Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ГЛАВА 9. ВОЗВРАЩЕНИЕ КОЛЬЦА

<<< Назад
Вперед >>>

Я поступила в аспирантуру в 1983 г., а проект БАКа был официально предложен в 1984 г. Так что в определенном смысле четверть века своей научной деятельности я ждала этот БАК! Теперь, наконец, я и мои коллеги получаем с БАКа данные и можем реально предположить, какие на этом пути нас могут ожидать открытия, к каким результатам в отношении массы, энергии и вещества могут в ближайшее время привести нас эксперименты.

В настоящее время БАК — это важнейшая экспериментальная установка в физике элементарных частиц. Понятно, что стоило коллайдеру заработать, как моих коллег–физиков охватили тревога и нетерпеливое возбуждение. Невозможно было войти в зал какого?нибудь семинара, чтобы на тебя не накинулись с вопросами. Что происходит? Какая достигнута энергия столкновений? Теоретики интересовались такими подробностями, которые прежде для тех из нас, кто занимался расчетами и был далек от датчиков и экспериментальных установок, были едва ли не абстракцией. Наблюдался и обратный процесс. Экспериментаторы как никогда живо интересовались нашими последними разработками и жаждали побольше узнать о том, что им следует искать и что есть шанс открыть.

Даже на конференции в декабре 2009 г., посвященной темному веществу, участники с огромным интересом обсуждали БАК, который тогда только что завершил свой невероятно успешный дебют, получив первые высокоэнергетические протоны и первые столкновения. В то время после почти отчаяния, испытанного год назад, все просто горели энтузиазмом. Экспериментаторы с облегчением думали, что у них теперь есть данные, которые можно изучать и при помощи которых можно лучше разобраться в своих детекторах. Теоретики были счастливы, предвкушая скорое появление хоть каких?нибудь ответов и достоверных выводов. Все работало просто сказочно хорошо. Пучки получались замечательные. Столкновения происходили. Аппаратура регистрировала события.

Однако путь к этой вехе оказался очень непростым, и в этой главе я подробнее расскажу об этом. Так что пристегните ремни — мы выезжаем на неровную дорогу!

ЭТОТ МАЛЕНЬКИЙ МИР

История Европейского центра ядерных исследований (CERN) началась на несколько десятилетий раньше истории БАКа. Вскоре после окончания Второй мировой войны был заложен первый Европейский ускорительный центр, в котором должны были проводиться эксперименты по изучению элементарных частиц. В то время многие европейские физики — и те, кто эмигрировал в США, и те, кто по–прежнему жил во Франции, Италии и Дании — мечтали о том, чтобы в их родные страны вернулась передовая наука. Американцы и европейцы договорились, что для ученых и науки будет лучше, если европейцы объединятся в достижении этой общей цели и вернут исследования в Европу, чтобы залечить следы разорения и всеобщего недоверия, оставленные недавно закончившейся войной.

В 1950 г. на конференции ЮНЕСКО во Флоренции американский физик Исидор Раби посоветовал создать лабораторию, которая способствовала бы восстановлению в Европе сильного научного сообщества. В 1952 г. для этого был основан Европейский совет по ядерным исследованиям — Conseil Europeenpourla Recherche Nucleaire, или CERN. Первого июля 1953 г. представители 12 европейских государств собрались вместе, чтобы создать Европейскую организацию ядерных исследований, а в следующем году была ратифицирована соответствующая конвенция. Аббревиатура CERN давно уже не отражает название исследовательского центра, да и изучают здесь сегодня не ядерную, а субъядерную физику, или физику элементарных частиц. Но, как часто бывает в бюрократических системах, за Центром сохранилось первоначальное название.

Исследовательский центр был специально построен в самом центре Европы, недалеко от Женевы, на границе Франции и Швейцарии. Центр расположен в сказочном месте у подножья гор Юра среди полей и лугов, а на горизонте прекрасно видны Альпы. Ученые, работающие в CERN, весьма спортивны — ведь в тех местах все под рукой, можно заниматься горными лыжами, кататься на велосипеде и просто ходить по горам. Улицы здесь названы именами знаменитых физиков, так что, будучи в гостях, можно прокатиться по улице Кюри, улице Паули или улице Эйнштейна. А вот архитектуре Центра не повезло — она стала жертвой времени; комплекс был построен в 1950–е гг. в безликом и экономном стиле, так что здания Центра выглядят очень просто, а внутри его — бесконечные коридоры и безликие кабинеты. Не помогло и то, что строился здесь научный комплекс, — стоит взглянуть на естественнонаучные корпуса почти любого университета, и увидишь, как правило, самые страшные здания во всем университетском городке. Оживляют это место (помимо природы, конечно) работающие здесь люди.

Вообще, всем международным сообществам ученых не вредно было бы внимательно изучить эволюцию CERN и его нынешнюю деятельность. Не исключено, что это самое успешное международное предприятие всех времен и народов. Даже в непростые послевоенные годы, когда Европа только что вышла из тяжелейшего конфликта, ученые 12 стран сумели объединить усилия и обеспечить развитие своему начинанию.

В первую очередь усилия ученых были направлены на соревнование с Соединенными Штатами и их научными институтами, не испытывавшими нужды в деньгах. До открытия в CERN калибровочных W- и ?–бозонов почти все открытия в физике элементарных частиц делались на американских ускорителях. Однажды, когда я еще студенткой в 1982 г. была на практике в Лаборатории имени Ферми, один физик вышел в холл и сказал, что они «просто обязаны открыть эти чертовы векторные бозоны» и покончить с доминированием Америки. Он выражал, вероятно, точку зрения многих европейских физиков того времени, хотя, вероятно, не слишком красноречиво, да и язык у него порядком заплетался.

