Фото №1 - Коллайдер после жизни
Для того, чтобы установить в вырытом под Большой электрон-позитронный коллайдер LEP тоннеле новые детекторы, тоннель пришлось в некоторых местах значительно перестроить.
Фото
Patrice Loiez/© CERN

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) нередко называют самой большой и самой дорогой в истории человечества экспериментальной установкой. Общая стоимость проекта оценивается сейчас в $10 млрд. Однако это не единственная столь дорогостоящая установка. Во Франции строится ненамного более дешевый международный токамак ITER , в Дубне скоро начнется сооружение Международного линейного коллайдера (ILC), который обойдется правительствам стран-участниц в $6–8 млрд, а в подмосковном Протвине уже 20 лет простаивает вырытый под последний советский ускоритель 22-километровый тоннель. Есть и американский пример подобной расточительности — в 1993 году был остановлен один из самых дорогих проектов, суперколлайдер (SSC), на который к тому моменту уже было потрачено более $2 млрд. Неужели же, едва только эксперимент завершен (так или иначе, успешно или так и не успев начаться), о потраченных на его проведение средствах можно забыть? Уникальное экспериментальное оборудование отправится в лом? А между тем истории известны случаи весьма эффективного вторичного использования старых установок.

Полет ядра в магнитном поле

Экспериментальное исследование атомной структуры материи, оказавшееся столь важным для науки и для человеческой цивилизации двадцатого столетия, началось с работ великого английского физика Эрнеста Резерфорда (Ernest Rutherford, 1871–1937). Одно из своих первых открытий в атомной физике — существование трех компонент у радиоактивного излучения (альфа-, бета- и гамма-) — Резерфорд сделал в «канадский» период своей научной биографии, будучи профессором Макгильского университета (McGill University). В начале 1902 года, помещая радиоактивные образцы в различные поля, он заметил расщепление единого излучения на три явно по-разному взаимодействующие с полями компоненты. Две из них, — альфа и гамма — как следовало из экспериментов, никак не отклонялись магнитным полем. С гамма-излучением было более или менее ясно — это электромагнитные волны. Но альфа-лучи представляли определенную загадку: основываясь на наблюдении, можно было заключить, либо что альфа-частицы не имеют заряда, либо что их масса очень велика. Интуиция не подвела Резерфорда: в статье, опубликованной в июле 1902 года, он вполне уверенно заявляет, что альфа-частицы, несомненно, заряжены, но магнит в его лаборатории слишком слаб, а потому обусловленное магнитным полем искривление траектории альфа-частиц было незначительным и выходило за пределы возможностей измерительных приборов.

Осенью того же года Резерфорд познакомился с молодым профессором Оуэнсом (R. B. Owens), возглавлявшим электротехническую лабораторию Макгильского университета, и попросил его о содействии в организации эксперимента. Тот отдал соответствующие распоряжения и сотрудники лаборатории демонтировали самую большую в университете динамо-машину мощностью в 30 кВт — с тем, чтобы Резерфорд мог использовать её постоянный магнит. Поле магнита оказалось уже достаточно сильным, и альфа-частицы действительно начали двигаться по искривленным траекториям — Резерфорд смог в своей следующей статье написать: «…Благодаря доброте профессора Оуэнса … я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи». Эта история навсегда вписала имя профессора электротехники Оуэнса в историю атомной физики. Магнит же вернулся на свое законное место в динамо-машине.

Фото №2 - Коллайдер после жизни
Импульсный генератора переменного тока был запатентован Петром Леонидовичем Капицей в 1927 году, когда он работал в лаборатории Резерфорда

Спустя два с лишним десятилетия, уже в Кембридже, Резерфорд вновь столкнулся с проблемой мощных магнитов. Его молодой сотрудник Петр Капица (1894–1984) нуждался для своих экспериментов в сильных магнитных полях. Электромагниты, которые ему были нужны, не у кого было одолжить, их просто не существовало. Авторитет Резерфорда в Англии был к тому времени исключительно высок, ему удалось получить необходимое финансирование, и магниты изготовили специально для Петра Капицы. Размер (а также и стоимость) магнитов были существенно больше привычных для коллег Капицы параметров экспериментальных установок. Как уже позже заметил по этому поводу академик Исаак Халатников, «Капица был, по-видимому, первым физиком, который изменил масштаб эксперимента».

