16 октября ЦЕРН выпустил пресс-релиз с промежуточными результатами расследования инцидента, произошедшего 19 сентября. 12 Подробная техническая информация содержится в четырехстраничном отчете. 13
Большой Адронный Коллайдер
Детекторы и прекурсоры БАК. Траектория p-протонов (и тяжелых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в p и Pb соответственно). Затем частицы попадают в протонный синхротронный усилитель (PS), через него в суперпротонный синхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на рисунке, расположены рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.
Большой адронный коллайдер (БАК ; сокращенно БАК) — ускоритель заряженных частиц во встречно вращающихся пучках, предназначенный для ускорения протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их столкновений. Ускоритель был построен в Европейском совете по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) в Женеве. По состоянию на 2008 год БАК является крупнейшей экспериментальной установкой в мире.
БАК называется Большим из-за его размеров: Длина главного кольца ускорителя составляет 26 659 метров1, адронный коллайдер — потому что он ускоряет адроны, частицы, состоящие из кварков, а коллайдер — потому что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенных точках. 2
Содержание
В начале 20-го века в физике возникли две фундаментальные теории: Общая теория относительности Альберта Эйнштейна (ОТО), которая описывает Вселенную на макроуровне, и Квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, чтобы адекватно описать процессы в черных дырах, нужно, чтобы обе теории противоречили друг другу.
Эйнштейн много лет пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывается ОТО, так что фундаментальные взаимодействия в настоящее время описываются двумя общепринятыми теориями: GR и CM. Их объединение еще не достигнуто, потому что трудно разработать теорию квантовой гравитации.
Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в единую теорию используются различные подходы: теория струн, развитая в М-теории (теория мембран), теория супергравитации, квантовая петлевая гравитация и др. Некоторые из них чреваты проблемами, и ни для одного из них нет экспериментального подтверждения. Проблема заключается в том, что для проведения соответствующих экспериментов требуются энергии, которые не могут быть достигнуты в современных ускорителях заряженных частиц.
БАК позволит провести эксперименты, которые раньше были невозможны, и, возможно, подтвердит или опровергнет некоторые из этих теорий. Например, существует целый ряд физических теорий с более чем четырьмя измерениями, которые требуют существования «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн, поскольку без суперсимметрии она теряет свой физический смысл. Поэтому подтверждение существования суперсимметрии будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.
Изучение топ-кварков
Топ-кварк — самый тяжелый кварк и, более того, самая тяжелая элементарная частица, обнаруженная на сегодняшний день. Согласно последним результатам Теватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c² 3. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался только в одном ускорителе — Теватроне, а в других ускорителях не хватало энергии для его получения. Более того, топ-кварки представляют интерес для физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Одним из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса на БАК является случайное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того чтобы надежно отделить такие события от фона, необходимо сначала хорошо изучить свойства самих топ-кварков.
Изучение механизма электрослабой симметрии
Одной из главных целей проекта является экспериментальное обнаружение бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в Стандартной модели в 1960 году. Бозон Хиггса — это квант так называемого поля Хиггса, благодаря которому частицы испытывают сопротивление, которое мы считаем массой. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/с²). На самом деле, физиков интересует не столько бозон Хиггса, сколько механизм Хиггса, нарушающий симметрию электрослабого взаимодействия. Возможно, именно изучение этого механизма приведет физиков к новой теории мира, более глубокой, чем теория КМ.
История строительства
Идея проекта Большого адронного коллайдера была разработана в 1984 году и официально утверждена десять лет спустя. Строительство началось в 2001 году после завершения строительства предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.
Ускоритель предназначен для столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ (т.е. 14 тераэлектронвольт или 14-10 12 электронвольт) в системе центра масс сталкивающихся частиц и ядер свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5-10 9 электронвольт) для каждой пары сталкивающихся нуклонов. Это сделает БАК самым высокоэнергетичным ускорителем частиц в мире, превосходящим по энергии ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер «Теватрон», работающий в настоящее время в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (США), и релятивистский ускоритель тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской лаборатории (США) — на порядок.
