Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Сегодня, спустя около 25 лет, протонные пучки носятся по тоннелю, построенному первоначально для ускорителя LEP (рис. 24). Большой адронный коллайдер на пару лет отстает от графика и уже процентов на 20 вышел из первоначального бюджета. Прискорбно, конечно, но, может быть, все не так уж страшно — ведь это самый крупный, самый международный, самый высокоэнергетический, самый амбициозный эксперимент из всех, проводившихся когда‑либо. Сценарист и режиссер Джеймс Брукс, услышав о задержках и проблемах при строительстве БАКа, шутливо сказал: «Я знаю людей, у которых примерно столько же времени уходит на то, чтобы кое‑как наклеить обои. Не исключено, что разгадка тайн Вселенной — несколько более достойная цель».

РИС. 24. Примерное расположение Большого адронного коллайдера. Белым условно обозначен подземный тоннель, дальше видны Женевское озеро и горы. (Фото предоставлено Европейским центром ядерных исследований.)

Протоны всюду — и вокруг, и внутри нас. Как правило, однако, они связаны в ядрах атомов, окруженных к тому же электронами. Они не изолированы от электронов и не коллимированы (то есть не выстроены параллельными рядами) в пучках. БАК первым делом выделяет и разгоняет протоны, а затем направляет пучок частиц навстречу уготованной им судьбе. При этом многочисленные рекордные возможности БАКа оказываются совсем не лишними.

Первый шаг в подготовке протонных пучков — нагревание атомов водорода; при этом атомы теряют электроны и остаются

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.

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, a 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.

РИС. 25. Путь, который проходит протон в процессе ускорения в БАКе

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 сельхозугодья 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 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 11000 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.