Изображение: архив
История создания БАК началась в октябре 1990 года. На совещании в немецком Аахене тогдашние руководители ЦЕРН Карло Руббиа и Джорджио Брианти высказали предложение соорудить в 27-километровом туннеле действовавшего в то время электрон-позитронного коллайдера протон-протонный ускоритель с рекордной энергией 16 ТэВ и светимостью 1034см-2 с-1.
В электрон-позитронном коллайдере сталкивались ускоренные встречные пучки электронов и протонов, в протон-протонном коллайдере должны сталкиваться ускоренные встречные пучки протонов.
Светимость ускорителя – это ежесекундное количество столкновений ускоренных частиц с мишенью (если ускоренный пучок бьет в мишень) или частиц из встречных пучков (если речь идет о коллайдере). Чем выше светимость, тем выше эффективность ускорителя или коллайдера.
Напомним, физики используют два типа столкновений ускоренных частиц. Первый – пучок ускоренных частиц бьет по неподвижной мишени (как при синтезе сверхтяжелых). Второй – ускоренные пучки выводятся из ускорителя в два кольца коллайдера, где они летают во встречных направления, или встречные пучки ускоряются прямо в коллайдере. В точках пересечения колец коллайдера встречные пучки сталкиваются.
В Большом адроном коллайдере пучки протонов ускоряют прямо в кольцах коллайдера с помощью дипольного магнита типа «два в одном». То есть встречные пучки протонов в двух кольцах удерживаются на орбите с помощью одного магнита. Этот сверхпроводящий магнит должен был обеспечивать магнитное поле 10 Тесла, поэтому его нужно было охлаждать до 1,8оК (- 271,2оС) – почти до абсолютного нуля.
Сверхпроводящий магнит нужно охлаждать потому, что он создает магнитное поле с помощью сверхпроводимости. Сверхпроводимость – это способность некоторых материалов терять электрическое сопротивление при охлаждении до низких температур. При появлении сверхпроводимости такие материалы образуют вокруг себя магнитное поле.
Обычный электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотанной алюминиевым или медным проводом катушки с металлическим сердечником – вставленным в центр катушки стержнем. При прохождении электрического тока по обмотке катушки сердечник становится магнитом. Чем больше сила тока, тем сильнее индуцированное током магнитное поле.
Чтобы создать мощный электромагнит, и катушка, и сердечник должны быть достаточно массивными. Кроме того, обмотки катушки из-за электрического сопротивления сильно греются при прохождении тока по проводам.
Начиная с напряженности магнитного поля примерно в 1,5 Тесла обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности с отводом тепла. Электрический ток в большей степени расходуется на нагрев магнита, чем на создание магнитного поля. Примером служит рекордный по массе магнит дубненского синхрофазотрона, запущенного в Объединенном институте ядерных исследований в 1957 году. Диаметр этого магнита был равен 60 метрам, а масса достигала 36 000 тонн при напряженности магнитного поля в 1,1 Тесла. Чтобы ускорять протоны до энергии 10 ГэВ, синхрофазотрону требовалась электрическая мощность в 140 МВт (140 000 кВт).
Сверхпроводящий магнит в качестве проводника тока использует провода из специального материала – например, ниобий-титана NbTi. Этот материал теряет электрическую проводимость при охлаждении до температуры ниже 9,2⁰K (-264℃). При небольших массе и сечении сверхпроводящие провода способы передавать большие токи. Поэтому размеры сверхпроводящих магнитов на порядок меньше размеров обычных электромагнитов. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов до рабочего состояния используют жидкий гелий.
Совет ЦЕРН в 1994-м году изменил предложенные Руббиа и Бриант параметры протон-протонного ускорителя и утвердил этот проект под названием LHC – Large Hadron Collider (Большой адронный коллайдер – БАК). Магнитное поле коллайдера должно было составлять не 10, а 8,33 Тесла а энергия пары ускоренных встречных частиц не 16, а 14 ТэВ (энергия каждого из встречных пучков – 7 ТэВ).
