что стало с адронным коллайдером
Блеск и нищета ускорителя Что сейчас происходит с Большим адронным коллайдером
Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен 10 сентября 2008 года. Через девять дней в крупнейшем на планете ускорителе элементарных частиц произошла авария, и ученые вынуждены были прекратить работу на нем. Непосредственно перед запуском БАК и спустя некоторое время после поломки в СМИ появлялось огромное количество новостей о коллайдере, но постепенно информационный поток иссяк. Что сейчас происходит с БАК и вокруг него?
Фальстарт
Запуска БАК с нетерпением ждали не только физики, но и люди, которые последний раз вспоминали об этой науке в школе. Такое нетипичное внимание к исследованиям старательно поддерживалось журналистами, в том числе и далекими от науки. Кроме того, важную роль в «раскрутке» коллайдера сыграли работающие на нем специалисты, что является нетипичным для ученых поведением.
После проведения столь активной рекламной кампании специалисты БАК не могли обмануть ожидания миллионов жителей Земли и отложить запуск ускорителя. Знаменательное событие было намечено на 10 сентября 2008 года, однако незадолго до этого срока ученые столкнулись с рядом технических проблем. В назначенный день первые пучки протонов прошли по 27-километровому кольцу ускорителя. Исследователи прогнали протоны сначала по часовой стрелке, а потом и против, перевыполнив намеченную ранее программу.
Сразу после аварии стало ясно, что коллайдер получил серьезные повреждения, однако точная оценка причиненного ущерба заняла длительное время. Туннель ускорителя находится на глубине 100 метров, и в нем поддерживается стабильно низкая температура. Для того чтобы понять, что и почему произошло 19 сентября, ученым необходимо было прогреть поврежденную секцию до комнатной температуры, а затем частично разобрать конструкции БАК.
В итоговом заключении технической комиссии CERN (Европейский центр ядерных исследований, международная организация, курирующая проект БАК), выпущенном 5 декабря 2008 года, был сделан вывод, что причиной аварии стал брак при монтаже одного из контактов между магнитами. Размер причиненного ущерба был оценен в 21 миллион долларов. На ремонтные работы планировалось потратить половину этой суммы, а оставшиеся 10 миллионов должны были пойти на покупку новых магнитов.
Помимо собственно замены или ремонта поврежденных магнитов специалисты CERN разработали диагностическую систему, которая способна выявлять повреждения, способные спровоцировать новую аварию. С помощью этой системы уже были обнаружены несколько дефектных соединений в других секторах ускорительного кольца. В начале мая ученые выяснили, что некоторые контакты могут содержать дефекты несколько иного типа. Часть из них было решено заменить на новые.
Средства на устранение последствий аварии должны были предоставить страны-участники CERN. Дополнительные расходы и сами по себе не являются приятным событием, а тут еще грянул финансовый кризис. Выделение средств не на спасение экономики, а на непонятный прибор со сложным названием показалось разумной идеей не всем государствам.
В начале мая 2009 года Австрия заявила о своем желании выйти из CERN. По мнению официальных лиц, правительство смогло бы с большей пользой для страны потратить 17 миллионов, которые ежегодно уходят в бюджет CERN. Австрийские ученые восприняли решение правительства крайне негативно, и 18 мая канцлер страны объявил о том, что Австрия останется в составе CERN.
Не только БАК
Несмотря на то что на ремонт БАК уходит огромное количество ресурсов, CERN продолжает поддерживать и другие научные проекты. С 10 по 13 мая в Центре прошла конференция, посвященная их обсуждению. Для проведения большей части экспериментов ученые задействуют «разгоночные» ускорительные кольца БАК (перед тем как попасть в 27-километровый туннель, протоны набирают скорость в меньших по размеру кольцах). Программу конференции и ссылки на тексты докладов можно найти здесь.
Параллельно с чисто научной деятельностью CERN продолжает активно вести просветительскую работу. Одновременно с премьерой фильма Рона Говарда «Ангелы и демоны» был запущен сайт, на котором разъясняется суть упоминающихся в картине научных явлений. По сюжету главные герои пытаются спасти Ватикан, который злоумышленники хотят разрушить при помощи созданной в CERN антиматерии. Частично на сайте воспроизводится опубликованная ранее научно-популярная статья об антивеществе, но некоторые разделы сайта, посвященные экспериментам на БАК и бозону Хиггса, являются новыми.