И вот ученые Центра действительно нашли векторные бозоны, а теперь, после строительства БАКа, женевский объект, бесспорно, стал мировым центром экспериментальной физики элементарных частиц. Однако нельзя сказать, что это было очевидно заранее, в момент зарождения проекта БАКа. Американский сверхпроводящий суперколлайдер SSC, проект которого президент Рейган одобрил в 1987 г., разгонял бы частицы до почти втрое больших энергий, если бы Конгресс не прекратил его финансирование. Администрация Клинтона поначалу не поддерживала проект, начатый их республиканскими предшественниками, но ситуация изменилась после того, как президент Клинтон лучше понял, каковы в этом деле ставки. В июне 1993 г. он попытался предотвратить закрытие проекта, обратившись к Уильяму Нэтчеру, председателю Комитета по ассигнованиям Палаты представителей Конгресса; в письме было сказано: «Я хочу, чтобы вы знали о моей поддержке сверхпроводящего суперколлайдера… Отказаться от SSC в настоящий момент означало бы показать всему миру, что Соединенные Штаты отказываются от лидерства в фундаментальной науке — позиции, которую никто не оспаривает уже несколько поколений. Времена в экономике сейчас тяжелые, но наша Администрация поддерживает этот проект как инвестицию в науку и технику…». Когда в 2005 г. я встретилась с бывшим президентом, он напомнил мне о проекте SSC и спросил, что мы потеряли, отказавшись от него. Он признал, что, отказавшись от этого проекта, человечество упустило ценную возможность.

Примерно в то же время, когда Конгресс расправился с SSC, налогоплательщики выложили около 150 млрд долларов на борьбу с кризисом в области банковского кредитования; эта сумма многократно превосходила те 10 млрд долларов, в которые обошелся бы Соединенным Штатам SSC. Для сравнения: годовой дефицит бюджета США составляет солидную сумму — 600 долларов на каждого американца, а война в Ираке обошлась в 2000 долларов на каждого гражданина страны. Если бы проект SSC был реализован, сегодня мы уже достигли бы гораздо более высоких энергий, чем когда?либо достигнет БАК. А вскоре мы оказались безоружными перед финансовым кризисом 2008 г. и спасательными акциями правительства, которые обошлись налогоплательщикам еще дороже.

Предварительная стоимость БАКа оценивалась в 9 млрд долларов и была вполне сравнима с предполагаемой стоимостью SSC. На каждого европейца приходится около 15 долларов стоимости коллайдера, или, как любит говорить мой коллега по Центру ядерных исследований Луис Альварес–Гауме, европейцы за каждый год строительства БАКа должны были платить не больше, чем за бутылку пива. Очень сложно оценить в деньгах стоимость фундаментальных научных исследований того типа, которые ведутся на БАКе, но ведь именно фундаментальные исследования подстегнули внедрение электричества, полупроводников, Всемирной паутины и практически всех остальных технических новшеств, изменивших нашу жизнь. Кроме того, фундаментальные исследования развивают научное и техническое мышление, которое затем распространяется на все сферы нашей экономики. Может быть, практические результаты исследований на БАКе трудно сформулировать словами, но его научный потенциал очевиден. Мне кажется, нам следует согласиться с тем, что в данном случае европейцы, скорее всего, выиграют, а не проиграют.

Реализация долгосрочных проектов невозможна без веры, упорства и ответственности. К сожалению, в Соединенных Штатах все труднее встретить подобные качества. Прежде американская мечта вела нас к необычайным научным и техническим достижениям. Однако разумное и необходимое долгосрочное планирование становится все более редким явлением. Следует признать, что Европейский союз умеет доводить свои проекты до логического конца. Проект БАКа был задуман четверть века назад и принят к исполнению в 1994 г., однако он настолько сложен и глобален, что лишь теперь начинает приносить плоды.

Более того, CERN сумел привлечь к участию в проекте не только 20 стран — членов Центра, но и 53 государства, не входящие в организацию; все они принимали участие в проектировании, строительстве и испытаниях оборудования; сейчас на БАКе работают ученые из 85 стран. США официально тоже не является членом CERN, но сейчас в основных экспериментах на БАКе американцев участвует больше, чем граждан какой бы то ни было другой страны.

Всего в работе задействовано около 10000 ученых — примерно половина всех физиков Земли, занимающихся элементарными частицами. Пятая часть от этих десяти тысяч работает в Центре на постоянной основе и живет поблизости. С пуском БАКа столовые Центра перестали справляться с нагрузкой; практически невозможно было пообедать, чтобы не задеть подносом другого физика.

Население Центра многонационально; приезжающего сюда американца поражает, как много различных языков можно услышать в кафе, лабораториях и переходах. Кроме того, американец обязательно заметит непривычную вещь: здесь все курят и пьют вино. Некоторые американцы отмечают также превосходное качество еды в местных кафе и еды вообще. Европейцы с их более изысканным вкусом, как правило, находят это утверждение сомнительным.

Среди многочисленных сотрудников и гостей Центра есть и инженеры, и администраторы, и, естественно, множество физиков, которые непосредственно занимаются экспериментами; также здесь работает более 100 физиков–теоретиков. Центр устроен по иерархическому принципу. Вопросами политики и главными стратегическими решениями занимаются старшие администраторы и Совет. Глава Центра — генеральный директор (DirectorGeneral, DG); для американца название этой должности слегка отдает комедией, но на самом деле все объясняется просто: под началом генерального директора работает немало простых директоров. Совет Центра — это руководящий орган, ответственный за основные стратегические решения, в частности за планирование. Особое внимание Совет уделяет Комитету научной политики — главному совещательному органу, который помогает оценивать эксперименты и их научную ценность.

