Крупнейший на планете адронный коллайдер закрыт на модернизацию. А что будет после открытия?

Крупнейший на планете адронный коллайдер закрыт на модернизацию. А что будет после открытия?

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.

Центральная часть внутреннего трекера CMS, самого тяжелого детектора Большого Адронного Коллайдера. Фото: Maximilien Brice /© 2006 CERN
Центральная часть внутреннего трекера CMS, самого тяжелого детектора Большого Адронного Коллайдера. Фото: Maximilien Brice /© 2006 CERN

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 прозвучала сирена. 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 Абдилла 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. Поиски причины тревоги продолжались около часа — оказалось, что в туннеле сработал датчик уровня кислорода, но вниз нам спуститься уже не дали.

Купол здания исследовательского центра CERN (27 метров в высоту и 40 метров в диаметре) символизирует Землю
Купол здания исследовательского центра CERN (27 метров в высоту и 40 метров в диаметре) символизирует Землю

Сам ЦЕРН похож на город, на въезде вас встретит шлагбаум с охранником, который проверит пропуск или бронь в местной гостинице-общежитии. «Раньше было проще, — говорят 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 («Сфера 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. 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.

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? Выяснилось, что на Севере, на наших военно-морских предприятиях, скопилось много стреляных гильз, вот их и переплавили.

«В свое время, когда американцы грозили СССР “звездными войнами”, академик Велихов предложил  разместить на орбите лазерное оружие. Для лазеров нужны были специальные кристаллы, — рассказал мне 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».

Последние наладочные работы на SMACC (Superconducting Magnets and Circuits Consolidation)
Последние наладочные работы на SMACC (Superconducting Magnets and Circuits Consolidation)

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 Гбайт) в год, что потребовало бы для записи 20-километровую стопку CD-дисков. Честь открытия бозона Хиггса принадлежит совместно ATLAS и CMS, в составе этих коллабораций много ученых из России. Всего за 60 лет в ЦЕРНе поработало больше тысячи российских специалистов. Детектор ATLAS 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, много лет 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», регистрирует 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.

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. 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. Но бозон Хиггса был открыт одновременно и группой ATLAS, и группой CMS. Владимир Гаврилов (CMS) подчеркивает важность того, что две независимые коллаборации работали над этой задачей одновременно. «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 лаборатория, она дает вам ускоритель, а коллаборации — это отдельные государства ученых со своей конституцей, своими финансами, менеджментом. 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.


Профессор Франсуа Энглер, лауреат Нобелевской премии (полученной за открытый на БАК бозон Хиггса)
БУДУЩЕЕ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

Уже полтора года коллайдер не работает, инженеры и техники проверяют и заменяют оборудование. «Мы собираемся запустить первые пучки в январе 2015 года. Когда придут первые интересные результаты, я не знаю. Энергия коллайдера будет увеличена почти вдвое — от 7 до 13 ТэВ, — это, по сути, новая машина», — 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». По его словам, «ЦЕРН не то чтобы игнорировал, но старался держаться как можно дальше от любых политических вопросов. С самого основания ЦЕРНа, когда между Западом и Востоком было разделение, представители с обеих сторон могли работать здесь 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».

***

В статье использована брошюра LHC The guide. Электронная версия — на сайте cdsweb.cern.ch/record/1165534.

Наталия Демина — научный журналист «Полит.ру», выпускающий редактор газеты «Троицкий вариант — Наука»

БОЗОН ХИГГСА НАШЛИ, ПОТОМУ ЧТО ЗНАЛИ, ГДЕ ИСКАТЬ

Комментарий Владимира Гаврилова, руководителя группы ИТЭФ в эксперименте CMS, руководителя лаборатории экспериментальной ядерной физики высоких энергий ИТЭФ

— Удастся ли что-то сделать на БАКе за 10 лет? Поймем ли мы что-то новое про темную материю и энергию?

— Что касается темной материи, то нужно найти соответствующие частицы, которые являются переносчиками этой темной материи. Их поиски ведутся в разных местах, в том числе и на БАКе. Их ищут с помощью экспериментов под землей, в шахтах, где низкий фон от космического излучения.

К сожалению, когда мы пытаемся связать эту темную материю с тем, что ожидаем увидеть в рамках теории физики элементарных частиц, то видим очень большую неопределенность в параметрах этих частиц. Какую-то часть параметров мы «закроем», но какая-то останется неизвестной.