Научную основу картины, снятой по мотивам одноименного романа Дэна Брауна, нельзя назвать безукоризненной. Тем не менее, представители CERN активно сотрудничают со съемочной группой и используют фильм для рекламы коллайдера. Во время визита в CERN в феврале исполнитель главной роли Том Хэнкс дал согласие принять участие в церемонии повторного запуска БАК.
Что дальше?
Запуск Большого адронного коллайдера отложили из-за коронавируса
Научные эксперименты на Большом адронном коллайдере не будут возобновлены в 2021 году, как планировалось ранее. Запуск коллайдера отложен из-за пандемии коронавирусной инфекции и связанных с этим задержек с подготовкой к работе главных детекторов CMS и ATLAS, говорится в материалах, опубликованных на сайте ЦЕРНа. Ученые рассчитывают, что в следующем году в кольце коллайдера будут некоторое время циркулировать тестовые пучки протонов на небольших энергиях, но экспериментов на высоких энергиях не будет до 2022 года.
Работа Большого адронного коллайдера была прекращена в декабре 2018 года. Предполагалось, что в следующие два года ученые и инженеры займутся модернизацией и ремонтом ускорителя, чтобы увеличить его светимость примерно в два раза и сделать шаг к превращению его в коллайдер высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC). В 2021 году должен был стартовать трех-четырехлетний сеанс работы коллайдера с постепенным повышением светимости вдвое. За этот сеанс планировалось накопить интегральную светимость 300 обратных фемтобарн (против 150 в предыдущем сеансе). После этого должна была последовать новая остановка для модернизации на два с половиной года, после чего коллайдер должен был достичь светимости в шесть-семь раз выше прежней.
Теперь стало известно, что коллайдер вернется к набору данных не раньше, чем в конце января 2022 года, что связано с задержками в работах на двух главных детекторах — CMS и ATLAS. В частности, необходимо дополнительное время для установки на CMS защиты от радиации и одного из элементов системы детекции мюонов — на ATLAS. В ноябре началось охлаждение магнитов коллайдера, к весне 2021 года они все должны быть охлаждены до рабочей температуры, а летом будут начаты эксперименты, не связанные с большим кольцом БАКа, в частности, эксперимент ISOLDE.
График работ по модернизации коллайдера. Зеленым выделены интервалы, когда работы на детекторах позволяют запускать пучки протонов в кольце БАКа
Не только бозон Хиггса: что еще нашли в Большом адронном коллайдере
В этом году адронным коллайдерам исполнилось 50 лет. 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings. За последние 10 лет на Большом адронном коллайдере открыты 50 новых частиц, а не только известный бозон Хиггса. Рассказываем, что это за частицы.
Читайте «Хайтек» в
Сколько новых частиц открыты на Большом адронном коллайдере?
Самым известным открытием, конечно же, является бозон Хиггса. Менее известен тот факт, что за последние 10 лет эксперименты на БАК (Большом адронном коллайдере) также обнаружили более 50 новых частиц, называемых адронами. По совпадению, число 50 появляется в контексте адронов дважды, поскольку в 2021 году исполняется 50 лет адронным коллайдерам: 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings, что сделало его первым ускорителем в мире. История возникновения столкновений между двумя противоположно вращающимися пучками адронов.
Что такое адроны?
Так что же это за новые адроны, которых всего 59? Давайте начнем с самого начала: адроны не являются элементарными частицами — физики знают это с 1964 года, когда Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили то, что сегодня известно как модель кварков. Она представила адроны как составные частицы, состоящие из новых типов элементарных частиц — кварков.
Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными…
Фрэнк Вилчек,
лауреат Нобелевской премии по физике за за открытие асимптотическое свободы в теории сильных взаимодействий, 2004 г.
Сам термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» («сильный») и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Это короткодействующие фундаментальные взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов и других адронов. Сила этого взаимодействия намного превосходит силу трех других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и гравитационного.
Адроны — связанные системы кварков и антикварков. Они существуют двух типов — барионы и мезоны.
Как появляются новые адроны?
Но точно так же, как исследователи все еще открывают новые изотопы спустя 150 лет после того, как Менделеев создал периодическую таблицу, исследования возможных составных состояний, образованных кварками, все еще являются активной областью физики элементарных частиц.
