Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БАКа

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.