Большой адронный коллайдер: взгляд изнутри

С начала работы Большого адронного коллайдера (он же Large hadron collider, он же LHC) прошло три года. Но знаем мы о нем на удивление немного. Сначала все боялись, что с началом работы коллайдера наступит конец света — это сделало установку героиней желтой прессы. Потом, толком не начав работать, коллайдер сломался, и это тоже вызвало к нему интерес со стороны отнюдь не профильных СМИ. А потом вроде бы все наладилось, и тема LHC потихоньку ушла из новостей.

Мы решили выяснить — что же происходит с коллайдером на самом деле и чего ждать от него в обозримом будущем. Алла Аршинова предложила побеседовать с Александром Ерохиным — научным сотрудником Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидатом технических наук. Уже 14 лет он работает с Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН) и во время запуска LHC в 2006—2008 годах был одним из ответственных за системы защиты магнитов. С тех пор «основных» мест работы у Александра два — новосибирский Академгородок и ЦЕРН.

Беседа состоялась, но, прочитав ее расшифровку, мы дружно схватились за головы. Нет, все было интересно и по делу. Однако категории, которыми мыслит Александр, равно как и термины, им употребляемые, сделали текст, скажем так, трудноусваиваемым для массового читателя. Тем не менее, отказываться от этого во многом уникального материала не хотелось, и по нашей просьбе Алла в два захода подвергла его некоторой популяризации. Конечно, дотянуть простоту изложения до уровня «Занимательной физики» Перельмана не удалось, но теперь те, кто не прогуливал физику в школе, смогут понять примерно 95% сказанного.

Если же вы все-таки опасаетесь читать текст, скажем кратко: Большой адронный коллайдер — это не поп-звезда, а мощный дорогой инструмент, с помощью которого серьезные люди попытаются разгадать некоторые основы мироздания. Дело это непростое и небыстрое, так что придется запастись терпением и, дабы оценить сенсацию, в процессе ожидания лучше проштудировать пару пособий для студентов физтеха. Или все же начать с этого интервью. Тем более что мы подготовили небольшой словарик ключевых терминов.

Александр Ерохин на открытой площадке CERN

Алла Аршинова: Александр Иванович, для коллайдера минувший год и начало нынешнего – период постепенного повышения энергии, светимости, увеличения количества сгустков в пучках. Как система переносит эти изменения?

Александр Ерохин: На последнем выездном заседании во французском городе Шамони представители ЦЕРН заявили, что LHC будет работать до конца 2012 года, конечно же, с традиционной рождественской остановкой в конце 2011 года. Решено, что энергия на пучок до конца года не будет повышаться более 3,5 тераэлектронвольт (далее — ТэВ). Напомню, что ранее собирались остановиться на полтора-два года уже в конце 2011-го, но последние успехи по увеличению числа сгустков, а следовательно, и светимости, дали надежду на «новую физику» в грядущие два года. На это решение повлиял также и тот факт, что все системы комплекса работают стабильно. Обнадеживает и состояние контактов между токоведущими шинами сверхпроводящих магнитов (как мы помним, именно некачественная пайка одного из таких контактов и привела к аварии 19 сентября 2008 года). Стоит пояснить, зачем вообще на LHC нужна магнитная система? Она создает магнитное поле, за счет которого в ускорительном кольце поддерживается орбита для сгустков частиц. Магнитное поле создается более чем двумя тысячами сверхпроводящих магнитов, для функционирования которых необходимо поддерживать температуру 1,9 К (–271,25 °С).

Что ждет коллайдер в текущем году, так это, действительно, увеличение числа сгустков (на жаргоне сотрудников ЦЕРН — «банчей», от английского bunch). К концу года их число планируется довести до тысячи, а возможно, и бОльших значений. Особых трудностей не предвидится — если не вдаваться в технические детали, то это потребует более «аккуратной» инжекции (впуска) сгустков с меньшим временнЫм расстоянием между ними (проектное время между сгустками 25 нс при 2 808 сгустках), а также нужно будет добиться достаточного времени жизни пучка при заданном количестве сгустков (если это значит «не вдаваться в технические детали», то что же тогда значит вдаваться? — прим. редакции).

Одна из стандартных проблем при повышении интенсивности пучков — возникновение электронных облаков, но с этим можно бороться. Что же касается энергии, в ЦЕРН ещене определились — остаться ли на уровне 3,5 ТэВ, как решили в Шамони, или же попытаться незначительно нарастить показатели. Опять же, если повышать, то до 4 ТэВ, 4,5 ТэВ или 5 ТэВ? Думаю, решение будет принято в ближайшее время, однако сделать это можно только после дополнительных измерений сопротивлений вышеупомянутых контактов.

