How physics and scientific thinking illuminate the universe and the modern world

176 АППАРАТУРА,
ИЗМЕРЕНИЯ
И ВЕРОЯТНОСТИ
одни протоны (ядро атома водорода — это, собственно, и есть протон). Магнитные поля задают этим протонам направление движения и формируют из них пучки. Затем БАК в несколько этапов разгоняет эти пучки. Происходит это в определенных зонах; протоны, двигаясь от одного «акселератора» к другому, всякий раз увеличивают свою энергию, пока, наконец, не отклоняются от одного из двух параллельных пучков, чтобы столкнуться.
Первая фаза ускорения происходит в линейных ускорителях типа Linac — на прямых участках тоннеля, где протоны разгоняются по прямой при помощи радиоизлучения. В пике стоячей радиоволны связанное с ней электрическое поле разгоняет протоны.
Затем пучок протонов вынуждают выйти из поля, чтобы при его ослаблении протоны не замедлились. Далее, при приближении к очередному пику волны, протоны возвращаются в поле и вновь ускоряются — и так раз за разом. По существу, электромагнитная волна здесь периодически подталкивает протоны — примерно так же, как вы подталкиваете ребенка, раскачивая его на качелях.
Энергия протонов растет, но на этой — первой — стадии ускорения частицы получают лишь крохотную ее долю.
На следующей стадии магниты направляют протоны в систему колец, где они продолжают ускоряться. Каждый из этих циклических ускорителей действует примерно так же, как описанный выше линейный ускоритель, однако кольцевая форма позволяет им подталкивать протоны и повышать тем самым их энергию на каждом круге в тысячи раз. Промежуточные кольцевые ускорители передают частицам значительную часть энергии.
«Братство колец», ускоряющее протоны перед подачей их в большое кольцо БАКа, состоит из протонного синхротрона-разгонщика (protonsynchrotronbooster, PSB), обеспечивающего разгон частиц до 1,4 ГэВ, протонного синхротрона (protonsynchrotron,
PS), поднимающего энергию частиц до 26 ГэВ, и протонного суперсинхротрона (superprotonsynchrotron, SPS), доводящего ее до так называемой энергии впрыска, равной 450 ГэВ (маршрут путешествия протона можно увидеть на рис. 25). Именно с такой энергией протоны попадают в 27-километровый тоннель на последнюю стадию ускорения.

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 177
Два ускорительных кольца из перечисленных «пришли» из прежних проектов Европейского центра ядерных исследований. Старейшее из них — кольцо PS — в ноябре 2009 г. отметило золотой юбилей, а PSB в 1980-е годы играл важнейшую роль в предыдущем крупном проекте — ускорителе LEP.
После SPS для протонов начинается двадцатиминутная фаза
впрыска, или инжекции. За это время пришедшие из SPS протоны с энергией 450 ГэВ разгоняются в большом кольце БАКа до полной энергии. Протоны в тоннеле движутся двумя отдельными пучками в противоположных направлениях по тонким трехдюймовым трубам, протянувшимся на все 27 км подземного кольца.
Горы Юра
Столкновение
СТАРТ
(здесь протонные пучки начинают движение по БАКу)
PSB 1,4 ГэВ (157 м)
3
PS 26 ГэВ (628 м)
4
SPS
450 ГэВ (7 км)
кольцо БАК
7 ТэВ (27 км)
Женевское
озеро
2 5
ATLAS
1
Linac
N
CMS
РИС. 25. Путь, который проходит протон в процессе ускорения в БАКе

178 АППАРАТУРА,
ИЗМЕРЕНИЯ
И ВЕРОЯТНОСТИ
В тоннеле шириной 3,8 м, построенном в 1980-е гг., протонные пучки проходят сегодня последнюю стадию ускорения. В тоннеле светло и прохладно, он достаточно просторен. Мне довелось прогуляться по нему еще в те времена, когда коллайдер только строился. Я прошла по нему совсем немного, но на эти несколько шагов потребовалось гораздо больше времени, чем те 89 миллионных долей секунды, за которые проходит все кольцо длиной 26,6 км ускоренный высокоэнергетический протон, летящий со скоростью в 99,9999991% скорости света.
Тоннель находится на глубине около 100 м под землей; в разных местах глубина его заложения колеблется от 50 до 175 м.
Это защищает поверхность земли от излучения и означает также, что во время строительства не пришлось сносить все фермы и сельхозугодия над местом прохождения тоннеля. Тем не менее в 1980-е гг. вопросы имущественных прав задержали строительство тоннеля, тогда еще для LEP. Проблема в том, что во Франции землевладелец имеет права не только на сельскохозяйственные угодья, которые обрабатывает, но и на недра под своим участком, вплоть до центра Земли. Тоннель удалось прорыть только после того, как французские власти позаботились об этом и подписали Декларацию об общественной пользе (Declaration d’Utilite
Publique), сделав таким образом скальное основание — и, в принципе, магму под ним тоже — общественной собственностью.
Физики спорят о том, зачем тоннель сделали наклонным, а его глубину соответственно — неравномерной. То ли дело в геологии, то ли целью было дополнительно защитить поверхность от излучения, но так или иначе наклон тоннеля оказался полезен в обоих отношениях. Неоднородный рельеф района поставил перед строителями тоннеля сложную задачу и, безусловно, повлиял на его расположение и форму. Под этой местностью залегают в основном осадочные горные породы, но под речными и морскими отложениями имеются водоносные слои — гравий, песок и глина, и строить тоннель в таких грунтах вряд ли стоило. Таким образом, наклон помогает тоннелю все время оставаться в прочных скальных породах. Благодаря этому, кстати, одна из секций тоннеля у подножья живописных гор Юра на окраине Центра находится