Крупные экспериментальные сообщества с тысячами участников имеют собственную структуру. Работа в них распределяется в соответствии с детекторными компонентами или типом анализа. Конкретная университетская группа может, к примеру, отвечать за какую?то часть аппаратуры или за один из типов возможной теоретической интерпретации результатов. У ученых–теоретиков в CERN больше свободы, чем у экспериментаторов; каждый может работать над любой интересующей его темой. Иногда работа теоретиков имеет отношение к каким?то конкретным экспериментам, но в основном сфера их интересов — идеи, которые вряд ли получится экспериментально проверить в ближайшем будущем.

Тем не менее все без исключения специалисты по физике элементарных частиц с огромным интересом следят за развитием событий на БАКе. Они понимают, что будущие исследования в их области зависят от успешных экспериментов и открытий ближайших 10-20 лет. Они понимают масштабы задачи, но в глубине души согласны, что БАК как проект заслуживает самых восторженных оценок.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БАКа

Главным архитектором БАКа стал Лин Эванс. Я слышала одно из его выступлений в 2009 г., но встретиться с этим человеком мне довелось лишь на конференции в Калифорнии в начале января 2010 г. Момент был удачным — БАК наконец начал работать, и даже сдержанный валлиец Эванс светился радостью.

Лин прочел тогда чудесный доклад о тернистом пути, который ему пришлось преодолеть в процессе работы над Большим адронным коллайдером. Он рассказал о зарождении идеи коллайдера в 1980–х, когда CERN впервые официально рассмотрел вопрос о возможности его строительства. Затем следовал рассказ о событиях 1984 г., который большинство считает официальным началом истории БАКа. Тогда физики встретились в Лозанне с представителями отрасли машиностроения и представили им идею — столкнуть между собой два пучка протонов с энергией 10 ТэВ; позже целевая энергия была снижена до 7 ТэВ. Почти через 10 лет, в декабре 1993 г., физики представили в Совет Центра амбициозное предложение — построить БАК за десять лет. В то время план был отвергнут.

Первоначально одним из аргументов против строительства БАКа была серьезная конкуренция со стороны SSC. В октябре 1993 г., с закрытием американского проекта, этот аргумент потерял силу, и БАК стал единственным кандидатом на роль высокоэнергетического ускорителя. Многие физики тогда пришли к выводу, что этот проект может приобрести громадное значение. К тому же предварительные исследования оказались необычайно успешными. Робер Эймар [именно ему предстояло возглавлять Центр в период строительства коллайдера) собрал в ноябре 1993 г. новое совещание, которое пришло к выводу: Большой адронный коллайдер технически реализуем, экономически возможен и безопасен.

Главной трудностью при проектировании БАКа оказались разработка и производство в промышленных масштабах мощных магнитов, способных удержать ускоренные до высоких энергий протоны. Как мы уже видели в предыдущей главе, размеры существующего тоннеля поставили перед разработчиками сложнейшие технические задачи — ведь диаметр большого кольца был определен заранее, и поэтому требования к напряженности магнитного поля были очень жесткими. Лин радостно описывал нам «швейцарскую точность» первого десятиметрового дипольного магнита–прототипа, который инженеры и физики успешно испытали в 1994 г. Все работало как часы. При первом же пуске напряженность поля удалось поднять до целевого значения 8,73 Тл: начало было многообещающим.

Но, к несчастью, хотя европейское финансирование куда более стабильно, чем американское, непредвиденные трудности все же возникали. Так, бюджет Германии — главного донора Центра — пострадал в результате объединения страны (это произошло в 1990 г.). Германия урезала свои взносы в CERN и вместе с Великобританией выступила против любого серьезного увеличения расходов Центра. Кристофер Ллуэллин–Смит — британский физик–теоретик, сменивший нобелевского лауреата Карло Руббиа на посту генерального директора Центра, — как и его предшественник, активно поддерживал проект. Ллуэллин–Смиту удалось отчасти решить финансовую проблему за счет дополнительного финансирования со стороны Швейцарии и Франции — двух стран, на территории которых должен был разместиться коллайдер и которые должны были выиграть больше других в результате его строительства и работы.

На Совет Центра — и продемонстрированные технологии, и бюджетные вливания — произвели сильное впечатление, и проект БАКа был утвержден уже 16 декабря 1994 г. Более того, Ллуэллин–Смит и CERN убедили страны, не входящие в организацию, присоединиться к проекту. В 1995 г. к нему присоединилась Япония, в 1996 г. — Индия, затем Россия и Канада и, наконец, в 1997 г. за ними последовали и США.

Получив дополнительное финансирование, БАК смог обойти оговорку в первоначальном проекте, где предусматривалось два этапа строительства установки, причем на первом этапе предполагалось разместить лишь две трети магнитов. И с научной, и с финансовой точки зрения урезанное магнитное поле было неудачным решением, однако проектировщики пытались таким путем остаться в пределах ежегодных бюджетов. В 1996 г., когда Германия снова снизила свой вклад из?за дополнительных расходов, связанных с объединением, финансовые перспективы проекта стали мрачными, однако в 1997 г. CERN добился разрешения компенсировать эти потери, впервые в своей истории финансируя строительство за счет кредитов.

После истории с бюджетом Лин заговорил о более приятных вещах. Он описал первую пробную сборку диполей в декабре 1998 г. — испытание нескольких магнитов, собранных в единую работоспособную комбинацию. Успешное испытание этой сборки подтвердило жизнеспособность проекта и стало важной вехой в истории коллайдера.

В 2000 г. электронно–позитронный коллайдер LEP разобрали, чтобы освободить место для БАКа. И все же, несмотря на то что новый коллайдер был собран в уже существующем тоннеле и унаследовал от своего предшественника некоторую часть персонала, вспомогательных мощностей и инфраструктуры, потребовалось еще немало человеко–часов и ресурсов, прежде чем LEP превратился в БАК.