Ускоритель расположен в том же туннеле, где ранее находился Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель, окружность которого составляет 26,7 км, расположен на глубине около 100 метров под землей во Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции пучков протонов используются 1 624 сверхпроводящих магнита общей длиной более 22 километров. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 К (-271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов было завершено 19 ноября 2006 года.
Испытания
2008 год
11 августа первая часть предварительных испытаний была успешно завершена. 4 Во время испытаний пучок заряженных частиц прошел чуть более трех километров через одно из колец БАК. Это позволило ученым проверить синхронизацию ускорителя-предшественника, так называемого протонного сверхпроводника (SPS), и соответствующей системы наведения пучка. Эта система передает ускоренные лучи в главное кольцо таким образом, что они начинают двигаться в кольце по часовой стрелке. В результате испытаний можно было оптимизировать работу системы.
Второй этап теста состоялся 24 августа. Инжекция протонов в кольцо ускорителя LHC была испытана в направлении против часовой стрелки. 5
10 сентября состоялось официальное открытие ускорителя. В 12:24:30 по московскому времени 6 (по официальным данным, в 12:28 по московскому времени 7) выброшенный пучок протонов успешно прошел всю окружность ускорителя по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени 8 пучок протонов против часовой стрелки также успешно прошел всю окружность ускорителя.
12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить циркулирующий пучок и поддерживать его непрерывным в течение 10 минут. Через некоторое время луч был перезапущен и циркулировал непрерывно, останавливаясь только при необходимости. На этом работы по установке круговой балки были завершены, и физики приступили к детальным испытаниям магнитной системы. 9
19 сентября в 14:05 по московскому времени во время испытаний магнитной системы в секторе 3-4 (34) произошел инцидент, вызвавший сбой в работе БАК. 10 Согласно предварительным исследованиям, которые позже были подтверждены и уточнены, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился из-за дуги, вызванной повышенным током, который пробил изоляцию системы охлаждения гелия (криогенной системы), что привело к утечке около 6 тонн жидкого гелия в туннель и резкому повышению температуры. Для восстановления криогенной системы эта часть ускорителя должна быть доведена до комнатной температуры, а затем охлаждена до рабочей температуры после ремонта.
БАК называется Большим из-за его размеров: Длина главного кольца ускорителя составляет 26 659 метров1, адронный коллайдер — потому что он ускоряет адроны, частицы, состоящие из кварков, а коллайдер — потому что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенных точках. 2
Почему коллайдер, который начали строить в СССР в восьмидесятых годах, так и не закончили?
Эта работа должна была стать кульминацией научной революции 1980-х годов. Небольшой научный городок Протвино, расположенный рядом с ускорителем, должен был стать центром притяжения мировой науки. Однако ускоритель частиц так и не заработал.
Почему строительство крупнейшего в мире адронного ускорителя было остановлено, а проект заморожен? Фактрум» собрал самые интересные факты о советском ускорителе частиц.
Самый большой коллайдер в России и в мире
Судьба советского коллайдера сложна. Затем он активно строился, а потом был почти полностью заброшен. Самые глубокие туннели коллайдера находятся на глубине 60 метров под поверхностью земли. По своей общей длине ускоритель не уступает кольцевой линии московского метрополитена. И этот огромный проект, спрятанный в лесах Подмосковья, еще не завершен.
Сам город Протвино появился в 1965 г. До этого на его месте находился закрытый научный поселок Серпухов-7. Жившие в закрытом поселке ученые работали на действующем в то время протонном синхротроне. Коллайдер должен был стать частью гигантского советского коллайдера. Место для строительства синхротрона и ускорителя было выбрано не случайно. Эта часть Московской области находилась на морском дне, что делало землю недоступной для сейсмических толчков.
Адронный коллайдер в СССР: взлёты и падения
В начале 1980-х годов, когда проекту был дан зеленый свет, в мире не было ничего подобного. Американский Теватрон и швейцарский Суперколлайдер имели гораздо меньшую мощность. В 1983 году были построены первые вертикальные шахты тоннеля. Но бурение в твердой породе было неблагодарным занятием. Работа шла медленно; за несколько лет машины пробурили всего полтора километра породы. В 1988 году СССР выделил дополнительные средства на покупку иностранных буровых установок. Машины не только создавали туннели, но и покрывали полы бетонными плитами с металлической изоляцией. Работа была ускорена.