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 179
чуть ближе к поверхности, так что поднимать и опускать грузы и людей по вертикальной шахте в этом месте было немного проще (и дешевле).
Ускоряющие электрические поля в главном тоннеле организованы не совсем правильным кольцом. Большое кольцо БАКа состоит из восьми больших дуг, перемежающихся восемью семисотметровыми прямыми участками. Каждый из восьми секторов можно независимо нагревать и охлаждать, что очень облегчает ремонт и обслуживание. Впрыснутые в тоннель протоны ускоряются на каждом из коротких прямых участков при помощи радиоволн примерно так же, как они разгонялись на предыдущих этапах, пока не достигли энергии впрыска. Ускорение происходит на ускоряющих промежутках, содержащих радиосигнал частотой
400 МГц — той самой, которой вы пользуетесь при дистанционном открывании дверцы автомобиля. Сгусток протонов, проходя через ускоряющий промежуток, получает приращение энергии всего лишь в 485 миллиардных долей ТэВ. На первый взгляд это немного, но ведь протоны делают полный круг по кольцу БАКа
11 000 раз в секунду! Таким образом, всего за 20 минут удается поднять энергию протонов в пучке от энергии впрыска (450 ГэВ) до целевой энергии (7 ТэВ), то есть примерно в 15 раз. Часть протонов теряется из-за столкновений и просто случайных отклонений, но большая их часть будет кружить по кольцу еще примерно
12 часов, прежде чем поредевший пучок пора будет сбрасывать в грунт и заменять свежим пучком только что впрыснутых протонов.
Протоны, циркулирующие по кольцу БАКа, распределены по его окружности неравномерно. Их посылают по кольцу так называемыми сгустками — всего их 2808 — по 115 млрд протонов в каждом. Вначале каждый сгусток представляет собой вытянутую группу протонов длиной 10 см и шириной 1 мм; расстояние между соседними сгустками составляет примерно 10 м. Так проще, потому что каждый сгусток ускоряется отдельно, сам по себе.
Есть и еще одно преимущество: такая группировка протонов гарантирует, что сгустки частиц взаимодействуют с промежутками по крайней мере 25–75 нс; этого достаточно, чтобы каждое стол-

180 АППАРАТУРА,
ИЗМЕРЕНИЯ
И ВЕРОЯТНОСТИ
кновение двух сгустков записывалось отдельно. В сгустке во много раз меньше протонов, чем в целом пучке, поэтому и разбираться в столкновениях намного проще, ведь одновременно могут сталкиваться только протоны одного сгустка, а не всего пучка сразу.
ДИПОЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАГНИТЫ
Разгон протонов до столь высоких энергий — безусловно, серьезное достижение. Но самой сложной в техническом отношении задачей при строительстве коллайдера стала разработка и изготовление мощных магнитов, которые должны удерживать протоны на правильной кольцевой траектории. Без магнитов протоны летели бы по прямой, а для удержания высокоэнергетических протонов в кольце магнитное поле должно быть чрезвычайно мощным.
Тоннель БАКа очень велик, поэтому главной инженерно-технической задачей оказалось изготовление мощнейших магнитов в промышленных масштабах, то есть практически серийно.
Сильное поле требуется для удержания высокоэнергетических протонов в тоннеле. Чем выше энергия протонов, тем более мощные магниты нужны для удержания их в тоннеле — и тем больше должен быть диаметр ускорительного кольца, чтобы протоны могли поворачивать по нему плавно. Размер кольца был известен заранее, так что целевая энергия протонов в нем определяется максимальной мощностью магнитного поля, которой удастся достигнуть.
Американский сверхпроводящий суперколлайдер SSC, если бы он был достроен, располагался бы в гораздо большем по протяженности тоннеле длиной 87 км (его даже успели частично проложить) и по проекту должен был разгонять протоны до энергии
40 ТэВ, что почти втрое превышает целевую энергию проекта
БАКа. Такая значительная разница объясняется тем, что эта установка разрабатывалась заново, практически с нуля и проектировщиков не ограничивали размеры уже существующего тоннеля и, соответственно, не слишком реалистичные требования по поддержанию мощнейшего магнитного поля. Однако предложенный европейцами план имел немало практических преимуществ,