Проблема в том, что при температуре 2 кельвина (-271,1 по шкале Цельсия), когда обмотки магнитов и токоведущие шины находятся в сверхпроводящем состоянии, найти дефектные контакты в местах пайки сверхпроводящей шины на другую такую же шину, а также дефектные контакты с шины на защитную медную «рубашку», почти невозможно. Здесь я уточню, что медная «рубашка» перехватывает на себя ток, когда в шине срывается сверхпроводимость (как мы помним, некоторые места пайки оказались дефектными и здесь). Сопротивление этих контактов, если они были спаяны правильно, составляет менее наноома (10⁻⁹ Ом)! Контакты со значительными дефектами (и с сопротивлением в целые десятки наноомов) выявили еще в 2009 году. Сейчас речь идет о не столь значительных дефектах — порядка нескольких наноомов. Измерить эти сопротивления, когда магниты охлаждены до 2 К, невозможно. Измерить их при комнатных температурах, но при достаточно высоких токах, тоже невозможно. Поэтому сейчас зреет решение в конце года нагреть магниты до 20 К (-253 по Цельсию, ничего себе «нагрев». — прим. редакции) и пропустить несколько сотен ампер, это позволит точнее проанализировать динамику сопротивлений под током. Только после таких измерений может быть принято решение о повышении энергии.

Кольцо LHC

Алла Аршинова: Предполагалось, что в конце 2011 года LHC остановят на модернизацию, а уже потом выведут на проектные параметры, но перерыв в работе перенесли на 2012 год. Почему изменились планы?

Александр Ерохин: Потому что последние успехи LHC впечатляют. Еще 22 апреля генеральный директор ЦЕРН объявил о рекорде — при 480 сгустках светимость достигла 4,67x10³² см^-2*с^-1, как уже 28 апреля дошли до 624 сгустков и пиковой светимости почти 7,5x10³² см^-2*с^-1, а 1 мая до 768 сгустков! И речь идет не только о технических успехах, но и о том, что при такой светимости (выше, чем на Tevatron, американском ускорителе) уже можно получить высокую интегральную светимость, а значит обеспечить необходимую статистику для физиков. И теперь, когда вышли на параметры, которые позволят наконец-то физикам работать, — вдруг остановиться? Пока что сошлись на компромиссе — одного года мало, чтобы накопить нужный интеграл, два года уже разумно. Отсюда перенос сроков. Впрочем, это еще не окончательное решение. Все будет зависеть от возможности повысить энергию. Если вдруг получится повысить ее до 5 ТэВ, то будут обсуждаться другие сроки, 3-4 года работы до остановки.

В тоннеле LHC

Алла Аршинова: Модернизация, в частности, предполагает замену инжекционного комплекса и системы магнитов. На каком этапе эта работа, кто в ней участвует?

Александр Ерохин: Существенное ограничение в сегодняшнем варианте инжектора вносит Linac2, линейный ускоритель. Он является источником протонов для бустера PS (Proton Synchrotron Booster, промежуточное накопительное кольцо), при этом инжекция происходит на энергии 50 мегаэлектронвольт (МэВ). В планах — замена Linac2 на Linac4. Благодаря другому механизму инжекции, Linac4 позволит увеличить светимость на LHC в несколько раз. На сегодняшний день Linac4 находится на этапе строительства, здание под него уже готово.

Как и при строительстве LHC, в этой работе объединены усилия нескольких институтов из разных стран. От России головным институтом в этой коллаборации является Институт ядерной физики СО РАН. Он поставляет для Linac4 25 метров ускоряющей структуры (при его общей длине 100 метров). Планировалось, что Linac4 будет устанавливаться примерно в 2015 году, во время очередной технической остановки (следующей после ожидаемой длинной остановки в конце 2012 года). Однако, поскольку пока нет полной уверенности в остановке в конце 2012 года, не совсем понятны планы по запуску Linac4. Может оказаться, что он совпадет по времени с «длинной» остановкой.

Для Linac4 уже готовится помещение

Алла Аршинова: Прошлым летом во время эксперимента в пучке были обнаружены «пылинки», «UFOs», природа которых неясна. Предполагается, что их наличие при повышении интенсивности пучка скажется на работе установки. Это важное событие или штатная неприятность?

Александр Ерохин: Скорее, второе. В данном случае под UFO подразумевается наличие загрязнений, источник которых пока не найден. Это приводит к рассеиванию протонных пучков на «пыли», что и регистрируют как потерю пучка так называемые BLM (beam loss monitor). Причин тому существует множество: например, могут «газить» стенки вакуумной камеры. Проблема для вакуумщиков стандартная и будет решена после длинной остановки — скорее всего, просто «почистят» камеру пучком протонов. На данный момент UFO работе не мешают, так как в 2-3 раза повышен порог срабатывания датчиков BLM.

Алла Аршинова: Планируется ли «надстраивать» коллайдер второстепенными установками/детекторами для вторичных экспериментов, не относящихся к основному направлению работы?

Александр Ерохин: Надстраивать — не совсем правильное в данном случае определение. Есть известные эксперименты на детекторах ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, все они запланированы, и назвать вторичным какой-то из них трудно. Скорее, это можно отнести к PS и SPS, которые, являясь инжекционным комплексом для LHC, в то же время служат источниками протонов для других, не относящихся к LHC экспериментов. Это и получение антиводорода (тоже, кстати, нашумевший в СМИ эксперимент), и эксперименты с радиоизотопами на ISOLDE, Isotope Separator On-line (сейчас рассматривается апгрейд до HIE ISOLDE — увеличение энергии и интенсивности ионных пучков). Сюда же можно отнести получение нейтрино, проходящих далее по хорде Земли 730 км, для лаборатории Gran Sasso (Италия). Весь список экспериментов в ЦЕРН можно посмотреть на http://greybook.cern.ch/.

