Большой адронный коллайдер – ускоритель на встречных пучках. Весь смысл работы любого ускорителя – разогнать частицы до как можно более высоких энергий, а затем использовать эту энергию движения для изучения устройства частиц и их превращений.
Однако если просто разгонять частицы и ударять их о неподвижную мишень, то использовать для проникновения в тайны их взаимодействия друг с другом всю энергию не получится. Помешает закон сохранения импульса, требующий, чтобы полное количество движения до и после столкновения не менялось. Для ускорителей с неподвижной мишенью отсюда с неизбежностью следует, что продукты взаимодействия должны с огромной скоростью быть выбиты в направлении движения исходной частицы; как результат, значительная часть энергии, которая могла пойти бы на взаимодействие, вынуждена будет уйти в кинетическую энергию осколков.
Ускорители на встречных пучках, они же коллайдеры, решают эту проблему, сталкивая частицы, движущиеся в противоположных направлениях. При этом энергия столкновения равна сумме энергий двух сталкивающихся частиц, а вот сумма направленных в разные стороны импульсов близка к нулю. Как следствие, никаких требований к быстрому разлёту продуктов реакции нет, и вся энергия встречных пучков может быть использована для вскрытия тайн взаимодействия составляющих их частиц. Коллайдеры обладают ещё целым рядом преимуществ, самое главное из которых – возможность изучать продукты столкновения, разлетающиеся во всех мыслимых направлениях.
Вместе с тем построить ускоритель на встречных пучках значительно сложнее,
и, придуманные американцем Дональдом Керстом ещё в середине 1950-х, они были реализованы лишь десятью годами позже – членом-корреспондентом РАН Гершем Ицковичем Будкером, одним из «отцов» ускорительной физики, работавшим в новосибирском Академгородке. Сейчас его имя носит Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН, который Будкер возглавлял в течение двух десятилетий, и который поставил на строительство LHC больше оборудования, чем любой другой институт мира.
ускоритель заряженных частиц – протонов и ядер тяжёлых атомов, расположенный в 27-километровом круговом тоннеле, проложенном на глубине от 50 до 175 метров по обе стороны от франко-швейцарской границы. Также называется и эксперимент, который будет проведён в этом сооружении. За проект отвечает Европейский центр ядерных исследований (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), штаб-квартира которого расположена в Швейцарии, недалеко от Женевы.
Сам тоннель был построен ещё в середине 1980-х годов и предназначался для Большого электрон-позитронного коллайдера LEP, который теперь уступит место большому адронному. В тоннеле проложены две длинных вакуумных трубы, в каждой из которых в противоположных направлениях движутся два пучка частиц. Направляет частицы магнитное поле, которые создают полторы тысячи сверхпроводящих магнитов, температура которых поддерживается почти 100 тонн жидкого гелия.
Частицы в LHC поставляет каскад дополнительных ускорителей, разгоняющих протоны до 0,45 ТэВ. Задача ускорителя – увеличить их энергию в 15 раз, до 7 ТэВ. Помимо протонов LHC будет также использоваться для столкновения встречных пучков ядер свинца; энергия каждого из них превысит 1100 ТэВ, составив около 2,75 ТэВ на один нуклон (протон или нейтрон). Полная энергия пучка, разбитого на почти три тысячи сгустков, соответствует кинетической энергии скоростного французского поезда TGV, несущегося со скоростью около 160 км/ч.
Изучать продукты столкновения будут несколько огромных детекторов, самыми крупными из которых являются CMS, расположенный на французской территории, и ATLAS, оставшийся в Швейцарии. Используются также несколько специализированных детекторов – например ALICE, предназначенный для исследования кварк-глюонной плазмы, возникающей при столкновении тяжёлых ядер.
В конце июня завершается стадия охлаждения сверхпроводящих магнитов до рабочей температуры около 2K. Предполагается, что первые частицы будут вброшены в большое кольцо ускорителя в середине июля, а эксперименты по столкновению встречных пучков протонов с энергией около 5 ТэВ на протон начнутся в середине осени. После зимнего перерыва энергию планируется увеличить до расчётных 7 ТэВ.
Предполагается, что ускоритель может добиться рождения частиц, которые предсказаны так называемой Стандартной моделью, но до сих пор не удавалось изучать ни в лаборатории, ни среди космических лучей. Конечно, физики с ещё большим нетерпением ждут и явлений, которые в стандартную теорию не вписываются.