Строительство одного из туннелей ускорителя
К 1988 году главный кольцевой тоннель был завершен на 70%, а инжекционный тоннель (для транспортировки ускоренных частиц из синхротрона в ускоритель) — на 95%. Для размещения инженерных коммуникаций на участке было оборудовано более 20 специальных площадок. Казалось, что до лучезарного будущего остался всего один последний толчок. Но финансирование снова пошатнулось. В 1991 году бюджет проекта был урезан, а во время кризиса 1998 года средства были практически исчерпаны. Отказ от незавершенного проекта означал бы обречение Московского региона на экологическую катастрофу. Начались ремонтные работы.
Оставшаяся треть туннеля строилась в течение четырех лет. Однако после этого запустить ускоритель было уже невозможно. Туннели не имели достаточной магнитной «оболочки» для генерации поля и ускорения частиц. Однако канал впрыска был полностью герметичен. Кроме того, было завершено строительство строительных павильонов и установка нейтринного телескопа на озере Байкал, который должен был «поймать» частицы.
— Нет, в те годы мы делали очень интересный проект в Протвино: На разных установках мы изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелыми массами. «O» ) и искали новые кварковые резонансы.
В начале начала
Владимир Дмитриевич — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук.
Фото Евгения Гурко, Коммерсантъ
Владимир Дмитриевич — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук.
Фото Евгения Гурко, Коммерсантъ
— Что мы знаем о начале Вселенной, когда образовалась плотная барионная материя? Если бы в то время существовал сторонний наблюдатель, увидел бы он или она действительно Большой взрыв во всех смыслах этого слова?
— В первый момент Большого взрыва плотность барионной материи была невелика. Была большая плотность энергии. Там были материя и антиматерия в равных пропорциях. Все это расширялось в пространстве с огромной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге легли в основу будущих звезд и галактик, согласно теориям ведущих российских ученых (подробнее см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Другой вопрос: как возникла материя? Это одна из самых интересных проблем в современной физике. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это было очень маленькое различие, которое породило всю нашу Вселенную.
Различные процессы во Вселенной ответственны за возникновение разницы между материей и антиматерией, что невозможно без нарушения определенных симметрий, одна из которых в науке называется нарушением SR. В 1980 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч были удостоены Нобелевской премии за свое открытие. Кстати, открытие было сделано в 1964 году, и в том же году о нем впервые сообщили в Дубне.
— Почему ты?
— В Дубне прошла крупнейшая конференция в области физики высоких энергий, так называемая Рочестерская конференция, которая является чем-то вроде Олимпийских игр для физиков высоких энергий. Здесь представлены лучшие достижения за последние несколько лет.
Однако, когда мы вернемся во Вселенную, мы будем использовать NICA, чтобы попытаться понять, как материя переходит от обычной материи, которую мы видим вокруг нас, к материи свободных кварков.
Чрезвычайно интересно понять, как кварки освобождаются, а затем возвращаются в свою «тюрьму» в условиях, когда они максимально сжаты. NICA воссоздаст весь этот процесс от образования кваркового бульона до образования новых частиц.
— Можно ли будет аналогичным образом изучать антиматерию? Часто пишут, что это будет стоить много денег….
— Антиматерия сейчас изучается в ЦЕРНе. Там проводятся очень интересные эксперименты, когда пытаются поймать антипротон в специальную ловушку. В целом, антиматерия создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но она быстро исчезает при столкновениях с обычной материей. По этой же причине маловероятно, что она когда-либо может быть произведена в ощутимых количествах.
— Интересно, что ваш коллайдер, предназначенный для самой простой работы, также имеет прикладной аспект. Из чего она состоит?
— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшем будущем. Первая касается облучения электронных схем, без которого невозможно создать революционные электронные схемы, стабильно функционирующие в условиях высокой радиации и космических лучей. Это необходимо для космических путешествий и других целей. Ведь даже простое попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. NICA будет использоваться для разработки статистики отказов и систем защиты.
