Коллайдер во все стороны

Учёные добились проводки пучков протонов в LHC в обоих направлениях

Reuters
Работа по запуску Большого адронного коллайдера идёт даже быстрее, чем планировалось. К вечеру учёным удалось провести пучок протонов в направлении против часовой стрелки. Если работы пойдут такими же темпами, уже к началу октября случится то, чего так опасаются тысячи людей и чего с таким нетерпением ждут физики, – первые столкновения встречных пучков.

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.

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.

Специальный заградительный экран, установленный на выходе из первого сектора, показал, что пучок не сильно растрепался при прохождении по нему, и уже через несколько минут новый пучок преодолел уже два сектора. Следующему пучку уже дали возможность двинуться дальше – сразу через третий и четвёртый сектора. После небольшой заминки, причина которой пока до конца не ясна, и этот этап был преодолён, а детектор CMS даже зафиксировал свои первые частицы. Затем был пятый сектор, шестой, срабатывание систем крупнейшего детектора ATLAS, седьмой сектор, и в 10:26:30 по местному времени (12:26:30 мск) весь контрольный зал взорвался аплодисментами, а некоторые даже побежали открывать шампанское.

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.