Как правило, оба пучка коллайдера физически располагаются рядом: так их траектории можно сгибать одними и теми же электромагнитами, чтобы свести их к точке столкновения, вокруг которой расположены детекторы, требуется меньше усилий; в конце концов, и места они в этом случае занимают меньше, что экономит ещё и деньги. Точно так же, бок о бок, расположены и две вакуумные трубы, проложенные по главному тоннелю Большого адронного коллайдера через полторы тысячи сверхпроводящих электромагнитов. И движение каждого из этих пучков требуется «настроить».
Именно этим и занимались физики в течение сегодняшнего дня.
На самом деле, впервые разогнанные в каскаде предускорителей LHC, протоны попали в одну из труб ещё в начале августа. В 27-километровое главное кольцо протоны попадают из так называемого протонного суперсинхротрона (SPS) – меньшего по размерам ускорителя, способного разгонять протоны до энергии в 450 ГэВ (450 миллиардов электрон-Вольт). Чтобы частицы проследовали дальше, учёным необходимо синхронизовать работу направляющих электромагнитов двух ускорителей, причём сделать это с точностью до миллиардных долей секунды.
Именно этого и удалось достичь в первой декаде прошлого месяца, но попытки пустить протоны по всей длине не предпринималось. В течение месяца сотрудники CERN продолжали тестировать электромагниты и детекторы. В ходе тестов, на самом деле, даже удавалось пропустить протоны по нескольким секторам тоннеля за раз, а кое-каким приборам даже удалось зафиксировать продукты взаимодействия 450-ГэВных протонов со стенками вакуумных труб.
Самое сладкое физики оставили до 10 сентября.
Видимо, памятуя об огромной стоимости «грандиознейшего научного эксперимента в истории» (к тому же вышедшей за рамки исходного бюджета), руководство проекта LHC даже решилось проводить все работы публично, перед глазами телекамер и миллионов людей по всему миру, на деньги которых, собранные через налоги и вложенные в развитие науки, этот эксперимент проводился.
Для всех сотрудников CERN, кто пережил «Ночь накануне конца света» (End of the World Party) – так назывался праздник, организованный в ночь на среду в одном из баров ядерного центра, главное действо началось в 09:30 по среднеевропейскому времени (11:30 мск). В этот момент Стефано Радаэлли и Рассано Джьякино отдали системе команду на впрыск пучка протонов в главное кольцо. Хотя нечто подобное происходило и в августе, успех действия был встречен аплодисментами и восторженными воплями присутствующих в зале управления экспериментом учёных, инженеров и журналистов.
в тоннеле будут постоянно циркулировать 300 триллионов протонов, пробегающих по кругу за 90 микросекунд и полностью обновляющих свой состав примерно за несколько часов. Их общая масса покоя - всего 0,5 нанограммов, но полная энергия, которую они будут нести, составит примерно 350 МДж – это энергия локомотива поезда, несущегося со скоростью 300 км/ч или товарняка из 50 стандартных вагонов, гружёных углём, движущихся со скоростью 50 км/ч.
Несколько миллиардов столкновений в секунду будут фиксировать четыре крупных детектора – CMS, ATLAS, ALICE и LHCb. Поток информации, которую они будут выдавать, составляет около гигабайта в секунду. Базовые компьютеры самого CERN будут на лету выделять «самые интересные» с точки зрения науки столкновения, и информация о них будет через несколько десятков узлов первого и несколько сотен узлов второго уровня передаваться на какие-то из 80 тысяч компьютеров по всему свету, объединённых системой распределённых вычислений GRID.
Первые протоны преодолели всё кольцо и могли свободно циркулировать по нему, пролетая окружность за 1/10 000 долю секунды.
Следующие часы были потрачены на то, чтобы подкорректировать работу дипольных – направляющих и квадрупольных – фокусирующих пучок – электромагнитов, пока руководителю проекта Лину Эвансу не показалось, что работа сделана. Далее пришёл черед аналогичных работ для пучка в обратном направлении. В четвёртом часу пополудни по местному времени (в шестом часу вечера по Москве) пришло сообщение, что протоны смогли пройти всю длину тоннеля и в обратном исходному направлении, против часовой стрелки.
Пока учёные идут с опережением графика.
Не исключено, что с опережением графика пойдут и работы по наращиванию энергии и сведению двух пучков в четырёх основных детекторах прибора. Изначально на них отводилось один-два месяца. Если всё пойдёт так же гладко, как сегодня, первых столкновений можно ждать ещё до официальной инаугурации установки 21 октября 2008 года. Высоким гостям, которых в тот день в CERN ожидается немало, будет, что показать.