Строительство БАКа проходило в пять этапов. Сначала строители соорудили выемки и возвели конструкции для экспериментальных установок; затем были налажены коммуникации; на следующем этапе создали криогенную линию для охлаждения ускорителя. Ну и наконец установили все оборудование, включая диполи, все соединители и кабели, а затем система была протестирована в сборке.

Проектировщики CERN с самого начала составили очень точный график, который должен был скоординировать все этапы строительства. Но, как всем известно, «человек предполагает…» Надо ли говорить, что в данном случае все получилось именно так.

То и дело появлялись проблемы с финансированием. Помню, как в 2001 г. физиков охватили жуткое разочарование и тревога; тогда пришлось долго ждать ответа на вопрос, как быстро удастся разрешить возникшие серьезные проблемы с деньгами и продолжить строительство. Руководству Центра удалось справиться с перерасходом средств, но лишь за счет размаха деятельности Центра и его инфраструктуры.

Но даже после разрешения бюджетно–финансовых проблем строительство БАКа шло не слишком гладко. Периодически оно замедлялось из?за целой серии непредвиденных событий.

Никто из тех, кто был занят на сооружении полости для компактного мюонного соленоида CMS (Compact Muon Solenoid), не мог, разумеется, предположить, что экскаваторы наткнутся на остатки галло–римского дворца IV в. Строительство было приостановлено, чтобы археологи могли изучить найденное сокровище; были найдены, в частности, старинные очень ценные монеты. Судя по всему, галло–римляне вводили единую валюту более успешно, чем сегодняшние европейцы: ведь евро до сих пор не вытеснило ни британский фунт, ни швейцарский франк. Особенно раздражает это британских физиков, которые, приезжая в CERN, обнаруживают, что у них нет денег даже на такси.

По сравнению с проблемами CMS сооружение выемки под детектор ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus — Тороидальный аппарат для БАКа) в 2001 г. прошло относительно мирно. Конечно, для этого потребовалось вынуть и вывезти 300 000 тонн скальных пород. Единственная проблема, с которой столкнулись строители, состояла в том, что после выемки породы дно рукотворной пещеры начало потихоньку подниматься — со скоростью около 1 мм в год. Это вроде бы немного, но даже такое движение могло нарушить точную центровку элементов детектора. Поэтому инженерам пришлось устанавливать в котловане чувствительные метрологические датчики. Они настолько эффективны, что регистрируют не только движения детектора ATLAS. Например, они почувствовали, к примеру, цунами 2004 г. и вызвавшее его землетрясение на Суматре, а также более поздние цунами.

Процесс строительства детектора ATLAS глубоко под землей выглядел впечатляюще. Крышка «склепа» для установки была отлита на земле и подвешена на тросах, а стены возводились снизу, пока не достигли свода. В 2003 г. в честь завершения строительства был устроен настоящий праздник, на котором внутри пустого пока сооружения, отдаваясь эхом от стен, играл альпийский рожок; судя по рассказу Лина, это очень развеселило присутствующих. После этого сама экспериментальная установка была спущена по частям в эту подземную пещеру и собрана на месте.

А вот строительство CMS встречало на своем пути все новые проблемы. Во время земляных работ они возникали не раз; оказалось, что стройка ведется не только на месте ценных археологических находок, но и над подземной рекой. В тот год шли сильные дожди, и проектировщики, инженеры и физики с удивлением обнаружили, что 70–метровый шахтный ствол, предназначенный для доставки вниз материалов, самостоятельно погрузился еще на 30 см вниз. Пришлось заморозить грунт вокруг стенок ствола и таким образом стабилизировать его. Кроме того, была укреплена порода вокруг полости при помощи дополнительных опорных стенок и гигантских шурупов длиной до 40 м. Не удивительно, что строительство установки CMS продолжалось дольше запланированного.

Отчасти спасло ситуацию то, что сама установка CMS достаточно компактна, и экспериментаторы вместе с инженерами решили собрать ее заранее. Разумеется, на поверхности строить и ставить на место отдельные узлы установки намного проще и быстрее — ведь здесь достаточно места и можно многие операции проводить параллельно. Кроме того, можно было заниматься сборкой, не отвлекаясь на то и дело возникавшие проблемы с грунтом.

Однако нетрудно представить себе, сколь устрашающе выглядела перспектива спуска этой громадной установки в готовое гнездо — я как раз подумала об этом во время первого визита на CMS в 2007 г. В самом деле, опустить установку на место оказалось очень непросто. Самый крупный ее узел опускали в громадную выемку при помощи специального крана; происходило это ужасающе медленно, со скоростью 10 м в час. Без такого «черепашьего шага» и точнейшей системы мониторинга было не обойтись — ведь между установкой и стенками камеры был всего лишь десятисантиметровый зазор. С ноября 2006 г. по январь 2008 г. в камеру было опущено 15 крупных узлов детектора. Время было рассчитано точно, и последняя часть установки встала на место незадолго до запланированной даты пуска БАКа.

Вслед за проблемами CMS на строительстве самого БАКа в июне 2004 г. разразился новый кризис; были выявлены нарушения в системе распределения жидкого гелия, известной как QRL. Инженеры CERN, разбиравшиеся в проблеме, обнаружили, что французская фирма, строившая систему, заменила проектный материал тем, что Лин назвал «пятидолларовой времянкой». Новый материал пошел трещинами, что привело к термическому сжатию внутренних труб. Дефектная деталь оказалась не единственной, и проверять пришлось все соединения в системе.

К тому моменту криогенная линия была уже частично установлена, а многие детали изготовлены и дожидались своей очереди на складах. Чтобы избежать новых задержек, инженеры решили сами отремонтировать уже изготовленные компоненты. Работа по изготовлению новых деталей, а также необходимость извлекать и заново устанавливать крупные узлы оборудования обошлись проекту в годовую задержку. По крайней мере это намного меньше, чем те десять лет, на которые могла бы, по мнению Лина и др., растянуться вся эта история, если бы в дело вступили юристы.

