СССР мог построить Большой адронный коллайдер первым. Почему под Протвино зарыли миллиарды и забыли о них

В начале 80-х под подмосковным городом Протвино развернули стройку, о которой почти не писали в газетах. Там прокладывали гигантское кольцо — 21 км подземных тоннелей. По ним собирались разгонять протоны до энергий, о которых тогда могли только мечтать на Западе.

Все это лежит на глубине 20-этажного дома. Там горит свет, работает вентиляция, а воздух сухой и чистый.

Но там пусто. Никаких поездов, никаких ученых и никаких открытий.

Советский Союз мог обогнать Европу и открыть «частицу бога» — бозон Хиггса — на 15 лет раньше швейцарцев. Стройка шла полным ходом, туннель закончили, но потом история страны сделала крутой поворот.

Но прежде чем спускаться под землю, давайте поймем, ради чего вообще все это затевали.

Зачем вообще нужны коллайдеры?

Физики — люди любопытные. Им мало знать, что все вокруг состоит из атомов. Они хотят заглянуть внутрь материи. И в таких делах никакой микроскоп не поможет. Единственный способ — разогнать элементарные частицы (например, протоны) до бешеных скоростей, близких к скорости света, и столкнуть их друг с другом.

При ударе выделяется энергия. Из этой энергии рождаются новые, неизвестные (или известные) науке частицы. Специальные детекторы фиксируют, что получилось.

Чтобы удержать быстрые протоны на круговой орбите, нужны мощные магниты. А чтобы частицы не врезались в воздух, нужен вакуум. Все это размещают в длинном тоннеле, потому что разогнать частицы на маленьком кольце невозможно: центробежная сила просто выкинет их наружу. Вот это и есть, собственно, коллайдер.

Как в СССР пришли к идее коллайдера

Теперь, чтобы понять масштаб амбиций, нужно вернуться в 60-е.

Тогда в Протвине уже работал ускоритель У-70 — один из самых мощных в мире на момент запуска в 1967 году. Его создали в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), который позже назвали в честь Анатолия Логунова.

Советская физика высоких энергий тогда держалась на мировом уровне. Кстати, этот самый У-70 работает до сих пор, оставаясь самым мощным ускорителем в России.

Но к началу 80-х его мощностей стало не хватать. Европа и США начали проектировать свои мегамашины. В ЦЕРН (Швейцария) уже копали землю под Большой электрон-позитронный коллайдер. В США планировали Сверхпроводящий суперколлайдер (который, к слову, тоже бросили, но на ранней стадии).

В ответ советские ученые из ИФВЭ предложили построить рядом с действующим маленьким ускорителем в Протвине новый, гигантский.

Проект назвали УНК — ускорительно-накопительный комплекс.

Он должен был стать следующим шагом после У-70. Планировали создать трехступенчатую систему разгона протонов. Сначала частицы ускоряли бы на существующем У-70, затем — на новом кольце-синхротроне, а потом — в главном 21-километровом тоннеле.

Энергия столкновений должна была достигнуть 3 ТэВ (тераэлектронвольт). Для сравнения: самый мощный на тот момент американский ускоритель «Теватрон» выдавал около 1 ТэВ.

Это была заявка на абсолютное мировое лидерство.

Строить начали в 1983 году. Денег не жалели. Это была стройка масштаба БАМа, только высокотехнологичная.

Туннель особого назначения

Кольцо проложили на глубине от 20 до 60 м. Почему так глубоко? Чтобы защитить людей и природу от радиации, которая неизбежно возникает при работе ускорителя. Кроме того, на глубине порода стабильнее — меньше вибраций, которые смертельны для точных приборов.

Диаметр основного туннеля — 5 м. Этого достаточно, чтобы пустить там электричку.

Работу вел «Тоннельстрой». Использовали те же проходческие щиты, что и для метрополитена.

Геология в Протвине сложная. Известняки, глина, грунтовые воды. Строители замораживали грунт, укрепляли своды тюбингами и бетоном. Работали круглосуточно.