Причина этого кроется в квантовой хромодинамике, или КХД, теории, описывающей сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри адронов. У этого взаимодействия есть несколько любопытных особенностей, включая тот факт, что сила взаимодействия не уменьшается с расстоянием. Это приводит к свойству, которое запрещает существование свободных кварков вне адронов — ограничение цвета. Такие особенности делают эту теорию очень сложной с математической точки зрения.
Фактически до настоящего времени само ограничение цвета не было доказано аналитически. И у ученых до сих пор нет способа точно предсказать, какие комбинации кварков могут образовывать адроны.
Что мы знаем об адронах?
Еще в 1960-х годах было уже более 100 известных разновидностей адронов. Их обнаружили в экспериментах на ускорителях и в экспериментах с космическими лучами. Модель кварков позволила физикам описать весь «зоопарк» как разные составные состояния всего трех разных кварков: верхнего, нижнего и странного. Все известные адроны могут быть описаны либо как состоящие из трех кварков (образующих барионы), либо как кварк-антикварковые пары (образующие мезоны). Но теория также предсказывала другие возможные устройства кварков.
Уже в оригинальной статье Гелл-Манна о кварках 1964 года идея частиц, содержащих более трех кварков, считалась возможной. Сегодня ученые знают, что такие частицы действительно существуют. И все же потребовалось несколько десятилетий, чтобы экспериментально подтвердить первые четырехкварковые и пятикварковые адроны, или тетракварки и пентакварки.
Полный список из 59 новых адронов, обнаруженных на БАК, показан на изображении ниже.
Некоторые из этих частиц являются пентакварками, некоторые — тетракварками, а некоторые — новыми (возбужденными) состояниями барионов и мезонов с более высокой энергией.
Открытие этих новых частиц вместе с измерениями их свойств по-прежнему дает важную информацию для проверки границ кварковой модели. В свою очередь, это позволяет исследователям углубить понимание сильного взаимодействия, проверить теоретические предсказания и настроить модели. Стоит отметить, что это особенно важно для исследований, проводимых на БАК. Дело в том, что сильное взаимодействие отвечает за большинство того, что происходит при столкновении адронов. Чем лучше ученые поймут сильное взаимодействие, тем точнее будет моделирование этих столкновений. В итоге шансы увидеть небольшие отклонения от ожиданий, которые могут намекать на возможные новые физические явления, вырастут.
Первый адрон, открытый на БАК (LHC), χb (3P), был открыт ATLAS, а самые последние включают новый возбужденный красивый странный барион, наблюдаемый CMS, и четыре тетракварка, обнаруженные LHCb.
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современная формулировка была завершена в середине 70-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков.
Фермион — частица или квазичастица с полуцелым значением спина, собственного момента импульса элементарных частиц.
Последний великий проект советской науки: коллайдер в Протвино
В ста километрах от Москвы, рядом с наукоградом Протвино, в лесах Подмосковья закопан клад в десятки миллиардов рублей. Выкопать и украсть его нельзя — навечно упрятанный в землю, он несет ценность только для истории науки. Речь идет об ускорительно-накопительном комплексе (УНК) Института физики высоких энергий Протвино — законсервированном подземном объекте размером почти с Большой адронный коллайдер.
Длина подземного кольца ускорителя — 21 км. Основной тоннель диаметром 5 метров проложен на глубине от 20 до 60 метров (в зависимости от рельефа местности). Кроме того, было построено множество вспомогательных помещений, связанных с поверхностью вертикальными шахтами. Если бы протонный коллайдер в Протвино удалось сдать в срок раньше БАК, в мире фундаментальной физики появилась бы новая точка притяжения. Далее — об истории главного советского коллайдера, на котором могла бы коваться физика будущего.
Самый большой проект
Протвино с высоты 325 метров
Перефразируя анекдот «А я тебе говорил — место проклятое!» можно сказать, что коллайдеры на пустом месте не возникают — должны быть подходящие условия. За много лет до принятия стратегического решения о постройке крупнейшего в СССР научного объекта, в 1960 году, в качестве базы для Института физики высоких энергий (ИФВЭ) был основан секретный поселок Серпухов-7. Место выбрали по геологическим соображениям — в этой части Московской области грунт, являющийся дном древнего моря, позволяет размещать крупные подземные объекты, защищенные от сейсмической активности.
В 1965 году получен статус поселка городского типа и новое название — Протвино — производное от названия местной речушки Протвы. В 1967 году в Протвино запущен крупнейший ускоритель своего времени — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ (10 9 электронвольт) У-70. Он до сих пор действует и остается самым высокоэнергетичным ускорителем России.