Прецедент суперколлайдера

Последующая история атомной физики стала наглядной демонстрацией тех возможностей, которые скрывали в себе эксперименты Эрнеста Резерфорда. Перед учеными были открыты поистине безграничные источники финансирования. Гигантские и необычайно дорогие экспериментальные установки стали обычным инструментом в физике элементарных частиц и в первую очередь это касалось ускорителей. Неудивительно поэтому, что принятое в 1993 году американскими конгрессменами решение прекратить строительство протонного суперколлайдера проектной мощностью в 40 ТэВ стало для физического сообщества настоящим шоком.

Вскоре после этого пальма первенства в исследовании элементарных частиц оказалась в Европе. Действительно, постановление начать строительство Большого адронного коллайдера было принято ЦЕРНом осенью 1994 году, спустя всего-навсего год после упомянутого выше решения американского конгресса. Немаловажную роль при этом сыграло то обстоятельство, что в ходе строительстве LHC можно было задействовать уже имевшуюся инфраструктуру — 27-километровый тоннель, в котором на тот момент уже размещался менее мощный ускоритель ЦЕРНа — Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP).

На суперколлайдер, сооружение которого было остановлено конгрессом США , было потрачено около двух миллиардов долларов. Зная, как тщательно американцы обычно считают деньги, было бы странным, если все они осталась «закопанными в земле». И действительно, некоторые фрагменты коллайдера были выставлены на продажу; одну из покупок (на сумму в $4,6 млн) сделала маленькая компания «International Isotopes Inc.».

Через несколько месяцев после оформления сделки группа экспертов компании «International Isotopes» посетила помещение, в котором были складированы части коллайдера, чтобы изучить покупку. В отношении каждой детали приходилось принимать непростое решение: можно ли использовать её для целей компании или целесообразнее вести речь о её повторной продаже? Напомним, что суперколлайдер проектировался как система устройств, ускоряющих протоны до высоких энергий. «International Isotopes» приобрела первое звено этой системы, так называемый линейный ускоритель — по-английски linear accelerator, или, сокращенно, linac. Linac представлял собой стометровую металлическую трубу, состоящую из четырех секций, (в каждой из которых частицы ускоряются под действием электрического поля), системы поддержания вакуума , и системы электромагнитов для формирования траекторий протонов. «International Isotopes» предполагала использовать приобретенные части ускорителя для организации производства радиоизотопов , необходимых при диагностике раковых опухолей и выявлении повреждений сердечных и легочных тканей. Примером такого радиоизотопа является изотоп йод-123.

Экспериментальное вторсырье

Покупка линейного ускорителя была лишь первым шагом на пути реализации планов компании. Для организации коммерчески успешного производства радиоизотопов необходимо было и найти подходящий участок земли, и построить здание… А ещё, разумеется, сформировать квалифицированную команду специалистов.

При всем том приобретенное оборудование нуждалось в перенастройке. Первоначально предполагалось, что производительность ускорителя составит всего лишь 10 импульсов в секунду, и что он будет работать всего лишь один час в сутки. Столь щадящий режим работы необходим был для поддержания высокого качества пучка частиц на выходе из ускорителя. Прошло тринадцать лет, linac принадлежит уже другой компании — «Trace Life Sciences» — и эксплуатируется 24 часа в день, обеспечивая непрерывную генерацию протонных пучков. Протоны используются для получения искусственных радиоизотопов .