Коллайдер размером с Землю
— Вы сказали, что крупнейшие эксперименты в области физики высоких энергий в настоящее время проводятся в ЦЕРНе. Какую главную проблему хотят решить там физики, и что произойдет, когда мощность ускорителя будет исчерпана?
— Теперь БАК будет детально изучать бозон Хиггса, и, скорее всего, будет построен еще больший ускоритель, во много раз более мощный, чем нынешний. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на заседании Руководящего комитета ЦЕРН, в который входят представители 23 стран. Каждые семь лет она разрабатывает стратегический план развития. На этот раз было решено изучить осуществимость проекта, т.е. его географическое положение, технический потенциал и стоимость.
— Какого размера будет гигант?
— Если диаметр работающего в настоящее время Большого адронного коллайдера составляет около 27 километров, то мы говорим о 100 километрах.
— Так столкнутся ли ученые с протестами местных жителей снова? Ведь в прошлый раз они не захотели стать соседями такой мощной научной установки, как БАК.
— Да, и возникли неожиданные конфликты, в том числе юридического характера. Нынешний коллайдер, как вы знаете, пересекает Францию и Швейцарию. Когда они прорыли для него туннель, оказалось, что законы в разных странах разные: Где-то владелец имеет права только на почвенный слой, а где-то его права простираются вглубь земли! Другими словами, вы не можете просто проложить подземную линию под его ногами или что-то в этом роде. Поэтому пришлось выдавать сложные разрешения.
— Есть ли у ученых конкретная цель для такого большого и дорогого объекта?
— В этом и заключается проблема: пока нет четкой физической цели, а без нее очень трудно двигаться вперед. Никто не знает, какая энергия необходима для обнаружения явлений так называемой новой физики (явлений за пределами принятой в настоящее время Стандартной модели — «О»). БАК был построен на основе идеи о том, при каких энергиях может быть обнаружен бозон Хиггса, и это сработало. Однако ожидалось, что она подтвердит так называемую теорию суперсимметрии, чего пока не произошло. И нам важно понять, существует ли она в природе или только в умах теоретиков. Также было бы интересно понять природу кварка: является ли он точечной частицей или имеет структуру.
— И существует ли в принципе предел для развития технологии ускорителей? Или коллайдеры будут становиться все больше и больше?
— В общем, предел — это размер Земли, может быть, даже больше.
Дороги, которые мы выбираем
Под его руководством планируется и строится крупнейший в России мегапроект — коллайдер и экспериментальный комплекс NICA.
Фото Евгения Гурко, Коммерсантъ
Под его руководством планируется и строится крупнейший в России мегапроект — коллайдер и экспериментальный комплекс NICA.
Фото Евгения Гурко, Коммерсантъ
— Насколько пандемия отодвинула сроки сдачи NICA?
— По нашим оценкам, примерно на полгода, потому что многие работы за рубежом пришлось приостановить. Но пока что мы не изменили наши планы по запуску в конце 2022 года.
— Что за работа и где она выполнялась?
— В основном в Европе. С доставкой из Италии на ускоритель самого важного компонента детектора MPD — сверхпроводящей катушки большого аналитического магнита — у нас начинается очень напряженное время. Это огромный проект, размером 8 на 9 метров, с упаковкой весом более 70 тонн, плюс половина веса стеллажа, в котором она перевозится. Это очень чувствительный груз, который необходимо перевозить со всеми мерами предосторожности, такими как датчики удара и т.д. Такую массивную буровую установку можно транспортировать только по воде. Наш груз должен был пройти путь от Генуи, где он был построен, до Санкт-Петербурга, а затем речным пароходом по Волге прямо сюда, в Дубну. Но поскольку весной из-за пандемии работы не могли быть выполнены, срок поставки был перенесен. И теперь нам нужно успеть доставить груз до закрытия волжского судоходства. А оставить катушку в Италии до весны не представляется возможным и означает как задержку проекта, так и дополнительные большие расходы. Кстати, в мире не так много компаний, которые могут это сделать.
— В чем заключается основная трудность?
— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен генерировать чрезвычайно однородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C. — «O» ). Toshiba из Японии и ASG Superconductors из Италии построили такие установки для Большого адронного коллайдера.
— Нет, в те годы мы делали очень интересный проект в Протвино: На разных установках мы изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелыми массами. «O» ) и искали новые кварковые резонансы.