Строительство У-70
Вскоре начали разрабатывать проект нового ускорителя — протон-протонного коллайдера на энергию 3 ТэВ (10 12 эВ), который стал бы самым мощным в мире. Работы по теоретическому обоснованию УНК возглавлял академик Анатолий Логунов — физик-теоретик, научный руководитель Института физики высоких энергий. Синхротрон У-70 планировалось использовать в качестве первой «разгонной ступени» для ускорителя УНК.
В проекте УНК предполагались две ступени: одна должна была принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400–600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов поднималась бы до максимальной величины. Обе ступени УНК должны были разместиться в одном кольцевом тоннеле размерами превосходящем кольцевую линию Московского метрополитена. Сходства с метро добавляет и тот факт, что строительством занимались метростроевцы Москвы и Алма-Аты.
План экспериментов
1. Ускоритель У-70. 2. Канал инжекции — ввода пучка протонов в кольцо ускорителя УНК. 3. Канал антипротонов. 4. Криогенный корпус. 5. Тоннели к адронному и нейтронному комплексам
В начале восьмидесятых в мире не было сравнимых по размерам и энергиям ускорителей. Ни Тэватрон в США (длина кольца 6,4 км, энергия в начале 1980-х — 500 ГэВ), ни Суперколлайдер лаборатории ЦЕРН (длина кольца 6,9 км, энергия столкновения 400 ГэВ) не могли дать физике необходимый инструмент для проведения новых экспериментов.
Наша страна имела большой опыт в области разработки и строительства ускорителей. Построенный в Дубне в 1956 году синхрофазотрон стал самым мощным в мире на тот момент: энергия 10 ГэВ, длина около 200 метров. На построенном в Протвино синхротроне У-70 физики сделали несколько открытий: впервые зарегистрировали ядра антивещества, обнаружили так называемый «серпуховский эффект» — возрастание полных сечений адронных взаимодействий (величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц) и многое другое.
Десятилетняя работа
Полномасштабный макет тоннеля УНК
В 1983 году горным способом, используя 26 вертикальных шахт, начались строительные работы на объекте.
Несколько лет стройка велись в вялотекущем режиме — прошли всего полтора километра. В 1987 году вышло постановление правительства об активизации работ, и в 1988-м, впервые с 1935 года, Советский Союз закупил за границей два современных тоннелепроходческих комплекса компании Lovat, с помощью которых Протонтоннельстрой начал прокладывать тоннели.
Зачем понадобилось покупать проходческий щит, если до этого пятьдесят лет в стране успешно строили метро? Дело в том, что 150-тонные машины Lovat не только бурили с очень высокой точностью проходки до 2,5 сантиметров, но и выстилали свод тоннеля 30-сантиметровым слоем бетона с металлоизоляцией (обычные бетонные блоки, с приваренным с внутренней стороны листом металлической изоляции). Гораздо позже в Московском метрополитене из блоков с металлоизоляцией сделают небольшой участок на перегоне «Трубная» — «Сретенский бульвар».
Канал инжекции. В бетонный пол утоплены рельсы для электровоза
В конце 1989 года было пройдено около 70% тоннеля основного кольца и 95% канала инжекции — тоннеля длиной более 2,5 км, предназначенного для перевода пучка из У-70 в УНК. Построили три здания (из запланированных 12) инженерного обеспечения, развернули строительство наземных объектов по всему периметру: более 20 промышленных площадок с многоэтажными производственными зданиями, к которым были проложены трассы водоснабжения, отопления, сжатого воздуха, высоковольтные линии электропередач.
В этот же период у проекта начались проблемы с финансированием. В 1991 году, с развалом СССР, УНК мог быть брошен сразу же, однако стоимость консервации недостроенного тоннеля оказалась бы слишком высока. Разрушенный, затопленный грунтовыми водами он мог бы представлять опасность для экологии всего региона.
Источник
Потребовалось еще четыре года, чтобы замкнуть подземное кольцо тоннеля, но ускорительная часть безнадежно отстала — всего было изготовлено лишь около ¾ ускоряющей структуры для первой ступени УНК, и лишь несколько десятков магнитов сверхпроводящей структуры (а требовалось 2500, каждый из них весом около 10 тонн).
