — одно из самых горячих мест в Галактике», — так любят говорить в ЦЕРНе, и всё это не преувеличение. На БАКе — крупнейшая система охлаждения в мире, она необходима для поддержания 27-километрового кольца в состоянии сверхпроводимости. В трубах, по которым летят пучки протонов, создан ультравысокий вакуум в 10-12 атмосферы, чтобы избежать столкновений с молекулами газа.

Республики коллабораций

Работа на Большом адронном коллайдере проходит в условиях постоянной научной конкуренции между коллаборациями. Как тот или иной физик попадает в «спартаковскую» или «динамовскую» команды? Исследователи говорят, что чаще всего это вызвано как объективными, так и субъективными причинами. Многое определяет то, с какой коллаборацией сотрудничает научный институт. Но бозон Хиггса был открыт одновременно и группой ATLAS, и группой CMS.

Владимир Гаврилов (CMS) подчеркивает важность того, что две независимых коллаборации работали над этой задачей одновременно. «Чтобы надежно подтвердить открытие, нужно, чтобы его увидели обе группы исследователей. Если видит одна и не видит другая, то кто-то ошибается. Надо сначала найти эту ошибку и понять, в чем она. Заявление о том, что нашли бозон Хиггса, прозвучало только после того, как обе коллаборации выдали результаты, полученные совершенно разными путями, но указывающие примерно на одни и те же параметры с возможной для двух детекторов точностью. Сейчас эта точность увеличивается, и согласие между результатами еще лучше».

«ЦЕРН и коллаборации — это разные вещи. ЦЕРН — это ускорительная лаборатория, она дает вам ускоритель, на котором можно работать, а коллаборации — это отдельные государства ученых, у них есть своя конституция, свои финансы, свой менеджмент. И люди, которые работают на детекторах, на 90% не сотрудники ЦЕРНа, а сотрудники институтов, их работу оплачивают государства-участники и институты, и ЦЕРН входит в коллаборацию на тех же основаниях, что и прочие институты, — поясняет Олег Федин из Петербургского института ядерной физики. — Чисто ЦЕРНовского персонала здесь очень мало».

Будущее Большого адронного коллайдера

Уже полтора года коллайдер не работает, по туннелям не бегают пучки протонов. Инженеры и техники проверяют и заменяют оборудование, части детекторов раздвинуты, и можно увидеть все детали огромных «матрешек».

«Мы собираемся запустить первые пучки на БАКе в январе 2015 года. Когда придут первые интересные результаты, я не знаю. Энергия коллайдера будет увеличена почти вдвое — от 7 ТэВ до 13 ТэВ, — это по сути новая машина, так что мы должны быть очень осторожны при ее запуске», — сообщил нам генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer).

Чего ждет Рольф Хойер от пуска БАКа после модернизации? «Я мечтаю о том, что здесь на БАКе нам удастся найти следы частиц темной материи. Это будет замечательно. Но это только мечта! Я не могу гарантировать, что мы это найдем. И, разумеется, мы можем открыть какие-то новые вещи. С одной стороны, есть Стандартная модель – она поразительно хорошо описывает мир. Но ничего не объясняет. Слишком много параметров введено вручную.

Стандартная модель — это фантастика. Но вне Стандартной модели — еще большая фантастика».

В канун 60-летия ЦЕРНа Рольф Хойер отмечает, что все эти годы научный центр жил под девизом «60 лет науки для мира» (“60 years of science for peace”). По его словам, «ЦЕРН не то, чтобы игнорировал, но старался держаться как можно дальше от любых политических вопросов. Мы связывали страны и нации в течение всего этого времени. С самого основания ЦЕРНа, когда между Западом и Востоком было разделение, представители с обеих сторон могли работать в ЦЕРНе вместе. Сегодня у нас работают ученые из Израиля и Палестины, Индии и Пакистана… Мы стараемся держаться вне политики, мы стараемся работать как представители человечества, как нормальные люди. Мы пытаемся оставить политику и все культурные различия вне ЦЕРНа».

Источник: «Эхо Москвы»
Опубликовано автоматически, мнение администратора сайта может не совпадать с мнением автора.

0.00 avg. rating (0% score) - 0 votes
comments powered by HyperComments

Рубрика: "Эхо Москвы"