Страшилки о коллайдере — это вымысел
В этом случае, считает заместитель директора Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, не стоит обращать внимание на различные ужастики, которые часто рассказывают о результатах работы ускорителей. Он подчеркнул, что пример БАК доказывает, что ничего страшного не произошло.
«Это все ужасные истории. Самое главное, что человечеством всегда двигало любопытство. Во-первых, у человека есть желание что-то где-то контролировать. БАК работает. То же самое будет и с нами. Мы не собираемся устраивать большой взрыв», — сказал Бутенко.
Почему коллайдер строят именно в Дубне?
В строительстве ускорителя NICA принимают участие ученые из 26 стран. Однако все это происходит в России, в Дубне. По словам Бутенко, никакой политической ангажированности нет.
«Прежде всего, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне всегда был международной организацией с участием многих стран. Почему здесь? Да, потому что мы внесли свой вклад. У нас есть возможность, у нас есть пространство, чтобы представить все. И что еще важнее, у нас было оригинальное место. Нуклеотрон работает уже более 25 лет. Это довольно продвинутая сверхпроводящая машина. Это одна из самых важных частей всего комплекса», — пояснил Бутенко.
Он напомнил, что ускоритель был назван NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) из-за нуклотрона.
Польза коллайдера для обычных людей
Строительство коллайдера в Дубне имеет огромное значение как для России, так и для всех стран-участниц. Ученые Московской области в настоящее время работают над новыми технологиями.
«Мы не можем построить что-то новое, современное, не используя новые технологии, разработанные здесь и во всем мире. В каждой из 26 стран-участниц создается что-то свое. Это не просто готовые решения, а нечто совершенно новое. Большое количество ученых, конструкторов и технологов работают над развитием науки и достижением невиданных ранее результатов», — сказал Бутенко.
По его словам, трудно сказать, какие именно выгоды это принесет национальной экономике. Но в любом случае это будет положительный результат. В конце концов, это исследования в области радиационной биологии, исследования в области ядерных технологий. Это позволит повысить эффективность атомных электростанций и сократить количество ядерных отходов.
Михаил Шандов, научный сотрудник NEO по сверхпроводящим магнитам и технологиям, Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, выразил аналогичное мнение, отметив, что многие страны очень заинтересованы в создании крупных наукоемких проектов, которые сейчас называют мега-науками.
«Это очень большой толчок для технологического сектора заинтересованных сторон. Все эти технологии затем передаются в так называемую национальную экономику. И если в начале 20-го века ускорители были исключительно инструментом для экспериментов, то сегодня они используются в медицине, аэропортах и метро», — пояснил Шандов.
Он также подчеркнул, что в Московском регионе не будет создано новых вселенных или черных дыр, но то, что будет обнаружено, может стимулировать развитие отрасли. В конце концов, полупроводники, давшие начало мобильным телефонам и интернету, появились в результате таких крупномасштабных экспериментов.
«Что принесет новый ускоритель, пока неясно, но что точно, так это то, что у нас будет сильный магнит для физиков и ученых со всего мира, и новое поколение будет расти, зная, что великая наука может развиваться в их собственной стране», — пояснил Шандов.
— Вы сказали, что крупнейшие эксперименты в области физики высоких энергий в настоящее время проводятся в ЦЕРНе. Какую главную проблему хотят решить там физики, и что произойдет, когда мощность ускорителя будет исчерпана?
Как в подземелье в СССР строили самый мощный в мире коллайдер, и что из этого вышло
Получайте одну из наших самых читаемых статей в свой почтовый ящик раз в день. Присоединяйтесь к нам на Facebook и ВКонтакте.
В конце существования Советского Союза в Московской области началось строительство крупнейшего инновационного объекта — ускорителя. Этот проект мог бы стать научной революцией в 1980-х годах, поскольку в то время в мире не существовало сравнимых устройств. Мощность Теватрона в США и швейцарского Суперколлайдера явно уступала советскому проекту. Но затем наступили 1990-е годы, а вместе с ними и распад Советского Союза. Финансирование по понятным причинам прекратилось, и сегодня выведенный из эксплуатации ускоритель частиц по-прежнему стоит в километровом подземном пространстве под Протвино.