Сразу после утверждения проекта LHC (БАК) в рамках межправительственного соглашения, заключенного многими государствами, включая США, страны Евросоюза, Японию, Индию, Китай, Россию, государства бывшего Советского Союза и другие страны мира, началось сооружение Большого адронного коллайдера. Его строили на территории и под эгидой Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) со штаб-квартирой в Женеве. Около 20% вклада в стоимость LHC и его детекторов пришлись на долю стран, не являющихся членами ЦЕРН – в наибольшей степени на Россию, США и Японию.
Очень показательно, что в реализации проекта LHC, как в капле воды, отражаются характерные особенности современной физики частиц. Эта область естествознания сегодня, как никогда ранее, имеет ярко выраженный интернациональный характер, интегрируя национальные программы развитых стран мира. Ведь критическая проверка предсказаний существующих теорий, поиск и открытие новых фундаментальных частиц и закономерностей на непостижимом ранее уровне проникновения в глубь материи требуют достижения предельно возможных на сегодняшний день значений энергии, чувствительности приборов, колоссальных объемов экспериментальных данных и скорости их обработки в реальном режиме времени. Решение столь сложных задач по плечу лишь интернациональным объединениям ученых многих стран, обладающих значительными интеллектуальными и материальными ресурсами и современными промышленными технологиями.
Большинство экспериментов по физике частиц теперь выполняется на ускорителях частиц высоких энергий. Энергия соударения может достигать значений от десятков МэВ до нескольких ТэВ. Во время столкновения вся эта энергия концентрируется в микроскопическом объеме (радиус менее10-13 см), что приводит к гигантским ее плотностям и множественному рождению частиц, среди которых могут присутствовать и новые, еще неизвестные. При подобных огромных плотностях энергии воссоздаются (в малом объеме, конечно) условия для протекания процессов, которые невозможны сейчас на Земле в нормальных условиях, но в изобилии могли случаться во Вселенной на ранних стадиях её возникновения.
Для регистрации сигналов от физических процессов (реакций), протекающих во время столкновения частиц, используются сложнейшие детекторы. Они комбинируются в установки размером в десятки метров и весом в тысячи тонн. А потоки информации, поступающей в непрерывном режиме с таких установок, носят глобальный характер.
Именно поэтому для экспериментов на ускорителях создаются целые сообщества ученых – экспериментальные межконтинентальные коллаборации физиков и инженеров из разных стран, насчитывающие тысячи человек. Ведь каждая из таких установок уникальна, а эксперименты на них продолжаются долго, чтобы в максимальной степени использовать потенциал этих масштабных физических приборов.
На Большом адроном коллайдере работают четыре колоссального масштаба установки для детектирования частиц: ATLAS, ALICE, CMS и LHCb. У каждой из этих установок своя задача, зашифрованная в аббревиатуре ее названия. Но об этом чуть позже.
Сейчас хочется сказать о масштабе этих установок. Солиден не только их вес в десятки тонн. Колоссален размер их конструкций: они занимают выдолбленные под землей залы размером с заводские цеха. И эти конструкции вмещают в себя невероятное количество изготовленных специально для экспериментов на Большом адроном коллайдере детектирующих частицы элементов. Потому что в одном столкновении двух сгустков протонов происходит до миллиарда событий. А сталкиваются эти сгустки каждые 25 наносекунд, следуя в очереди друг за другом навстречу друг другу. И в каждом из миллиарда событий рождается более тысячи частиц.
Экспериментальные установки должны зафиксировать портрет события, определить траектории частиц, типы частиц, их заряды, энергию…В нормальном режиме работы всех четырех установок коллайдера поток информации столь огромен, что если записать на компакт-диски годовой поток информации после первичного отбора, то эти диски, поставленные один на другой, составили бы башню высотой 20 километров. Очевидно, что собрать и переработать такой объем информации невозможно обычными средствами. Поэтому для обработки данных детекторов LHC специально была создана глобальная международная вычислительная сеть на основе грид-технологий – сеть распределенных по миру компьютеров и вычислительных центров.
Фрагмент из книги Наталии Теряевой "Элементы жизни"