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

Главной трудностью при проектировании БАКа оказались разработка и производство в промышленных масштабах мощных магнитов, способных удержать ускоренные до высоких энергий протоны. Как мы уже видели в предыдущей главе, размеры существующего тоннеля поставили перед разработчиками сложнейшие технические задачи — ведь диаметр большого кольца был определен заранее, и поэтому требования к напряженности магнитного поля были очень жесткими. Лин радостно описывал нам «швейцарскую точность» первого десятиметрового дипольного магнита–прототипа, который инженеры и физики успешно испытали в 1994 г. Все работало как часы. При первом же пуске напряженность поля удалось поднять до целевого значения 8,73 Тл: начало было многообещающим.

Но, к несчастью, хотя европейское финансирование куда более стабильно, чем американское, непредвиденные трудности все же возникали. Так, бюджет Германии — главного донора Центра — пострадал в результате объединения страны (это произошло в 1990 г.). Германия урезала свои взносы в CERN и вместе с Великобританией выступила против любого серьезного увеличения расходов Центра. Кристофер Ллуэллин–Смит — британский физик–теоретик, сменивший нобелевского лауреата Карло Руббиа на посту генерального директора Центра, — как и его предшественник, активно поддерживал проект. Ллуэллин–Смиту удалось отчасти решить финансовую проблему за счет дополнительного финансирования со стороны Швейцарии и Франции — двух стран, на территории которых должен был разместиться коллайдер и которые должны были выиграть больше других в результате его строительства и работы.

На Совет Центра — и продемонстрированные технологии, и бюджетные вливания — произвели сильное впечатление, и проект БАКа был утвержден уже 16 декабря 1994 г. Более того, Ллуэллин–Смит и CERN убедили страны, не входящие в организацию, присоединиться к проекту. В 1995 г. к нему присоединилась Япония, в 1996 г. — Индия, затем Россия и Канада и, наконец, в 1997 г. за ними последовали и США.

Получив дополнительное финансирование, БАК смог обойти оговорку в первоначальном проекте, где предусматривалось два этапа строительства установки, причем на первом этапе предполагалось разместить лишь две трети магнитов. И с научной, и с финансовой точки зрения урезанное магнитное поле было неудачным решением, однако проектировщики пытались таким путем остаться в пределах ежегодных бюджетов. В 1996 г., когда Германия снова снизила свой вклад из‑за дополнительных расходов, связанных с объединением, финансовые перспективы проекта стали мрачными, однако в 1997 г. CERN добился разрешения компенсировать эти потери, впервые в своей истории финансируя строительство за счет кредитов.

После истории с бюджетом Лин заговорил о более приятных вещах. Он описал первую пробную сборку диполей в декабре 1998 г. — испытание нескольких магнитов, собранных в единую работоспособную комбинацию. Успешное испытание этой сборки подтвердило жизнеспособность проекта и стало важной вехой в истории коллайдера.

В 2000 г. электронно–позитронный коллайдер LEP разобрали, чтобы освободить место для БАКа. И все же, несмотря на то что новый коллайдер был собран в уже существующем тоннеле и унаследовал от своего предшественника некоторую часть персонала, вспомогательных мощностей и инфраструктуры, потребовалось еще немало человеко–часов и ресурсов, прежде чем LEP превратился в БАК.

Строительство БАКа проходило в пять этапов. Сначала строители соорудили выемки и возвели конструкции для экспериментальных установок; затем были налажены коммуникации; на следующем этапе создали криогенную линию для охлаждения ускорителя. Ну и наконец установили все оборудование, включая диполи, все соединители и кабели, а затем система была протестирована в сборке.

Проектировщики CERN с самого начала составили очень точный график, который должен был скоординировать все этапы строительства. Но, как всем известно, «человек предполагает…» Надо ли говорить, что в данном случае все получилось именно так.

То и дело появлялись проблемы с финансированием. Помню, как в 2001 г. физиков охватили жуткое разочарование и тревога; тогда пришлось долго ждать ответа на вопрос, как быстро удастся разрешить возникшие серьезные проблемы с деньгами и продолжить строительство. Руководству Центра удалось справиться с перерасходом средств, но лишь за счет размаха деятельности Центра и его инфраструктуры.

Но даже после разрешения бюджетно–финансовых проблем строительство БАКа шло не слишком гладко. Периодически оно замедлялось из‑за целой серии непредвиденных событий.

Никто из тех, кто был занят на сооружении полости для компактного мюонного соленоида CMS (Compact Muon Solenoid), не мог, разумеется, предположить, что экскаваторы наткнутся на остатки галло–римского дворца IV в. Строительство было приостановлено, чтобы археологи могли изучить найденное сокровище; были найдены, в частности, старинные очень ценные монеты. Судя по всему, галло–римляне вводили единую валюту более успешно, чем сегодняшние европейцы: ведь евро до сих пор не вытеснило ни британский фунт, ни швейцарский франк. Особенно раздражает это британских физиков, которые, приезжая в CERN, обнаруживают, что у них нет денег даже на такси.

По сравнению с проблемами CMS сооружение выемки под детектор ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus — Тороидальный аппарат для БАКа) в 2001 г. прошло относительно мирно. Конечно, для этого потребовалось вынуть и вывезти 300 000 тонн скальных пород. Единственная проблема, с которой столкнулись строители, состояла в том, что после выемки породы дно рукотворной пещеры начало потихоньку подниматься — со скоростью около 1 мм в год. Это вроде бы немного, но даже такое движение могло нарушить точную центровку элементов детектора. Поэтому инженерам пришлось устанавливать в котловане чувствительные метрологические датчики. Они настолько эффективны, что регистрируют не только движения детектора ATLAS. Например, они почувствовали, к примеру, цунами 2004 г. и вызвавшее его землетрясение на Суматре, а также более поздние цунами.

Процесс строительства детектора ATLAS глубоко под землей выглядел впечатляюще. Крышка «склепа» для установки была отлита на земле и подвешена на тросах, а стены возводились снизу, пока не достигли свода. В 2003 г. в честь завершения строительства был устроен настоящий праздник, на котором внутри пустого пока сооружения, отдаваясь эхом от стен, играл альпийский рожок; судя по рассказу Лина, это очень развеселило присутствующих. После этого сама экспериментальная установка была спущена по частям в эту подземную пещеру и собрана на месте.

А вот строительство CMS встречало на своем пути все новые проблемы. Во время земляных работ они возникали не раз; оказалось, что стройка ведется не только на месте ценных археологических находок, но и над подземной рекой. В тот год шли сильные дожди, и проектировщики, инженеры и физики с удивлением обнаружили, что 70–метровый шахтный ствол, предназначенный для доставки вниз материалов, самостоятельно погрузился еще на 30 см вниз. Пришлось заморозить грунт вокруг стенок ствола и таким образом стабилизировать его. Кроме того, была укреплена порода вокруг полости при помощи дополнительных опорных стенок и гигантских шурупов длиной до 40 м. Не удивительно, что строительство установки CMS продолжалось дольше запланированного.