Стенд для испытания магнитов
Магнитная система — одна из самых важных в ускорителе. Чем выше энергия частиц, тем труднее пустить их по круговой траектории, и, соответственно, сильнее должны быть магнитные поля. Кроме того, частицы нужно фокусировать, чтобы они не отталкивались друг от друга, пока летят. Поэтому наряду с поворачивающими частицы по кругу магнитами нужны и магниты фокусирующие. Максимальная энергия ускорителей в принципе ограничивается размерами и стоимостью магнитной системы.
Часть инжекторного тоннеля в наши дни. Источник
Инжекторный тоннель оказался единственной частью комплекса, готовой на 100%. Так как плоскость орбиты УНК на 6 м ниже, чем в У-70, канал оснастили протяженным участком магнитов, обеспечивающим поворот пучка на 64°. Ионно-оптическая система обеспечивала согласование фазового объема пучка, выведенного из У-70, со структурой поворотов тоннеля.
Основной тоннель. В таком виде (только без света) он тянется на километры. Источник
Второстепенные технологические тоннели
Началось возведение уникального нейтронного комплекса — частицы, разогнанные в УНК, по отдельному тоннелю выводились бы в землю, по направлению к Байкалу, на дне которого установлен специальный детектор. Нейтринный телескоп на озере Байкал до сих пор существует и расположен на расстоянии 3,5 км от берега, на километровой глубине.
На протяжении всего тоннеля каждые полтора километра были построены подземные залы для размещения крупногабаритного оборудования.
Помимо основного тоннеля был построен еще один, технический (на фото выше), предназначенный для кабелей и труб.
В тоннеле имелись прямолинейные участки для размещения технологических систем ускорителя, обозначенные на схеме, как «СПП–1» (сюда попадает пучок частиц из У-70) и «СПП-4» (отсюда выводятся частицы). Они представляли собой протяженные залы диаметром до 9 метров и длиной около 800 метров.
Вентиляционная шахта глубиной в 60 м (она же на КДПВ). Источник
Смерть и перспективы
Нынешнее состояние тоннелей, за которыми еще следят
В 1994 году строители осуществили сбойку последнего и самого сложного по гидрогеологическим условиям (из-за грунтовых вод) участка 21-километрового тоннеля. В этот же период деньги практически иссякли, ведь затраты на проект были соизмеримы со строительством АЭС. Ни заказывать оборудование, ни платить зарплаты рабочим стало невозможно. Ситуацию усугубил кризис 1998 года. После того, как было принято решение участвовать в запуске Большого адронного коллайдера, от завершения УНК отказались окончательно.
Введенный в строй в 2008 году БАК оказался современнее и мощнее, окончательно убив идею реанимировать российский коллайдер. Однако просто бросить гигантский комплекс нельзя и сейчас он представляет собой «чемодан без ручки». Ежегодно из федерального бюджета тратятся деньги на содержание охраны и откачку воды из тоннелей. Средства уходят также на бетонирование многочисленных залазов, притягивающих любителей индустриальной экзотики со всей России.
Последние десять лет предлагаются различные идеи реновации комплекса. В тоннеле можно было бы разместить сверхпроводящий индукционный накопитель, который помогал бы поддерживать стабильность электросети всего Московского региона. Или там можно было бы сделать грибную ферму. Идей много, но все они упираются в отсутствие денег — даже похоронить комплекс и залить полностью бетоном стоит слишком дорого. Пока же невостребованные пещеры науки остаются памятником несбывшейся мечты советских физиков.
Наличие БАК не означает ликвидацию всех остальных коллайдеров. Ускоритель У-70 Института физики высоких энергий и поныне остается крупнейшим действующим в России. Ускоритель тяжелых ионов НИКА строится в подмосковной Дубне. Длина его сравнительно невелика — НИКА будет включать четыре 200-метровых кольца — однако область, в которой будет работать коллайдер, должна обеспечить ученым наблюдение за «пограничным» состоянием, когда ядра и высвободившиеся из ядер атомов частицы существуют одновременно. Для физики данная область считается одной из наиболее перспективных.
В числе фундаментальных исследований, которые будут проводиться с использованием коллайдера НИКА — моделирование микроскопической модели ранней Вселенной. Ученые намерены использовать коллайдер для поиска новых методик лечения рака (облучение опухоли пучком частиц). Кроме того, установку используют для исследования влияния радиации на работу электроники. Строительство нового ускорителя планируют завершить в 2023 году.