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 181
начиная от существующего тоннеля и заканчивая развитой научной, инженерной и транспортной инфраструктурой Европейского центра ядерных исследований.
Едва ли не самое сильное впечатление во время визита в Центр на меня произвел прототип гигантского цилиндрического магнита для БАКа (на рис. 26 он изображен в сечении). Таких магнитов вокруг разгонного кольца БАКа установлено немало — 1232 штуки, но и каждый из них в отдельности — это нечто грандиозное. Это махина весом 30 т и длиной 15 м. Надо заметить, что длина магнита определена относительно небольшой шириной тоннеля — и, конечно, необходимостью перевозить готовые магниты по европейским дорогам. Каждый из магнитов обошелся в 700 000 евро; соответственно, общая стоимость одних только магнитов в БАКе превысила миллиард долларов.
Тонкие трубки, по которым разгоняются протонные пучки, проложены внутри дипольных магнитов, которые установлены вплотную один за другим и тянутся, таким образом, внутри тоннеля по всей его длине. Они генерируют магнитное поле напряженностью до 8,3 Тл — это примерно в тысячу раз выше, чем напряженность поля, создаваемого магнитиком на холодильнике.
По мере того как энергия протонов в пучке увеличивается с 450 до 7 Тэв, напряженность магнитного поля, которое должно удерживать все более энергичные протоны на их кольцевом маршруте, возрастает с 0,54 до 8,3 Тл.
Магнитное поле, которое генерируют эти магниты, настолько мощно, что сами магниты не удержались бы на месте, если бы не специальные крепления. Отчасти сила, действующая на магнит, компенсируется за счет геометрии витков, но в конечном итоге магниты удерживают на месте специально спроектированные стальные «воротники», или хомуты, толщиной 4 см.
Мощные магниты БАКа были бы невозможны без сверхпроводящих технологий. Инженеры БАКа пользовались при проектировании технологиями, разработанными для американского проекта SSC, для тэватрона Лаборатории имени Ферми, расположенной в штате Иллинойс, а также для немецкого электронно-позитронного коллайдера в гамбургском ускорительном центре DESY.

182 АППАРАТУРА,
ИЗМЕРЕНИЯ
И ВЕРОЯТНОСТИ
Труба для теплоотвода
Основные шины квадрупольной системы
Сверхпроводящая катушка
Протонный экран
Вакуумная труба с пучком протонов
Теплоизоляция
Внутренний цилиндр
Суперизоляция
Шины дипольной системы
Железное ярмо магнита
Вакуумное уплотнение
Опора
Жидкий гелий
15 м
РИС. 26. Схема устройства дипольного криомагнита. Протоны удерживаются на кольцевом маршруте внутри тоннеля при помощи 1232 таких сверхпроводящих магнитов
В обычных условиях провода (к примеру, медные провода, из которых сделана проводка в вашем доме) имеют сопротивление.
Это означает, что при прохождении по ним электрического тока теряется энергия. А вот сверхпроводящие проводники не рассеивают энергию, и электрический ток проходит по ним без помех. Витки сверхпроводящей проволоки способны генерировать очень мощные магнитные поля; более того, такое поле, раз установившись, будет поддерживаться без дополнительного притока энергии.
Каждый диполь БАКа содержит катушку ниобиево-титанового сверхпроводящего кабеля, каждый из которых свит из тончайших проволочек толщиной всего шесть микрон — намного тоньше человеческого волоса. Всего на сооружение БАКа пошло 1200 т этой замечательной проволоки. Если размотать, ее длина сравнялась бы с длиной орбиты Марса.
В процессе работы сверхпроводящие диполи должны быть очень холодными, так как сверхпроводимость «включается» лишь