Схема столкновений на детекторе ATLAS

Алла Аршинова: Всем не терпится дождаться крупных результатов работы коллайдера. Какие достижения на данный момент являются наиболее серьезными? Можно ли успеть получить интересные результаты до перерыва?

Александр Ерохин: Пока серьезных открытий не было, ведь статистику начали копить только сейчас. Потому, собственно, и возлагаются такие надежды на ближайшие два года, что вышли на светимость, при которой можно собрать достаточную статистику для многих открытий. Достижением является тот факт, что уже вышли на серьезные параметры. Более того, анализируя результаты столкновений, подтвердили многое из той физики, что наблюдалась ранее на других машинах.

Алла Аршинова: Какие существуют онлайн-ресурсы для наблюдения за работой коллайдера в реальном времени?

Александр Ерохин: В первую очередь раздел на официальном сайте ЦЕРН, а также официальный сайт журнала «CERN Courier». Из русскоязычных ресурсов я бы отметил http://elementy.ru, где есть раздел, посвященный LHC. Раздел ведет выпускник физфака НГУ, делает это интересно и доступно, и вдобавок автор основывается на первоисточниках.

Алла Аршинова: LHC — это не только физическая установка, но и научный центр. Могут ли желающие приехать в CERN попрактиковаться, поучиться?

Александр Ерохин: Да, каждое лето в ЦЕРН проходят летние школы для студентов, аспирантов и молодых ученых. Как и в других научных центрах, открыто достаточно большое количество вакансий для постдоков. Официальная информация об этом публикуется на официальном сайте ЦЕРН, а также в журнале «CERN Courier».

Дети на экскурсии в ЦЕРН

Алла Аршинова: Что подразумевают, когда говорят «режим Super-LHC»?

Александр Ерохин: Проектные параметры LHC рассчитаны для энергии в центре масс 14 ТэВ и светимости 10³⁴ см^-2*с^-1. Проект sLHC (super LHC) предполагает увеличение светимости на порядок при той же энергии 14 ТэВ, что достижимо путем «внедрения» новых элементов и модернизации старых. Это включает замену инжекционной части комплекса, модернизацию ускорителя SPS (Super Proton Synchrotron) и замену магнитов финальной фокусировки (inner triplet magnets) в местах экспериментов. Соответственно переход к sLHC будет осуществляться в три этапа: замена Linac2 на Linac4, о чем говорилось выше; переход от протонного синхротрона PS (который используется с 1959 года и скоро уже выработает свой ресурс) к PS2; модернизация SPS и замена магнитов финальной фокусировки (inner triplet magnets). И если по первому этапу есть приблизительное понимание сроков и Linac4 находится в процессе производства, то сроки по остальным работам относятся далее чем к 2017-2018 гг.

Алла Аршинова: Tevatron, единственный ускоритель, сравнимый по масштабам с LHC, в конце этого года закроют. Как вы думаете, отработал ли он свое, или основная причина в прекращении финансирования?

Александр Ерохин: На мой взгляд, «Теватрон» останавливать пока рано, поскольку всегда необходимо некое перекрытие на разных машинах. LHC сейчас вышел на бОльшую светимость и почти в 4 раза бОльшую энергию, но пока он не дойдет на проектные параметры, незачем закрывать «Теватрон». Так, собственно, и хотели поступить, насколько я знаю. Но вопрос был решен политически странным путем — закрыли финансирование.

Американский ускоритель Tevatron

Алла Аршинова: А как сокращение финансирования в ЦЕРН скажется на работе коллайдера?

Александр Ерохин: На тех параметрах, которые изначально закладывали в проект, не скажется. К сожалению, закрыли некоторые возможности будущего апгрейда. В таких крупных установках, чей пуск в эксплуатацию происходит через 20 лет с момента начала проектирования, сразу после запуска неизбежно возникает желание что-либо усовершенствовать. Во-первых, с каждым годом увеличиваются технические возможности. Во-вторых, конечно, приходит понимание того, что изначально что-то можно было построить лучше. Так что необходимость доработки будет всегда, но теперь модернизация затронет не все, что хотелось бы. К примеру, апгрейд инжекционного комплекса будет, но не в полном объеме.

Алла Аршинова: Сейчас, когда прошло три года с начала работы коллайдера, изменилось ли что-то в оценках этого проекта внутри CERN? Все ли проходит так, как было задумано изначально?

Александр Ерохин: Несмотря на то, что надежности работы всех систем, особенно систем защиты, уделялось огромное внимание и ранее, авария осенью 2008 года оказалась большой неожиданностью и главной причиной переоценки всего проекта. К системам безопасности подход стал еще более строгим. Что касается планов, то 3,5 ТэВ уже расходятся с первоначальными задумками. Но если взять за начало отсчета 2009 год, то прогресс впечатляющий, и планы воплощаются в жизнь быстрее, чем ожидалось.