Модернізація Великого адронного колайдера
У Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН) напередодні його 60-річчя побувала Наталія Дьоміна. Вона впевнена, що після модернізації Великий адронний колайдер буде готовим до нових відкриттів.
Тунелю Великого адронного колайдера велосипедом я так і не покаталася. Хоча два десятки велосипедів, підвішених на спеціальній стійці або прихилених до стіни, явно чекали на охочих. Ми якраз були внизу, як раптом пролунала сирена. Нашу групу відразу поквапили до ліфта, який підняв нас на поверхню, на 90 м нагору. "Якщо в тунелі почнеться пожежа, то все заповниться спеціальною пенбК, в якій можна дихати", - заспокоював нас супроводжуючий, веселий афрошвейцарець Абділла Абал (Abdillah AbaD. "А ви в ній дихати пробували?" - Запитала я. »- відповів він, і всі засміялися.
Іржанію, де проходить експеримент ALICE, за кілька хвилин приїхала пожежна команда. Пошуки причини тривоги тривали близько години - виявилося, що в тунелі спрацював датчмс рівня кисню, але вниз нам спуститися вже не дали.
Сам ЦЕРН схожий на місто, на в'їзді вас зустріне шлагбаум. «Раніше було простіше, — кажуть старожили. — Все це з'явилося лише після того, як сталося кілька неприємних інцидентів, зокрема й із зеленими». Що ще за інциденти? ЦЕРН відкритий світові, щодня на його територію і в музей («Сфера науки та інновацій») приїжджають ці екскурсії школярі, студенти та викладачі, які розповідають про минуле, сьогодення та майбутнє одного з кращих фізичних центрів світу. У ЦЕРНі, здається, є все: і паля, і смачний недорогий ресторан самообслуговування, ferae, і японська сакура, і українські берези. Майже рай - що для співробітників, що для відвідувачів. Але існуєі якась невелика кількість людей, яким «інциденти» потрібні повітря, і треба вміти цьому якось розумно протистояти.
Саме 27-кілометрове кільце знаходиться на глибині 50-150 м на території як Франції, так і Швейцарії. З центру Женеви до ЦЕРНу можна приїхати на звичайному міському трамваї феї го 20-30 хвилин. Кордон між двома країнами майже непомітний, і поки мені не сказали: «Дивись, ось кордон», я б його не помітила. Машини та пішоходи їдуть не зупиняючись. Я й сама ходила сюди-туди, від готелю в ЦЕРН, сміючись про себе, що йду на вечерю з Франції до Швейцарії.
До приїзду до ЦЕРНу я не знала про ту роль, яку відіграла у будівництві колайдера українська оборонка, що залишилася ще з часів СРСР. Так, для адронного торцевого калориметра детектора CMS треба було створити великий обсяг спеціальних пластин з латуні. Де взяти латунь? З'ясувалося, що на Півночі, на наших військово-морських підприємствах зібралося багато гільз, з яких перепплавили.
«В свій час, коли американці загрожували СРСР “зірковими війнами”, академік Веліхов запропонував розмістити на орбіті лазерну зброю. Для лазерів потрібні були спеціальні кристали, - розповів Володимир Гаврилов, керівник експерименту CMS від Інституту теоретичної та експериментальної фізики (ІТЕФ). — Для цього проекту було збудовано кілька заводів. Але потім все це обвалилося, заводам нема чого робити. Виявилося, що завод у Богоро-дицьку Тульської області може робити кристали, які потрібні для CMS».
ЕКСПЕРИМЕНТИ ATLAS І CMS
На Великому адронному колайдері проходить чотири великі експерименти (ATLAS, CMS, ALICE та LHCb) і три малі (LHCf, MoEDAL і ТОТЕМ). Потік даних із чотирьох великих експериментів складає 15 петабайт (15 млн Гбайт) на рік, що вимагало б для запису20-кілометровий стос CD-дисків. Честь відкриття бозона Хіггса належить спільно ATLAS та CMS, у складі цих колаборацій багато вчених із України. Загалом за 60 років у ЦЕРНі попрацювало понад тисячу українських фахівців.
Детектор ATLAS не може не вражати уяву: 35 м заввишки, 33 м завширшки і майже 50 м завдовжки. Микола Зімін, співробітник Об'єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні та цього експерименту, який багато років працює в ЦЕРНі, порівняв детектор із гігантською матрьошкою. «Кожен із верхніх шарів детекторів оточує попередній, намагаючись максимально перекрити тілесний кут.
В ідеалі потрібно зробити так, щоб усі частки, що вилітають, можна було спіймати і щоб у детекторі були мінімізовані “мертві зони”», — підкреслює він. Кожна з детекторних підсистем, «шари детектора», реєструє ті чи інші частинки, що народжуються під час зіткнення протонних пучків. Скільки всього «матрьошок» у великій «матрьох-детекторі»? Чотири великі підсистеми, включаючи мюонну та систему калориметрів. У результаті частка, що вилітає, перетинає близько 50 «шарів реєстрації» детектора, кожен з яких збирає ту чи іншу інформацію. Вчені визначають траєкторію руху цих частинок у просторі, їх заряди, швидкості, масу та енергію.