Фото №3 - Коллайдер после жизни
Технический сотрудник устраняет неполадку в детекторе «BaBar» на эксперименте PEP-II.
Фото
SLAC National Accelerator Laboratory

Пример суперколлайдера не исключительный. В стадии завершения (или близкой к ней) находятся в настоящее время сразу несколько масштабных физических проектов, и для их руководителей тема «второй жизни» экспериментальных установок становится весьма актуальной. В июне 2008 года прекратил работу ускоритель HERA в немецком Гамбурге . Вслед за осуществленным в апреле 2008 года секвестром американского бюджета был остановлен коллайдер PEP-II в Стэнфордской ускорительной лаборатории (SLAC National Accelerator Laboratory). Их судьбу разделит, судя по всему, и находящийся тут же детектор мезонов «BaBar».

Что касается PEP-II, то им заинтересовались итальянские физики; покупкой отдельных частей коллайдера они рассчитывают вывести из стадии проектирования национальный проект создания электронно-позитронного ускорителя, известный под именем «SuperB». Это означает, что у частей американского коллайдера есть немалый шанс в своей «второй жизни» быть использованными по назначению. Разместить «SuperB» планируется в подземном туннеле под Римским университетом Tor Vergata; именно там в столкновении электронов и позитронов будут рождаться B-мезоны — так же, как это происходит сейчас в коллайдере PEP-II. Предполагается, что исследование B-мезонов прояснит некоторые вопросы, связанные с отличиями частиц и античастиц .

Создатели «SuperB» предполагают дополнить элементы американского коллайдера новыми технологиями, в результате чего станет возможным ускорять частицы до энергий, на два порядка больше чем энергии в коллайдере PEP-II. Если министерство энергетики США (US Department of Energy) одобрит передачу Италии фрагментов коллайдера, то, согласно оценкам Джона Зеемана (John Seeman) — одного из руководителей Стэнфордской ускорительной лаборатории — итальянским физикам для перевозки этих фрагментов понадобится по меньшей мере 500 контейнеров. Всего, по словам Зеемана, итальянские коллеги рассчитывают приобрести 90% используемых в установке магнитов, радиочастотные системы и большую часть энергетических устройств. Но и инфраструктура коллайдера PEP-II, судя по всему, не пропадет: одна из исследовательских групп Стэнфордского университете в Калифорнии планирует — по завершении проекта PEP-II — построить в освободившемся туннеле новый источник рентгеновского излучения.

Заторможенные ускорители

Вполне возможным — хотя и крайне нежелательным — является такое развитие событий, при котором масштабные физические проекты будут остановлены почти всюду. В этой ситуации ускорители будут, по-видимому, восприниматься в первую очередь как хранилища ценных металлов, стоимость которых на мировом рынке стремительно растет. Достаточно сказать, что с 2000 по 2006 год титан стал почти в пять раз дороже, медь — в три с половиной раза, алюминий — более чем в полтора раза.

С точки зрения торговца цветными металлами, наиболее ценной частью коллайдера PEP-II являются ускоряющие двухкилометровые кольца для электронов и позитронов. Почти две тысячи мощных электромагнитов обеспечивают движение заряженных частиц внутри колец по нужным траекториям. Две тысячи стальных сердечников с медными или алюминиевыми обмотками… Потенциально только из электромагнитов коллайдера можно извлечь 4200 т стали, 448 т меди и 135 т алюминия общей стоимость в $2,5 млн.

Следующим по ценности фрагментом ускорителя являются четыре постоянных магнита, обеспечивающие перемещение электронов и позитронов из зоны ускоряющих колец в так называемую «зону столкновений». Эти магниты изготовлены из сплава кобальта и самария. Каждый из магнитов (их общая масса составляет одну тонну) стоит по меньшей мере $300 тыс. В реальности же за них не дадут и одного доллара из-за неразрешимых проблем с демонтажем. Есть и ещё одно обстоятельство, снижающее их стоимость. Так, по словам Кима Джонстона (Kim Jonston) — представляющего изготовителя магнитов компанию «Master Magnetics» — магниты из ускорителя «чрезмерно опасны». Заметим, что в «зоне столкновений» имеется также электромагнит со сверхпроводящей обмоткой, в состав которой входят ниобий и титан, причем стоимость только ниобия составляет $47 тыс.