Крупнейший акселератор в мире
Советский коллайдер был крупнейшим проектом позднего Советского Союза со сложной судьбой. Его либо быстро построили, либо забросили. Результат был катастрофическим. Туннели ускорителя были такой же длины, как кольцевая линия московского метро. И все это под подмосковными лесами не было завершено.
В 1960 году, задолго до принятия решения о стратегическом строительстве крупнейшего в Советском Союзе научного объекта, был создан секретный поселок Серпухов-7. Эта точка на карте появилась как база для деятельности IHEP (Института физики высоких энергий). Место было выбрано исходя из геологических соображений. Почва в этой части Московской области была дном древнего моря, которое могло защитить подземные сооружения, возникшие в результате сейсмической активности.
В 1965 году Серпухов, который не был отмечен на карте, получил статус муниципалитета и был переименован в Протвино, по названию небольшой местной реки Протвы. Через 2 года в Протвино был введен в эксплуатацию крупнейший на тот момент ускоритель частиц — протонный синхротрон У-70. Ученые, жившие в закрытом поселке, продолжали развивать функциональный синхротрон. По их представлениям, U-70 впоследствии должен был стать частью будущего большого советского коллайдера. Кстати, этот коллайдер работает и сегодня в качестве высокоэнергетической установки.
В начале 1980-х годов, когда правительство дало зеленый свет проекту ускорителя, в мире не было сопоставимых установок. Характеристики американского ускорителя Теватрон, а также более совершенного швейцарского Суперпроекта явно уступали детищу советских ученых. Проектом нового, самого мощного в мире протонного ускорителя руководил академический физик Анатолий Логунов, научный руководитель Института физики высоких энергий. Теоретическая база UNK предусматривала, что в качестве первой двигательной ступени будет использована U-70, которая уже давно находится в эксплуатации. План предусматривал второй этап. Если на первом этапе пучок протонов с U-70 был увеличен до 400-600 ГэВ с энергией 70 ГэВ, то на втором этапе энергия протонов достигла максимальных значений. Оба участка УНК должны были разместиться в общем кольцевом тоннеле, размеры которого, согласно плану, должны были превысить размеры кольцевой линии московского метрополитена. Еще одной общей чертой с метрополитеном было то, что строительство подземных тоннелей осуществлялось московскими метростроевцами и специалистами из Алма-Аты.
Трудности в строительстве и то, что было достигнуто
Михаил Шандов, научный сотрудник NEO по сверхпроводящим магнитам и технологиям, Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, выразил аналогичное мнение, отметив, что многие страны очень заинтересованы в создании крупных наукоемких проектов, которые сейчас называют мега-науками.
Физика частиц в действии
Приключения итальянского оборудования в России интересны сами по себе. Международной группе экспертов потребовалось пять лет, чтобы спроектировать и разработать магнитно-кристаллическую систему. Из-за своих размеров и научной ценности сверхважный элемент ускорителя NICA был бережно доставлен из Италии исключительно морским путем: Груз следовал по маршруту из Генуи в Санкт-Петербург, затем по озерам Нева, Ладога, Онега и Белое, через Рыбинское водохранилище и далее по Волге до порта Дубна. Вы можете посмотреть, как это получилось, здесь:
Сложность транспортировки заключалась в том, что основная часть магнита, цилиндрический вакуумный криостат из стали диаметром более 5 метров со сверхпроводящей трубкой внутри, является чрезвычайно сложным и чувствительным устройством. Поскольку сверхпроводимость возникает в катушке магнита при очень низких температурах, обмотка из ниобий-титановой проволоки охлаждается до 40-80 К жидким гелием. В целях безопасности криостат пришлось установить в большой металлический саркофаг и оснастить датчиками удара, чтобы обеспечить безопасное прибытие магнита, собранного итальянскими инженерами по проекту российских конструкторов из «Нева-Магнит».
Для разгрузки 120-тонного научного груза в порту использовались кран и два трактора мощностью 680 лошадиных сил каждый. Саркофаг с магнитом был доставлен в экспериментальный зал MPD специальным поездом с большими предосторожностями. Для этого им даже пришлось отключить половину наукограда от электросети: По пути следования были временно демонтированы силовые кабели и другое оборудование городских коммуникаций, мешавшее движению.
