Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе — это крупнейший в мире ускоритель частиц. И его стоило строить хотя бы ради размаха экспериментов, которые теперь на нем проводятся. Впрочем, эксперименты достигли таких масштабов, что физики уже не могут строить их самостоятельно. В этом им помогают квалифицированные инженеры. Хотите узнать, как физики и инженеры работают над обновлением БАК и созданием преемника знаменитого ускорителя частиц?
Снаружи ЦЕРН — здание из стекла и бетона прямиком из 1960-х годов. Его часто называют видом будущего, которое представляли себе люди 50 лет назад. Кафетерии ничем не отличаются от других по всему миру, разве что вы нигде больше не встретите столько лауреатов Нобелевской премии. Но настоящая работа кипит под поверхностью. Туннель, в котором находится БАК, протяженностью 27 километров, как и кольцевая линия лондонской системы метрополитена (длина московской кольцевой линии метро — 19,4 километра). Но если самая глубокая линия Лондона находится на глубине 60 метров, БАК заложен на глубине 175 метров. В этом туннеле собрано оборудования на 50 000 тонн — как шесть Эйфелевых башен.
БАК работает, сталкивая два пучка частиц на чрезвычайно высокой энергии, путешествующих по кругу почти на скорости света до столкновения. Эти частицы представлены протонами — положительно заряженными частицами, которые входят в состав ядра атома вместе с нейтронами — которые притягиваются к отрицательно заряженным пластинам. Металлические камеры — «радиочастотные полости» — содержат сильные электромагнитные поля, которые используются для ускорения протонов.
На БАК размещен самый мощный в мире магнит ускорителя и крупнейшая в мире система сверхпроводников из 10 000 сверхпроводящих магнитов. При низкой температуре их провода имеют нулевое электрическое сопротивление, а значит могут создавать интенсивные магнитные поля. БАК также подает мощный ток с высочайшей точностью и разгоняет пучки протонов до энергии 13 ТэВ. Чтобы построить ускоритель типа БАК, нам нужны электротехники, инженеры-электронщики, инженеры-механики и инженеры-строители с огромным набором специализаций, включая системы радиочастотного ускорения, криогеники, контроля, бурения туннелей и механической стабильности.
Энергия, запасенная в каждом пучке, примерно равна по силе струе аэробуса, движущегося на скорости взлета, и может расплавить 12 тонн меди. Используемые материалы должны быть в состоянии принять этот удар и требуют множества инженеров, которые будут испытывать их и системы управления, чтобы пучок не направил всю свою энергию в одно место. Управление энергопотреблением тоже непростая задача — БАК требует 120 МВт, что составляет 10% от всего энергетического бюджета Женевы — и 50% от крупнейших электростанций на северо-западе Англии.
Рискованное дело
Во время работы машина слишком радиоактивна, чтобы внутри могли находиться люди. Радиация рождается, когда протоны взаимодействуют с ядрами окружающего материала или газа. Но через каждые несколько лет БАК отключают на долгое время, чтобы инженеры могли установить новые компоненты. На поверхности вход в ускоритель напоминает строительную площадку, и каски надевать обязательно. Рисков много — протоны сталкиваются со стенами и выдают высокий уровень излучения, душ частиц, высокое напряжение, в замкнутых пространствах блуждают холодные криогенные газы, с потолка падают тяжелые объекты, да и вообще в туннеле глубоко под поверхностью становится не по себе.
Придется подождать, пока лифт везет вас в глубины. Детекторы сами по себе довольно велики, но когда вы подходите ближе и видите всю эту мелкую электронику, упакованную в каждом квадратном сантиметре трехэтажного детектора, только тогда вы понимаете масштаб вовлеченной инженерии. То же самое относится и к самим туннелям.
Много инженерской работы проводится не в туннелях ЦЕРН, а в испытательных лабораториях и на сборочных площадках. Университет Ланкастера участвует в испытании ускорительных полостей БАК. Мощные радиочастотные усилители (вроде больших мобильных телефонов) обстреливают полости, чтобы проверить, могут ли те противостоять массивным электрическим полям, которые рождаются в ускорителе частиц. Из-за радиации управление процессом ведется из комнаты, заваленной компьютерами и электроникой. Сами полости чувствительны к пыли и грязи, из-за них может возникнуть сбой. Поэтому очищаются настолько чистой водой, что ее можно слизывать с пола. Для очистки поверхностного слоя также используется смесь кислот на основе чрезвычайно сильной плавиковой кислоты.
«Зачастую эти испытания проходят постоянно, поэтому один из нас — Грэм — проводит 24 часа в бетонной комнате без окон, глядя в экран», рассказывает один из сотрудников ЦЕРН. «Но если вы знаете, что на экране и что означает каждый всплеск, все не так скучно».
ЦЕРН производит множество специальных компонентов самостоятельно, поэтому укомплектован массивными машинами для резки и сварки, за которыми трудятся лучшие техники мира.
В настоящее время инженеры работают с физиками, проектируя преемника БАК, который будет 100 км в окружности. Но прежде БАК будет модернизирован для того, чтобы обрабатывать в десять раз больше столкновений и позволить физикам быстрее обнаруживать новые частицы.