Без труб и готовой криогенной системы устанавливать магниты было невозможно. Поэтому 1000 магнитов стояла на парковочной площадке Центра, дожидаясь своей очереди. Даже с учетом того, что на местной парковке частенько гостят представительские BMW и «Мерседесы», ничего дороже, чем эти магниты суммарной стоимостью миллиард долларов, эта площадка никогда не видела. Никто их не украл, но открытая парковка — не лучшее место для хранения высокотехнологичного оборудования; это неизбежно повлекло за собой новые задержки, связанные тем, что магниты перед установкой пришлось восстанавливать до первоначального состояния.

В 2005 г. возник еще один едва ли не фатальный кризис, на этот раз связанный с внутренним триплетом, изготовленным в американской Лаборатории имени Ферми и в Японии. Внутренний триплет обеспечивает окончательную фокусировку протонных пучков перед столкновением. Он состоит из трех квадрупольных магнитов, снабженных криогенной системой и системой распределения энергии, — отсюда и название. Этот самый внутренний триплет не выдержал вакуумных испытаний. Хотя отказ, естественно, означал неприятности и задержки, инженеры все же смогли привести триплет в норму прямо в тоннеле, так что потери времени оказались не такими уж большими.

В целом 2005 г. оказался более успешным, чем его предшественник. В феврале была сдана под монтаж камера для CMS. Тогда же произошло и другое знаковое событие — в тоннель был спущен первый криодипольный магнит. Без магнитной конструкции БАК невозможен, поэтому установке и наладке криодипольных магнитов придавалось громадное значение. Благодаря тесному сотрудничеству Центра с частными промышленными предприятиями магниты были изготовлены в срок и обошлись сравнительно недорого. Конструкция магнита была разработана в Центре ядерных исследований, но производились они на предприятиях Франции, Германии и Италии. Первоначально (в 2000 г.) инженеры, физики и конструкторы CERN разместили заказ на 30 диполей, которые затем тщательно исследовали с точки зрения качества и стоимости; лишь после этого (в 2002 г.) была заказана основная масса магнитов — более тысячи штук. Стремясь обеспечить качество, единообразие и минимизировать цену, CERN сохранил за собой ответственность за заказ основных компонентов и сырья. При этом Центру пришлось перевезти по Европе 120 000 т различных материалов — десять больших фур каждый день колесили по европейским дорогам на протяжении четырех лет. И это всего лишь небольшая часть предприятия по строительству БАКа.

После доставки готовые магниты были протестированы и аккуратно опущены через вертикальную шахту в тоннель у подножья гор Юра. Оттуда на специальных тележках их доставляли на свои места вдоль тоннеля. Поскольку магниты огромны и лишь несколько сантиметров отделяло их при транспортировке от стенок тоннеля, тележки управлялись автоматически; ориентировались они по нарисованной на дне тоннеля линии, которую распознавали оптические датчики. Чтобы по возможности избежать вибраций, тележка двигалась со скоростью около мили в час. Это означает, что на транспортировку магнита от места спуска на противоположную сторону кольца уходило семь часов.

В 2006 г., после пяти лет строительства, был получен последний из 1232 диполей. В 2007 г. главной новостью стало то, что последний магнит опущен в тоннель и установлен на место; затем было успешно проведено первое пробное охлаждение до целевой температуры -271 градусов по Цельсию секции ускорителя длиной 3,3 км. Тогда же впервые все кольцо магнитов было подключено к источнику энергии, и в обмотках сверхпроводящих магнитов пробной секции тоннеля начали циркулировать токи в несколько тысяч ампер. Это событие по традиции тоже было отпраздновано с шампанским.

Непрерывный охлаждающий контур был замкнут в ноябре 2007 г., и все шло неплохо, пока не грянула новая катастрофа, связанная на этот раз с так называемыми стыковочными модулями ???. Мы в США не всегда очень уж внимательно отслеживали ситуацию на БАКе, но на этот раз новость разлетелась мгновенно. Коллега из Центра поделился со мной серьезной обеспокоенностью: специалисты опасались, что отказ одного из элементов конструкции может обернуться глобальной проблемой. Что если аналогичные элементы по всей длине кольца имеют тот же производственный дефект?

Проблема связана с температурной разницей почти в 300 градусов между только что собранным «теплым» коллайдером и тем же коллайдером в охлажденном рабочем состоянии. Естественно, такая разница очень сильно действует на материалы, из которых изготовлена установка. Так, металлические части сжимаются при охлаждении и расширяются при нагревании. Сами диполи во время рабочей фазы уменьшаются в размерах на несколько сантиметров. Для 15–метрового объекта это, казалось бы, немного, но для поддержания сильного и однородного магнитного поля, способного корректно провести протонные пучки по тонкой трубке, обмотки должны быть расположены в пространстве с точностью до десятой доли миллиметра.

Чтобы компенсировать тепловое охлаждение и нагрев, диполи снабжены специальными пальцами, которые частично выходят из пазов, обеспечивая электрический контакт при охлаждении установки, а при нагреве вновь прячутся в пазы. Однако из?за некачественных заклепок эти пальцы, вместо того чтобы уйти в пазы, были смяты. Хуже того, из?за этого могли пострадать все соединения, и было совершенно не ясно, какие из них дефектны, а какие нет. Стояла сложнейшая задача — распознать и заменить каждую дефектную заклепку, не затягивая при этом работы на многие годы.