В этот день жители правого берега реки Дубна несколько часов были без электричества, воды и отопления, так как все эти удобства также подключены к электричеству, которое было отключено 6 ноября 2020 года.
Сборка первых компонентов для магнита началась год назад, в июле 2020 года, на специальной площадке для детектора MPD. В течение нескольких недель были установлены магнитодержатели — 13 пластин ига — и с большой точностью смонтированы два кольца магнитодержателя MPD. На полную сборку устройства ушло восемь месяцев. Если бы не корона и связанные с ней ограничения, все развивалось бы быстрее. Однако ускоритель NICA — это крупный международный проект, в котором участвуют более 40 институтов по всему миру и более 500 ученых с пяти континентов. Итальянской стороне потребовалось много времени, чтобы добраться до России для установки оборудования, поскольку в обеих странах бушевала пандемия: границы были закрыты, а наука находилась в состоянии покоя.
Как отмечают изобретатели ускорителя, трубчатая катушка диаметром 5,6 м и длиной 8 м не только создает однородное магнитное поле в большом объеме, но и служит механической конструкцией для других элементов устройства. Другими словами, без этой катушки невозможно построить сам MPD-детектор, и, конечно же, невозможно запустить ускоритель.
Что будет происходить внутри ускорителя, когда он наконец запустится? Два пучка частиц полетят навстречу друг другу и столкнутся в этом магните, где будут установлены детекторы столкновения частиц. Каждый детектор нацелен на разный диапазон энергий и отвечает за разные области физики. Ученые расшифруют эти данные и расскажут миру о том, что происходит при столкновении частиц, воспроизводя на микроуровне первые мгновения после Большого взрыва. Ожидается, что эти знания выведут физику частиц и астрономию на новый уровень.
Провернуть фарш на 14 млрд лет назад
В народе говорят, что «фарш нельзя перевернуть вверх дном». Но ученые из ОИЯИ собираются сделать именно это — повернуть время на 14 миллиардов лет назад, чтобы увидеть первую микросекунду формирования мира. Физики уже провели хорошее и всестороннее исследование того, как расширялась Вселенная с той первой секунды, но они все еще не могут понять, что предшествовало ей и существовала ли она вообще. Ускоритель NICA должен стать своего рода научной «машиной времени», которая перенесет нас в начало Вселенной и поможет ответить на некоторые «горячие вопросы» науки.
Один из них звучит парадоксально: почему в нашей Вселенной есть что-то, кроме чистого света? Теоретически, физики точно знают, что каждое деление симметрично. Всегда есть левое и правое, плюс и минус, прошлое и будущее, и, согласно расчетам ученых, при рождении каждой частицы неизбежно возникает симметричная античастица. Но где он находится? Как его поймать? Что это значит? Ученые ждут ответов от ускорителя NICA.
«Когда-то давно Вселенная была почти в равной степени заполнена частицами и античастицами, — объясняет Алексей Семихатов, ведущий канала Science, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института имени Лебедева Российской академии наук, — на 1 миллиард античастиц приходилась 1 частица. Всего одна дополнительная частица на миллиард! Со временем каждая частица находила свою античастицу, предварительно отжигалась, то есть преобразовывалась в излучение, и исчезала. И все, что мы видим сейчас, чем наполнен мир, — это лишь один миллиардный остаток. Но откуда он взялся — загадка. Слава Богу, откуда-то взялось! Если бы не этот первоначальный беспорядок между частицами и античастицами, нас с вами не существовало бы, потому что не из чего было бы создавать мир». В науке эта проблема называется «барионная асимметрия Вселенной».
В коллайдере NICA ионы тяжелых металлов будут сталкиваться друг с другом при тщательно подобранных энергиях, но не для того, чтобы столкнуться, а чтобы на мгновение «слипнуться». Ученые предполагают, что именно таким образом создается очень плотная кварк-глюонная плазма, которая, как считается, сформировала нашу Вселенную в первые микросекунды ее образования. Если кварк-глюонная плазма имела асимметрию во время Большого взрыва, то нечто подобное произойдет и при взрыве маленькой плазмы в коллайдере — именно то, на что надеются физики.