Протонні пучки стикаються тільки в тих місцях, які оточені детекторами, в інших місцях колайдера вони летять паралельними трубами.
Прискорені та запущені у Великий адронний колайдер пучки крутяться протягом 10 годин, за цей час вони проходять шлях у 10 млрд км, що достатньо для подорожі до Нептуна та назад. Протони, що подорожують з майже світловою швидкістю, роблять по 27-кілометровому кільцю 11 245 оборотів в секунду!
Протони, що виходять з інжектора пропускаються через цілий каскад прискорювачів, покине потраплять у велике кільце. «ЦЕРНУ, на відміну від українських центрів, удалося кожен свій рекордний для свого часу прискорювач використовувати як прискорювач для наступного», — зазначає Микола Зімін. Почалося все з Протонного синхротрона (PS, 1959), потім був Суперпротонний синхротрон (SPS, 1976), потім Великий електрон-позитронний колайдер (LEP, 1989). Потім LEP вирізали з тунелю, щоб заощадити гроші, і на його місці побудували Великий адронний колайдер. Потім LHC “виріжуть”, побудують cynepLHC, вже є такі ідеї. А може, відразу почнуть будувати FCC (Future Circular Colliders), і з'явиться вже 100-кілометровий колайдер на 50 ТеВ», — продовжує розповідь Зімін.
«Чому тут так добре організовано з погляду безпеки? Тому що унизу багато небезпек. По-перше, саме собою підземелля на 100-метровій глибині. По-друге, там дуже багато кріогенної техніки, ATLAS працює із двома магнітними полями. Одне з них утворене центральним надпровідним соленоїдом, який треба охолоджувати. Друге — найбільшими у світі магнітними тороїдами. Це 25-метрові бублики в одному напрямку і 6-метрові в іншому. У кожному їх циркулює струм в 20 кА. І їх також треба охолоджувати рідким гелієм. Запасеної енергії магнітного поля у нас 1,6 ГДж, тож якщо щось трапиться, то наслідки руйнування детектора можуть бути катастрофічними. У пучковій камері детектора високий вакуум, і якщо він порушиться, то може статися вибух», — каже Микола Зімін.
«Тут одне з найпорожніших (у сенсі вакууму) місць у Сонячній системі та одне з найхолодніших у Всесвіті: 1,9 К (-271,3 °С). Одночасно одне з найгарячіших місць у Галактиці», — так люблять говорити в ЦЕРНі, і все це не перебільшення. На БАКУ - найбільша система охолодження вУ світі, вона необхідна для підтримки 27-кілометрового кільця в стані надпровідності. У трубах, якими летять пучки протонів, створено ультрависокий вакуум у 1012 атмосфери, щоб уникнути зіткнень із молекулами газу.
РЕСПУБЛІКИ КОЛАБОРАЦІЙ
Робота на Великому адронному колайдері відбувається за умов постійної наукової конкуренції між колабораціями. Але бозон Хіггса було відкрито одночасно і групою ATLAS, і групою CMS. Володимир Гаврилов (CMS) наголошує на важливості того, що дві незалежні колаборації працювали над цим завданням одночасно. «Заява про те, що знайшли бозон Хіггса, прозвучала тільки після того, як обидві колаборації видали результати, отримані зовсім різними шляхами, але вказують приблизно на ті самі параметри з можливою для двох детекторів точністю. Зараз ця точність збільшується, і згода між результатами ще краща».
«ЦЕРН та колаборації — це різні речі. ЦЕРН – це лабораторія, вона дає вам прискорювач, а колаборації – це окремі держави вчених зі своєю конститутією, своїми фінансами, менеджментом. І люди, які працюють на детекторах, на 90% не співробітники ЦЕРНу, а співробітники інститутів, їхню роботу оплачують держави-учасниці та інститути, і ЦЕРН входить у колаборацію на тих самих підставах, що й інші інститути», — пояснює Олег Федін з Петербурзького. інституту ядерної фізики
МАЙБУТНЄ ВЕЛИКОГО АДРОННОГО КОЛАЙДЕРА
На що чекає Рольф Хойєр від пуску ВАКу після модернізації? «Я мрію про те, що тут, на Ваку, нам вдасться знайти сліди частинок темної матерії. Це буде чудово. Але це лише мрія! Я не можу гарантувати, що ми це знайдемо. І, звичайно, ми можемо відкрити якісь нові речі. З одного боку, є Стандартна модель - вона вражаюче добре описуємир. Але нічого не пояснює. Надто багато параметрів введено вручну. Стандартна модель – це фантастика. Але поза Стандартною моделлю — ще більша фантастика».
Напередодні 60-річчя ЦЕРНу Рольф Хойєр зазначає, що всі ці роки науковий центр жив під гаслом: «60 років науки для світу». За його словами, «ЦЕРН не те щоб ігнорував, але намагався триматися якнайдалі від будь-яких політичних питань. З самого заснування ЦЕРНу, коли між Заходом та Сходом був поділ, представники з обох боків могли працювати тут разом. Сьогодні у нас працюють вчені з Ізраїлю та Палестини, Індії та Пакистану… Ми намагаємось триматися поза політикою, ми намагаємося працювати як представники людства, як нормальні люди».