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 183
при достаточно низких температурах. Вокруг сверхпроводящих кабелей поддерживается температура на 1,9 градуса выше абсолютного нуля, то есть на 271 градус ниже температуры замерзания воды. Это даже ниже температуры фонового микроволнового излучения в открытом космосе, которая составляет 2,7 K. В тоннеле
БАКа находится самая холодная протяженная область во Вселенной — по крайней мере насколько нам известно. Из-за сверхнизких температур магниты БАКа называют криодиполями.
Помимо невероятных «проволочных» технологий, использованных в магнитах БАКа, нельзя не упомянуть и систему охлаждения (криогенную систему), которая сама по себе является серьезным достижением и заслуживает самых восторженных эпитетов.
Естественно, это самая большая в мире система охлаждения.
Сверхнизкую температуру в ней обеспечивает проточный гелий.
Магниты, нуждающиеся в охлаждении, окружает специальная оболочка, в которой содержится примерно 97 т жидкого гелия.
Это не обычный гелий в виде газа, а гелий, который при помощи давления поддерживают в состоянии сверхтекучести. Сверхтекучий гелий не обладает вязкостью обычных материалов и способен очень эффективно рассеивать все тепло, выделяемое в дипольной системе. Сначала охлаждают 10 000 т жидкого азота, который, в свою очередь, охлаждает 130 т жидкого гелия, циркулирующего в диполях.
Не все части БАКа располагаются под землей. У коллайдера есть и наземные здания, где размещены оборудование, электроника и рефрижераторные установки. Традиционная морозильная установка охлаждает гелий до 4,5 K, а затем происходит окончательное охлаждение со снижением давления. Этот процесс (так же, как и согревание) занимает около месяца. Ясно, что при любом включении или выключении коллайдера, а также при любой попытке ремонта на согревание и охлаждение уходит много дополнительного времени.
Если в системе случается какой-то сбой — к примеру, где-то выделилось небольшое количество тепла и чуть поднялась температура, — происходит так называемый квенч, или аварийное расхола-
живание; это означает, что сверхпроводимость потеряна. Вообще,

184 АППАРАТУРА,
ИЗМЕРЕНИЯ
И ВЕРОЯТНОСТИ
потеря сверхпроводимости может иметь катастрофические последствия, поскольку вся энергия магнитов высвободится разом.
Поэтому в БАКе существует специальная система обнаружения квенчей и распределения высвобождающейся энергии. Эта система следит, чтобы нигде не возникало разности потенциалов: ведь при сверхпроводимости ее быть не может. Если такое случается, то меньше чем за секунду энергия высвобождается всюду и диполь выходит из сверхпроводящего состояния.
Но даже с применением сверхпроводящих технологий для генерации магнитного поля напряженностью 8,3 Тл требуются громадные токи. Ток в криодиполях доводится почти до 12 000 А, что в 40 000 раз превышает ток в горящей у вас на столе электрической лампочке.
Учитывая токи и охлаждение, неудивительно, что работающий
БАК потребляет громадное количество электроэнергии — примерно столько же, сколько небольшой город, такой как близлежащая
Женева. Чтобы избежать лишних расходов на электричество, на зимние месяцы коллайдер останавливают — зимы в Швейцарии холодные, и цены на электроэнергию заметно выше летних.
(Исключение было сделано для пробного пуска в 2009 г.) У такой политики есть и дополнительное преимущество — ученые и инженеры получают замечательные рождественские каникулы.
СКВОЗЬ ВАКУУМ К СТОЛКНОВЕНИЯМ
Наконец, еще одно качество БАКа, заслуживающее превосходных оценок, — вакуум в трубах, по которым циркулируют протоны. Чтобы сохранить охлажденный гелий, систему необходимо в максимальной степени освободить от лишнего вещества, потому что любые посторонние молекулы могут передавать тепло и энергию наружу. Самое главное, из областей, по которым путешествует протонный пучок, следует удалить всякие газы. Если в трубке присутствует газ, протоны будут сталкиваться с его молекулами, и правильная циркуляция протонного пучка нарушится. Поэтому давление внутри пучка чрезвычайно мало: оно в десять триллионов раз меньше атмосферного и соответствует давлению на вы-

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 185
соте 1000 км над поверхностью Земли, где воздух чрезвычайно разрежен. Чтобы получить пространство, пригодное для разгона протонных пучков, из БАКа пришлось откачать 9000 м
3
воздуха.
Но даже при таком невероятно низком давлении в каждом кубическом сантиметре пространства внутри разгонной трубки присутствует около трех миллионов молекул газа, так что протоны иногда все же сталкиваются с молекулами газа. И если в сверхпроводящий магнит попадет достаточное количество протонов, чтобы нагреть его, произойдет все тот же квенч и магнит выйдет из состояния сверхпроводимости. Для удаления случайно «отбившихся» от пучка частиц вдоль траектории пучка расставлены углеродные коллиматоры, которые поглощают все, что не попадает в трехмиллиметровую апертуру (вполне достаточную по размеру для прохождения пучка толщиной около 1 мм).
И все же собрать протоны в сгусток миллиметровой толщины — непростая задача. Выполняют ее другие магниты,
перейти в каталог файлов