В чем было преимущество поиска бозона Хиггса? У нас были результаты экспериментов на других коллайдерах (особенно Тэватрона в Фермилабе, США), которые с достаточно хорошей точностью предсказали, что бозон нужно искать на энергиях от 100 до 150 ГэВ. На этот диапазон энергии все и были нацелены, частица оказалась в том месте, где и предсказано, нужно было просто получить необходимое количество столкновений протонов, зарегистрировать их, обработать и выдать результат. Ясно, что мы не знали всё точно, но мы знали примерно, где искать.

Здесь же отличие в том, что область возможных параметров такая, что мы не уверены, что нам хватит новой энергии БАКа в 13 ТэВ. Возможно, что нам повезет и мы что-то можем увидеть после модернизации БАКа, но каковы наши шансы, предсказать трудно. Если мы здесь обнаружим суперсимметричные частицы, тогда вопрос темной материи будет решен.

Что же касается темной энергии, то тут ситуация совершенно непонятная. За ней, скорее всего, стоят не частицы, это некое свойство вакуума — как принято говорить, внутренняя энергия, которая заставляет ускоренно расширяться нашу Вселенную. Но это лишь гипотеза, потому что наблюдать темную энергию никак нельзя. Темная энергия — вещь  нематериальная, в отличие от темной материи.



Фото: Наталья Демина, Yamakazi Yasunori/© 2014 CERN, Atlas Experiment © 2014 CERN, Maximilien Brice/© 2014 CERN, Jean-Claude Rifflard /© 2012 CERN, Maximilien Brice /© 2014 CERN

ВЛИЯНИЕ ЛУНЫ

Новолуния и полнолуния вызывают изменения в длине окружности БАКа на 1 мм, и это сказывается на энергии пучков. Такие вариации вызваны подъемом земной коры вокруг Женевы примерно на 25 см из-за прилива грунтовых вод. Так что физикам приходится учитывать влияние Луны в своих расчетах.

На иллюстрации: Вот что примерно происходит при столкновениях частиц на БАК



ЭТО НАДО ЗНАТЬ

ЦЕРН, СERN (the European Organization for Nuclear Research) — европейская организация по ядерным исследованиям. Создана 29 сентября 1954 года. В ее работе приняли участие свыше 10 тыс. исследователей из более чем 110 стран.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) — крупнейший детектор на БАКе и в мире. Его диаметр соcтавляет 26 м, длина — 46 м, вес — более 8 тыс. тонн. На ATLAS работают около 3 тыс. научных сотрудников и инженеров из 38 стран.

CMS (the Compact Muon Solenoid Experiment) — самый тяжелый детектор на БАКе. Его вес почти в два раза больше веса Эйфелевой башни. Около 3 тыс. научных сотрудников и инженеров из 40 стран работают в коллаборации.

LHCb (Large Hadron Collider beauty) — детектор весом 5600 тонн, 21 м в длину, 10 м в высоту и 13 м в ширину. Специализируется на изучении асимметрии между материей и антиматерией, наблюдаемой при взаимодействии B-частиц. 9 апреля 2014 года сотрудники этого эксперимента подтвердили существование экзотического адрона Z(4430) — частицы, не описываемой традиционной кварковой моделью.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — детектор весом 10 тыс. тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину, специализируется на исследовании столкновений ядер свинца. На нем изучают свойства кварк-глюонной плазмы, в которой кварки и глюоны, уже не связанные в адроны, находятся при очень высокой температуре и плотности. Видимо, именно такая плазма была в первые мгновения после Большого взрыва.

TOTEM (TOTal Elastic and diff ractive cross section Measurement) — несколько детекторов общим весом 20 тонн, длиной 440 м, высотой 5 м и шириной 5 м. Их задача — детектирование частиц, пролетающих в непосредственной близости от протонных пучков на БАКе.

ТэВ (тераэлектронвольт, 1012 эВ) — количество энергии, с которой протоны разгоняются в кольце БАКа. Рекорд — 8 ТэВ. Это суммарная энергия столкновений двух пучков протонов вперые достигнута в ЦЕРНе 16 марта 2012 года.
 
# Вопрос-Ответ