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

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 К, а затем происходит окончательное охлаждение со снижением давления. Этот процесс (также, 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 расхолаживание; это означает, что сверхпроводимость потеряна. Вообще, 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.

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 высоте 1000 км над поверхностью Земли, где воздух чрезвычайно разрежен. Чтобы получить пространство, пригодное для разгона протонных пучков, из БАКа пришлось откачать 9000 м3 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, квадруполъные; они весьма эффективно сжимают и фокусируют пучок. В тоннеле БАКа 392 таких магнита. Кроме того, квадрупольные магниты в нужный момент отклоняют два протонных пучка с их независимых траекторий, чтобы они могли столкнуться.

Пучки сталкиваются не в точности на встречных курсах, не совсем лоб в лоб, а под крохотным углом примерно в одну тысячную радиана (около 0,06 градусов). Делается это для того, чтобы за один раз в столкновении участвовало лишь по одному сгустку из каждого пучка; тогда в остальном пучки остаются нетронутыми.

Когда сталкиваются два сгустка из двух циркулирующих по тоннелю пучков, сотня миллиардов протонов из одного пучка сходится «врукопашную» с сотней миллиардов протонов из другого. На квадрупольные магниты возлагается чрезвычайно сложная задача фокусирования обоих пучков именно в тех областях, где должны происходить столкновения и где, соответственно, размещается экспериментальное оборудование для регистрации событий. В этих местах магниты сжимают пучки до крохотной толщины 16 микрон. Пучки и должны быть чрезвычайно тонкими и плотными, чтобы сто миллиардов протонов одного сгустка, проходя сквозь второй сгусток, с как можно большей вероятностью встретились хотя бы с одним из ста миллиардов его протонов.

Большая часть протонов сгустка не увидит встречных протонов на своем пути, несмотря на то что пучки встречаются практически в точке. Индивидуальный протон — это крохотная частица, диаметр которой составляет всего около одной миллионной доли нанометра. А значит, несмотря на то что оба сгустка сжаты до толщины 16 микрон, при каждой встрече двух сгустков всего около 20 протонов испытывают лобовые столкновения со встречными протонами.

На самом деле это очень хорошо. Если бы одновременно происходило слишком большое число столкновений, разобраться в данных было бы трудно. Было бы невозможно понять, какие частицы получились при каком именно столкновении. Но плохо также, если бы столкновений не происходило вовсе. Сфокусировав сто миллиардов протонов в «иглу» именно такой толщины, конструкторы БАКа получили оптимальное число событий на одно столкновение сгустков.

Столкновение двух протонов, если уж оно имеет место, происходит почти мгновенно — за время примерно на 25 порядков меньше секунды. Это означает, что время между группами протонных столкновений практически полностью определяется частотой встречи протонных сгустков, которые в полном рабочем режиме БАКа сталкиваются каждые 25 наносекунд. Иначе говоря, пучки пересекаются больше 10 млн раз в секунду! При такой частоте БАК генерирует громадное количество информации: в среднем за секунду происходит около миллиарда событий. К счастью, промежутки между столкновениями сгустков достаточно велики, чтобы компьютеры могли отслеживать отдельные интересные события, не путая между собой столкновения частиц из разных сгустков.

По существу, исключительные параметры БАКа должны гарантировать одновременно максимальную возможную энергию столкновений и максимальное число событий, которые можно аккуратно отследить. Большая часть энергии бесконечно кружит по тоннелю, и только иногда происходят столкновения, достойные внимания ученых. Несмотря на немалую суммарную энергию пучков, энергия отдельного столкновения сгустков ненамного превышает кинетическую энергию нескольких комаров в полете. Все‑таки здесь сталкиваются протоны, а не футболисты и не автомобили. БАК концентрирует энергию в крохотной области и в таких столкновениях элементарных частиц, за которыми могут следить ученые. Чуть позже мы поговорим о скрытых факторах, которые они надеются обнаружить, и об открытиях о природе вещества и пространства, которые, как надеются физики, будут сделаны в результате этих экспериментов.