К чести инженеров Центра, они нашли простой способ воспользоваться существующими электрическими датчиками, установленными вдоль траектории пучка через каждые 53 м и обеспечивающего работоспособность электроники при пролете пучка. Инженеры изготовили специальный прибор размером с шарик для пинг–понга с генератором импульсов внутри, который мог перемещаться по той самой трубке, по которой должен был двигаться протонный пучок. Гонимый сжатым воздухом, «шарик» мог пройти целый сектор длиной 3 км, вызывая срабатывание электроники при прохождении каждого датчика. Если же электроника не регистрировала его на очередном контрольном пункте, это означало, что прибор уткнулся в разрушенный «палец». После этого инженеры приступали к ремонту на конкретных стыках, не вскрывая каждое соединение вдоль трассы.

После разрешения этой проблемы дорога к пуску БАКа, казалось, была расчищена. Все оборудование смонтировали, и коллайдер можно было запускать. В 2008 г. множество людей на планете держало за БАК кулаки; наконец?то пришло время первого пробного пуска.

СЕНТЯБРЬ 2008–го: ПЕРВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Большой адронный коллайдер формирует протонные пучки и по-, еле серии ускоряющих «толчков» «впрыскивает» их в финальный кольцевой ускоритель. Там эти пучки направляются по кольцевой траектории вдоль тоннеля, чтобы, сделав крут, возвратиться в точности в ту же точку. Протоны получают возможность многократно пройти по кольцевому маршруту, прежде чем их начнут периодически отклонять и весьма эффективно сталкивать. Необходимо было последовательно протестировать каждый из этих этапов.

Первой вехой на этом пути стала проверка того, действительно ли пучки протонов могут циркулировать по тоннелю. Оказалось, что могут. Поразительно, но, когда после многих лет борьбы и с техническими, и с финансовыми проблемами в сентябре 2008 г. CERN запустил установку, два протонных пучка были сформированы практически без сучка, без задоринки; результат превзошел все ожидания. В тот день впервые два пучка протонов по очереди прошли по громадному тоннелю в противоположных направлениях. На этом шаге ввели в действие механизм инжекции; запустили средства управления контроля; убедились, что магнитное поле может удержать протоны на трассе, а магниты имеют заданные параметры и работают синхронно. В первый раз эта последовательность событий была реализована вечером 9 сентября. Все работало по плану или даже лучше на следующий день, когда проводились испытания.

Все, кто участвовал в проекте, описывают 10 сентября 2008 г. как день, который они никогда не забудут. Приехав в Центр через месяц, я на каждом шагу слышала рассказы об эйфории, охватившей в тот день всех. Люди с невероятным возбуждением следили за двумя световыми точками на экране компьютера. Первый пучок почти сумел вернуться в точку старта; потребовалась лишь небольшая подстройка, и менее чем через час пучок стал идти в точности по расчетной траектории. Сначала он проходил кольцевую трассу лишь несколько раз, но каждый последующий «впрыск» немного подправляли, и это число без проблем достигло нескольких сотен. Вскоре после этого удалось настроить и второй пучок; на это потребовалось около полутора часов.

Лин был так счастлив, что не подумал о передаче, которая велась в прямом эфире из пультовой коллайдера, где инженеры следили за отработкой проекта. Передача оттуда шла напрямик в Интернет, где за ними мог следить любой желающий. За точками на экранах компьютеров следило так много людей, что сайт Центра рухнул. Люди по всей Европе завороженно наблюдали за тем, как инженеры настраивали траектории протонных пучков, чтобы частицы двигались точно по кольцевой траектории. В самом Центре в это время царило ликование; физики и инженеры собирались в аудиториях, чтобы следить за происходящим на экранах. В этот момент перспективы коллайдера представлялись по–настоящему радужными. Но всего девятью днями позже эйфорию сменило настоящее отчаяние.

Предстояло провести два новых значительных испытания. Во-первых, пучки в кольце БАКа следовало разогнать до более высоких энергий, чем в первом испытании, где протоны вообще не разгонялись, а циркулировали по кольцу с той же энергией, с какой туда попали. Вторая часть плана предусматривала столкновение пучков, которое, разумеется, должно было стать самой серьезной вехой на пути к полноценной работе коллайдера.

Однако в последний момент —19 сентября — испытание было сорвано, несмотря на все усилия и предусмотрительность инженеров. Причем неудача была катастрофической. Простая ошибка при пайке медной оболочки, соединяющей два магнита, и недостаточное количество работающих выпускных клапанов в емкости с жидким гелием — и первое столкновение протонов состоялось лишь через год!

Когда ученые начали увеличивать ток в последнем восьмом секторе, «полетела» силовая шина между двумя магнитами. Силовая шина — это сверхпроводящий провод, соединяющий пару сверхпроводящих магнитов (рис. 27). Виной всему—некачественное сращение кабеля между двумя магнитами. На месте плохого контакта возникла электрическая дуга, пронзившая контейнер с гелием и внезапно превратившая 6 т жидкого гелия, которые в обычных условиях нагревались бы постепенно, в газ. Сверхпроводимость была потеряна.


РИС. 27. Силовая шина соединяет магниты между собой. Авария 2008 г. произошла из?за плохой пайки на одном из таких соединений

Громадное количество гелия, одновременно превратившееся в газ, породило сильнейший гидравлический удар — практически взрыв. Меньше чем за 30 секунд энергия этого удара сдвинула с места несколько магнитов и уничтожила вакуум в протонной трубке, повредила изоляцию и испортила 600 м трубки сажей. 10 диполей были уничтожены полностью, а еще 29 повреждены так сильно, что их пришлось заменить. Ясно, что на подобный исход никто не рассчитывал. В зале управления, кстати говоря, даже не подозревали о происходящем, пока кто?то не заметил, что из?за истекающего в тоннеле гелия выключился один из компьютеров. Вскоре присутствующие поняли, что пучок тоже пропал.