Фото №4 - Коллайдер после жизни
Последний из 3280 магнитных диполей, использовавшихся в тоннеле Большого электрон-позитронного коллайдера, был поднят на поверхность 12 февраля 2002 года.
Фото
Maximilien Brice/© CERN

«Зона столкновений» окружена детектором частиц «BaBar» — оболочкой из высокочистого йодида цезия, кристаллы которого испускают световые вспышки при попадании в них заряженных частиц. В общей сложности оболочка состоит из 65 000 4-килограммовых кристаллов. По словам технического координатора детектора «BaBar» Билла Вишневски (Bill Wisnievski), в среднем один кубический сантиметр кристаллической оболочки обошелся ускорительной лаборатории в $3; всего же на изготовление детектора было потрачено в 1999 году $20 млн. В 2008 году общая стоимость этих же кристаллов достигла $125 млн (такую оценку представила поставляющая материалы для научных экспериментов компания «Sigma Aldrich»). Рост стоимости непосредственно связан с терактами 11 сентября 2001 года, после которых правительство США запретила ввоз радиоактивных материалов на территорию страны. Проверка же на радиоактивность осуществляется с помощью специальных сканеров, а ключевым компонентом сканеров как раз и является йодид цезия.

Кристаллы йодида цезия — безусловно, самая дорогая часть детектора. Но кроме того, там содержится также 1000 т стали ($430 тыс. в ценах 2008 года) и 100 т меди ($350 тыс). По словам Вишневски, специальные проверки признаков радиоактивности у этих металлов не выявили, а потому и ускоритель PEP-II и детектор «BaBar» становятся настоящим кладом для торговцев металлическим ломом.

Пытаясь застраховаться от возможных рисков, министерство энергетики США ещё 13 сентября 2000 года объявило мораторий на коммерческую перепродажу металла, находившегося в контакте с ускорителем частиц — вне зависимости от того, что показали проверки этого металла на радиоактивность. Мораторий, однако, не распространяется на лаборатории, находящиеся в юрисдикции федерального правительства. Так, экспериментальная установка для исследования нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Fermilab) была почти полностью построена с использованием уже однажды использованных компонентов: несколько частей были приобретены у японских коллег, и несколько — у французских. Такая политика сберегла Фермилабу в общей сложности $3,3 млн.

Однако такое вторичное использование старого оборудования может привести к весьма неприятным сюрпризам. Специалист по связям с общественностью нейтринного эксперимента SciBoone Морган Васко (Morgan Wascko) как-то посетовал журналистам, что «работавшие на установке студенты обнаружили в старых силовых кабелях крысиные норы … крысам, впрочем, удалось убежать». Сразу же после этого была осуществлена тщательная проверка, которая не выявила в кабелей никаких повреждений.

Заметим, что мораторий на продажу металла ввели только американцы. А правительство Германии сразу после завершения работы гамбургского коллайдера HERA и демонтажа спектрометра ZEUS разрешило лаборатории по физике частиц DESY продать все те материалы, которые соответствуют принятым в Германии нормам радиационной безопасности. Речь шла ни много ни мало о 50 т кабелей, 100 т стали, и 70 т алюминия. Впрочем, несколько частей спектрометра ZEUS имеют шанс стать экспонатами научно-технических музеев .

Среди немецких физиков есть и такие, для кого спектрометр ZEUS остается уникальным техническим устройством, на создание которого потребовались значительные интеллектуальные усилия сотен физиков и инженеров. Предстоящее «расчленение» их детища воспринимается ими очень болезненно. Но делать нечего: большая часть его узлов изготавливалась специально для спектрометра, и перспектив дальнейшего использования у них нет. Романтические истории вроде той, что случилась у профессора Резерфорда с профессором Оуэнсом и его магнитами, навсегда остались в прошлом.