Когда NISA начнет функционировать, мы также узнаем, что происходит внутри нейтронных звезд. Кварк-глюонная материя внутри них может быть создана под действием массивной гравитации. Там материя просто измельчается: сначала отрицательно заряженные электроны сжимаются в положительно заряженные протоны, а нейтроны образуются как нейтральные частицы. И если гравитация достаточна, нейтроны также могут осаждаться и дробиться в холодной, плотной кварк-глюонной плазме. До сих пор на Земле не удавалось создать это уникальное состояние материи. Плотность в глубоких слоях нейтронной звезды составляет не менее 20 миллиардов тонн на 1 см³. Это все равно, что сжать Байкал в чайную ложку. Ученые даже не решаются оценить плотность кварк-глюонной материи в наших обычных, осязаемых единицах.
«Ускоритель NICA был создан для воспроизведения того, что происходит при высоких плотностях энергии, которые могли существовать на ранних стадиях формирования Вселенной, — рассказал «Науке» Дмитрий Казаков, директор Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, кандидат физико-математических наук, член-корреспондент РАН, — Мы хотим посмотреть, что происходит при очень высоких плотностях материи. Нас интересует высокая плотность ядерной материи — больше, чем у обычных ядер. Эта материя почти неизвестна нам в обычной природе, мы с ней не сталкиваемся. Его можно найти в нейтронных звездах. Но нейтронные звезды тоже не являются повседневными объектами.
Коллайдер NICA родом из 1950-х
Коллайдер NICA стал международным флагманом для исследований кварк-глюонной плазмы, поскольку энергии, до которых ускоряются частицы в Дубне, в прошлом вряд ли подходили для такой задачи.
Еще 65 лет назад советские физики разработали ускоритель частиц — синхрофазотрон. В 1957 году он позволил ускорить протоны до ранее недостижимых энергий — 10 ГэВ. Это удивительное устройство не было демонтировано; с технологической точки зрения, оно обеспечивает стабильность здания, которое будет питать второе и третье скоростные кольца «коробки передач» NICA — усилитель и нуклеотрон. Вес исторического сооружения составляет 36 000 тонн. В случае демонтажа будет нарушена стабильность структуры и нарушены орбиты всех работающих здесь систем и оборудования. Более того, ученые ОИЯИ считают, что синхрофазотрон — это научный памятник человечеству, который не должен быть разрушен.
«В каком-то смысле удача оказалась в том, что исторически сложился синхрофазотрон именно такой энергии ускоренных протонов или ядер, что при запуске в кольца ускорителя он, согласно существующим моделям, обеспечивал максимальную плотность, — сказал в эфире канала «Наука» доктор физико-математических наук, — Получилось так, что то, что есть здесь в Дубне, когда мы строим кольца, которые сейчас достроены, обеспечивает максимальную плотность».
Взрослые любят цифры. А вот некоторые для сравнения. Энергии, достигнутые в 2018 году на самом мощном ускорителе современности, Большом адронном коллайдере, в 700 раз превышают энергию советского синхрофазотрона (10 ГэВ). Ускорителю NICA не нужно так много для создания чрезвычайно плотной кварк-глюонной плазмы. Этого достаточно, чтобы каждый протон в тяжелых ионах, пролетающих вокруг кольца ускорителя, достиг энергии 11 ГэВ, что немного больше, чем у синхрофазотрона.
Обычный человек может воскликнуть: «Ну, наука! Небольшое улучшение для куска железа, которому более 60 лет! Однако в действительности решения для ускорителя и детекторов NICA представляют собой вершину технологии экспериментальной науки. При условии, конечно, что все работает так, как представляют себе ученые, и что элементарные частицы им подчиняются.
Подробнее о работе ускорителя можно узнать из фильма «В погоне за сверхплотностью. Научные острые ощущения» на канале Science Channel.
Ученые описали первую микросекунду после Большого взрыва
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
Как возникла Вселенная и что было дальше?
На сайте могут использоваться материалы из Facebook и Instagram, принадлежащих Meta Platforms Inc. и запрещенных в Российской Федерации.