Дополнительные подробности этого печального происшествия я узнала через несколько недель, во время очередного посещения Центра. Не забывайте, кстати, что конечная цель коллайдера и происходящих в нем столкновений — это концентрация в одной точке 14 ТэВ (14 трлн электрон–вольт) энергии в системе отсчета, связанной с центром масс. В первом пуске решено было провести столкновение на энергии всего лишь около 2 ТэВ, чтобы убедиться, что все работает как надо. Позже, во время рабочих пусков, инженеры планировали увеличить энергию столкновения до 10 ТэВ (по 5 ТэВ на пучок).

Однако из?за поломки трансформатора 12 сентября произошла небольшая задержка, и планы изменились. Несколько дней, пока в тоннеле шли ремонтные работы, ученые продолжали испытывать секторы по отдельности, доводя показатели до величин, соответствовавших энергии пучка 5,5 ТэВ, и успели опробовать семь секторов из восьми. Они убедились, что все семь секторов способны работать в расчетном режиме при высоких энергиях; на восьмой сектор времени не хватило. Тем не менее было решено двигаться вперед и, поскольку никаких проблем выявлено не было, в первом же пробном пуске провести высокоэнергетические столкновения.

Все работало прекрасно до тех пор, пока инженеры не попытались вывести последний сектор на высокоэнергетический режим. Авария, надолго выведшая коллайдер из строя, произошла, когда поступила команда поднять энергию пучка примерно до 5,5 ТэВ; для этого ток в обмотках магнитов нужно было увеличить с 7000 до 9300 А. Это был, по существу, последний момент, когда что?то неожиданное еще могло случиться, — и оно случилось!

За год все в тоннеле было приведено в порядок; ремонтные работы обошлись примерно в 40 млн долларов. Проект располагал достаточным количеством запасных магнитов, чтобы заменить те 39 штук, которые уже невозможно было отремонтировать. В сумме замены потребовали 53 магнита (14 квадрупольных и 39 дипольных), расположенные в аварийном секторе тоннеля. Кроме того, пришлось очистить больше 4 км вакуумной трубки, установить новые ограничители на 100 квадрупольных магнитов и добавить 900 новых предохранительных клапанов для стравливания давления гелия. Было также установлено 6500 новых датчиков, обеспечивающих безопасность магнитной системы.

Самый большой риск, пожалуй, представляло наличие в системе 10 000 соединений между магнитами, каждое из которых потенциально могло вызвать те же проблемы. Опасность была выявлена, но можно ли было сказать наверняка, что проблема не возникнет вновь где?нибудь в другой точке кольца? Необходимо было предусмотреть механизмы, способные выявить эту проблему, прежде чем она приведет к аварии. Инженеры CERN приняли вызов и вновь оказались на высоте. Теперь доработанная система регистрирует даже крохотные падения напряжения, свидетельствующие о присутствии сопротивления в каких?то соединениях и возможном нарушении герметичности криогенной системы, охлаждающей установку до рабочих температур. Однако было решено еще немного отложить пуск коллайдера, чтобы доработать систему выпускных гелиевых клапанов и проверить лишний раз все контакты, а также медные кожухи самих магнитов. Конечно, это означало, что высшие энергии столкновений, на которые рассчитан БАК, будут достигнуты позже. Тем не менее новые системы, призванные отслеживать и стабилизировать состояние коллайдера, дали Лину и другим ученым уверенность в том, что в системе не возникнет критическое давление и катастрофы даже в самых тяжелых условиях удастся избежать.

В каком?то смысле нам всем повезло, что инженеры и физики сумели устранить все эти недостатки, прежде чем коллайдер был выведен на рабочий режим, а экспериментальные установки подверглись облучению. Взрыв обошелся в год задержки, в течение которого ученые не могли гонять по тоннелю реальные пучки и пробовать их сталкивать. Год есть год, но, если говорить о поиске фундаментальной теории вещества, который ведется уже 40 лет, это совсем немного — а ведь человек пытается проникнуть в тайны Вселенной уже не одну тысячу лет.

21 октября 2008 г. администрация CERN провела все же одно запланированное заранее мероприятие. В тот день я вместе с полутора тысячами других физиков и мировых лидеров присутствовала на праздновании официального открытия БАКа недалеко от Женевы, которое было с немалым оптимизмом заранее — за несколько лет — запланировано на эту дату. Естественно, когда событие планировалось, никто не мог предвидеть, что за несколько недель до торжества произойдут катастрофические события. Праздничный день был полон торжественных речей, музыки и — что важно на любом культурном событии в Европе — хорошей еды. Несмотря на тревоги, связанные с сентябрьским инцидентом, все были полны оптимизма и надеялись, что эксперименты на коллайдере прольют свет на некоторые из тайн, окружающих темное вещество и фундаментальные природные взаимодействия.

Многие сотрудники Центра были недовольны тем, что празднование пришлось на такое трудное и тревожное время, но я считала, что это событие — символ успеха международного сотрудничества. Праздник был устроен не в честь великих открытий; он должен был подчеркнуть потенциал БАКа и энтузиазм, с которым множество стран приняли участие в его создании. Некоторые речи звучали поистине вдохновляюще. Так, французский премьер–министр Франсуа Фийон отметил значение фундаментальных исследований и то, что мировой финансовый кризис не должен мешать научному прогрессу. Президент Швейцарии Паскаль Кушпен говорил о благородном труде на благо общества. Профессор Жозе Мариану Гагу, португальский министр науки, техники и высшего образования, говорил о том, что наука выше бюрократии, а стабильность необходима для по–настоящему крупных научных проектов. Многие иностранные партнеры в тот день впервые посетили CERN. Рядом со мной во время церемонии сидел человек, работавший в Женеве в представительстве Евросоюза, но ни разу прежде не бывавший в Центре. После знакомства с Центром он сказал мне, что собирается в самом ближайшем будущем вновь приехать туда с друзьями и коллегами.