И, кстати, туннель для коллайдера должен быть идеально ровным. Отклонение даже на пару миллиметров на дистанции 21 км недопустимо: пучок частиц просто врежется в стену магнита. Для выравнивания использовали лазерные нивелиры и сложнейшую геодезию.

Жители окрестных деревень и дачники даже не подозревали, что прямо под их грядками с картошкой ползут горнопроходческие комбайны, создавая сооружение, которое способно разгадать тайну возникновения Вселенной.

Инженерные чудеса

Кроме основного туннеля длиной 21 км (а это почти половина длины МКАД) под землей вырыли сложную систему коммуникаций.

Там были туннели для инжекции (вброса) пучков частиц из старого ускорителя в новый (длиной 2,7 км) и 19 вертикальных шахт для спуска оборудования и людей.

Ну и конечно, огромные подземные залы для детекторов, которые должны были фиксировать результаты столкновений. Один такой зал имеет размеры 60 на 30 м и высоту 20 м (туда можно спрятать пятиэтажку, например).

К началу 90-х годов горные работы завершили полностью. Все было практически готово. Казалось бы, осталось только завезти оборудование…

Холод и магниты

Но вот именно на этапе оборудования начались сложности. Чтобы удерживать частицы, летящие со скоростью света, внутри трубы, нужны мощнейшие магниты.

Обычные железные магниты для таких энергий получались слишком громоздкими и потребляли бы электричество, как целый мегаполис. Решение было одно: сверхпроводимость.

Если охладить специальные сплавы (например, ниобий-титан) почти до абсолютного нуля (–269 °C), они теряют электрическое сопротивление. Ток бежит по ним почти вечно, не нагревая провода. Это позволяет создавать компактные и невероятно сильные магниты.

В СССР такие технологии сверхпроводимости были, но не в промышленных масштабах. Специально для этого построили целые цеха. И дело пошло: успели сделать и протестировать около сотни магнитов.

И работали они отлично.

Как умирала мечта

Беда пришла, как говорится, откуда не ждали. К концу 80-х в стране начинается экономическая турбулентность. Финансирование науки урезают, но стройка еще идет по инерции.

Но тут история сделала крутой поворот — Советский Союз распался. Деньги закончились моментально. Более того, заводы, которые делали комплектующие, оказываются в разных странах или банкротятся.

Проект УНК оказался слишком дорогим для новой реальности. Ну а немногим позже, в 1993–1994 годах, наступило самое темное время. Инфляция сжирает бюджеты. Денег, выделенных институту на год, хватает на две недели работы.

Бывший директор Института физики высоких энергий Николай Тюрин вспоминает то время с горечью: «Туннель жалко. Столько сил и надежд угробили! Это огромная потеря для страны. Мы лишились людей и теперь даже с большими деньгами не сумеем собрать старую команду».

Вот и получается, что к середине 90-х готовность первой ступени ускорителя оценивали в 70–80%. Туннель есть, свет горит, насосы качают воду, часть магнитов уже стоит на месте. Но, чтобы достроить сверхпроводящее кольцо, нужны были миллионы долларов. А их в молодой России, как водится, не было. В 1998 году, после дефолта, государство решило: достраивать дорого, содержать дорого. Проще заморозить.

Официального торжественного закрытия не было. Проект просто схлопнулся — как и многие амбициозные стройки конца советской эпохи.

Что там сейчас?

Заброшенный 20-километровый туннель не мог не обрасти легендами. Диггеры, сталкеры и любители мистики рассказывают о Протвине всякие разные небылицы.

Кто-то говорит, что весь туннель затоплен и кишит мутантами… Это, конечно, бред. Сам объект все еще находится в ведении Института физики высоких энергий.

Там нет радиации, нет химических загрязнений, работает служба эксплуатации. Насосы круглосуточно откачивают грунтовые воды, работают вентиляция и освещение. Туннель сухой и чистый. Никаких крыс размером с собаку там не видели (да и неоткуда такому взяться).

Любители теорий заговора любят еще разгонять тему с черными дырами. Мол, вот там такую и создали, и рано или поздно она начнет разрастаться и поглотит все вокруг. Но, как мы уже знаем, коллайдер так и не запустили, поэтому создать там что-либо физически не могли. Да даже если бы запустили, энергии УНК не хватило бы для таких фокусов.