НОЯБРЬ 2009–го: НАКОНЕЦ–ТО ПОБЕДА

Вновь дело дошло до запуска БАКа 20 ноября 2009 г., и на этот раз все прошло с поразительным успехом. Мало того, что протонные пучки впервые за год закружились по тоннелю… Через несколько дней они наконец столкнулись, породив потоки частиц, которые направились прямиком в экспериментальные детекторы. Лин признал, что БАК работает даже лучше, чем он ожидал; это замечание показалось мне несколько странным—удивительно слышать такое от человека, трудами которого эта замечательная установка воплотилась в жизнь.

Маурицио Пьерини, молодой итальянский ученый, объяснил мне, что имел в виду Лин. Тесты, которые при настройке LEP в 1980–е годы заняли 25 суток (тогда по этому же тоннелю циркулировали пучки электронов и позитронов), на этот раз завершились меньше чем за неделю. Протонные пучки получились замечательно точными и стабильными. И все протоны послушно двигались по заданной траектории — отклонений почти не было. Оптика работала, стабильность сохранялась, трасса была восстановлена успешно. Реальные пучки полностью соответствовали тому, что показывали компьютерные модели.

Надо сказать, что экспериментаторы были очень удивлены, когда в 17:00 в воскресенье, всего через пару дней после начала новых испытаний, им сообщили, что на следующий день будут проведены первые столкновения. Считалось, что между возобновлением генерации пучков после аварии и первыми реальными столкновениями, которые можно будет наблюдать и измерить, должно пройти какое?то время. А оказалось, что возможность испытать регистрирующую аппаратуру на реальных протонных пучках — а не на космических лучах, которыми экспериментаторы пользовались, ожидая пуска коллайдера — уже близка. Однако сообщили им об этом только накануне, а это означало, что нужно срочно перенастраивать компьютерные триггеры, которые должны сообщать компьютерам, какие именно столкновения интересуют экспериментаторов. Маурицио живо описал охватившую всех тревогу: ведь никто не хотел упустить первую реальную возможность провести эксперимент. На тэватроне, к примеру, результаты первого теста оказались испорчены из?за случайного совпадения частот циркуляции пучка и записывающей системы. Никому не хотелось повторения подобной неудачи. Конечно, наряду с тревогой все заинтересованные лица чувствовали сильнейшее возбуждение.


РИС. 28. Краткий очерк истории БАКа

23 ноября 2009 г. в Большом адронном коллайдере наконец-то произошло первое столкновение частиц. Миллионы протонов столкнулись со встречным сгустком таких же протонов при инжекционной энергии в 900 ГэВ. Это означало, что после многих лет ожидания запланированные эксперименты нач

нут записывать результаты первых протонных столкновений в кольце БАКа.

Вскоре после этого протоны в кольце начали слегка разгонять; сначала были получены пучки с энергией 1,18 ТэВ — самые высокоэнергетические циркулирующие пучки за всю историю исследований. Всего через неделю после первых столкновений, 30 ноября, эти высокоэнергетические протоны встретились. Суммарная энергия столкновения, составившая 2,36 ТэВ, превзошла все ранее достигнутое и побила рекорд Лаборатории имени Ферми, продержавшийся восемь лет.

Результаты столкновения пучков регистрировали три различных детектора, и за следующие несколько недель были зафиксированы десятки тысяч таких столкновений. Эти столкновения, конечно, не обещали новых физических теорий, но оказались невероятно полезны для тестирования экспериментальных детекторов и исследования фона Стандартной модели — событий, которые не раскрывали еще ничего нового, но могли бы в принципе помешать реальным открытиям.

Физики–экспериментаторы всего мира с радостью встретили успех БАКа и достигнутые на нем рекордные энергии. Примечательно, кстати, что этот результат был получен в последний момент — еще чуть–чуть, и в середине декабря установку предстояло остановить до марта будущего года, так что вопрос стоял просто: либо декабрь, либо ждать еще несколько месяцев. Джефф Ричман, экспериментатор из Санта–Барбары, работающий на БАКе, рассказал мне об этом на конференции по темной материи. Оказалось, что он заключил пари с одним физиком из Лаборатории имени Ферми о том, сможет ли БАК до конца 2009 г. получить более высокоэнергетические столкновения, чем тэватрон в Фермилабе. По его веселому настроению было ясно, кто выиграл пари.

18 декабря 2009 г. волна интереса временно спала — после того судьбоносного прогона БАК был закрыт на каникулы. Лин Эванс завершил свой рассказ обсуждением планов на 2010 г. и обещанием заметно повысить энергию столкновений. Планировалось до конца года поднять ее до 7 ТэВ — значительный рост по сравнению с тем, чего удавалось достичь ранее. Эванс был оптимистичен и уверен в себе и в коллайдере — как оказалось, не без оснований; установка действительно без проблем подняла энергию до этой цифры.

После множества затруднений и задержек Большой адронный коллайдер начал наконец работать по графику (см. хронику проекта на рис. 28). Предполагалось, что вплоть до 2012 г. БАК будет работать на энергии 7 ТэВ или, возможно, чуть больше, а потом закроется по крайней мере на год для подготовки к работе на более высоких энергиях[33]. После этого инженеры попытаются поднять энергию столкновения как можно выше и довести ее по возможности до запланированных 14 ТэВ, а также поднять интенсивность пучка, чтобы увеличить число столкновений.

После повторного пуска в 2009 г. и детекторы, и сама установи ка работали как часы, так что заключительные слова Лина прозвучали вполне убедительно: «Приключения, связанные со строительством БАКа, завершились. Пришло время приключений, связанных с научными открытиями».

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 4.278. Запросов К БД/Cache: 3 / 0
Вверх Вниз