Так что же там на самом деле? А там — бесконечная бетонная труба, уходящая вдаль. По полу проложены рельсы узкоколейки. Иногда можно встретить электрокар или рабочих, проверяющих состояние крепей. В некоторых местах стоят смонтированные секции оборудования — памятники несбывшейся мечте.

Чисто теоретически там можно пройти весь круг пешком. Но практически — вас поймают. Это все-таки режимный объект под охраной. Но в 2010-х журналисты часто спускались вниз и делали репортажи. Картинка всегда одна: идеальная сохранность и идеальная пустота.

Мог ли СССР первым создать Большой адронный коллайдер?

Этот вопрос мучает российских физиков до сих пор. Давайте снова посмотрим на цифры.

Проектная мощность УНК составляла 3 ТэВ на пучок. В перспективе планировали поднять до 6 ТэВ. БАК же сейчас работает на энергиях около 6,8–7 ТэВ на пучок (суммарно 13,6 ТэВ).

Но есть один нюанс. УНК должен был заработать в середине 90-х. БАК запустили только в 2008 году. У России было бы 10–15 лет форы.

Бозон Хиггса на нем, скорее всего, нашли бы (он попадает в наш диапазон энергий). И Нобелевская премия уехала бы в Протвино, а не в Женеву. Более того, опыт создания УНК сильно помог европейцам. Многие технические решения для БАК разрабатывали наши ученые, которые уехали в ЦЕРН. А часть кристаллов для детекторов БАК вырастили на российских заводах (в том числе в Богородицке).

Есть ли будущее у коллайдера в Протвине?

Держать и обслуживать пустой туннель длиной 21 км — удовольствие не из дешевых. Грунтовые воды-то, например, никуда не делись. Если остановить откачку, вода заполнит шахты и туннели за несколько недель или месяцев. Это может привести к просадке грунта на поверхности, поэтому за состоянием объекта следят строго. Это миллионы рублей ежегодно.

Естественно, на этом фоне постоянно возникают идеи, как его использовать.

В 90-х и нулевых в Сети и офлайн предлагали разные безумные варианты: выращивать шампиньоны (там идеальный микроклимат), устроить винный погреб или проложить гигантскую линию метро для соединения городов Подмосковья.

И, конечно, ученые отметали эти идеи как бред.

До сих пор периодически всплывают проекты по реанимации УНК. Только вот беда (или, наоборот, тут уж как посмотреть) — технологии за это время ушли далеко вперед. Оборудование, спроектированное в 80-х, безнадежно устарело.

Часть тех опытных образцов хранятся в институте, часть металла в 90-х, к сожалению, ушла в неизвестном направлении.

Ставить туда современные магниты? Это стоит огромных денег, сопоставимых со строительством нового коллайдера с нуля. Да и сегодня тренд в физике — не просто сталкивать протоны, а использовать другие частицы или строить линейные ускорители. Но деньги — не главная проблема.

Проект «СИЛА»

Однако прямо сейчас в России реализуется масштабная программа развития синхротронно-нейтронных исследований.

Главный проект — это источник синхротронного излучения «СИЛА» (название так и расшифровывается: СИнхротрон-ЛАзер).

Кроме того, обсуждается создание нейтронного источника на базе существующего (того самого старого) ускорителя У-70. Ну а технологии сверхпроводимости, разработанные тогда, сейчас используются и в проекте коллайдера NICA, который строят в Дубне. Так что опыт не пропал даром.

Вместо резюме

Ну и какой из всего этого можно вынести урок?

Советские и российские ученые доказали, что в России умеют строить сложнейшие подземные сооружения, создавать передовые сверхпроводящие технологии и готовить лучших физиков в мире. Мы не смогли только одного: довести дело до конца в условиях рухнувшей экономики.

Если бы история пошла иначе, Протвино сегодня стояло бы рядом с Женевой в учебниках физики. Но вместо центра мировой науки мы получили 21 км пустоты.

Самый дорогой и длинный подвал в мире.

При подготовке материала использовались данные с сайта НИЦ «Курчатовский институт», открытые российские источники и архивы СМИ.