6 февраля, 2015
Самый большой девайс в мире. Глава третья.
Краткое изложение предыдущих глав:
В супер-научном ЦЕРНе учёные-волшебники разгоняют протоны, ионы свинца и прочее до световых скоростей, бьют ими друг о дружку, создают таким образом всякие разные кварк-глюонные плазмы и прочие загадочные физические явления и прилагают титанические усилия, чтобы проследить за результатами столкновений этих элементарных частиц.
Короче, как было очень точно подмечено в бессмертном «Понедельник начинается в субботу»:
В целях природы обуздания,
В целях рассеять неученья тьму
Берем картину мироздания — да!
И тупо смотрим, что к чему…
И мы там были, гуляли, внимали рассказам и фоткали окружающую действительность.
Первое кольцо, которое мы видели, называется LEIR (The Low Energy Ion Ring). Там как раз ионы свинца пуляют. Сперва ионы поступают из линейного ускорителя LINAC-3 в LEIR, потом в кольцо PS, а потом уже в комплекс больших колец, включая БАК.
БАК — совершенно грандиознейшее устройство. Длиной почти 27 километров, глубоко под землёй (чтобы атмосферный «шум» не мешал наблюдать результаты коллизий), напичканный тоннами самых совершенных устройств разгона элементарных частиц, их сталкивания и регистрации событий. Для сравнения, синхрофазотрон в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне имеет радиус всего 30 м. И даже это позволяло в свое время делать открытия новых элементов таблицы Менделеева.
Частицы летят в абсолютном вакууме по двум параллельным трубам (в разные стороны), а в местах коллизий пучки сводятся вместе и пересекаются между собой. Чтобы создать необходимое для удержания пучка магнитное поле, используются сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость достигается охлаждением жидким гелием. Всё это хозяйство на рабочих нагрузках «жрёт» аж 180 мегаватт электричества (из Франции).
Выглядит труба БАКа вот так:
Чтобы это всё могло работать, были совершены какие-то совершенно немыслимые технические волшебства. Ну, например, при охлаждении жидким гелием (внимание! это -271°C в этом конкретном случае, всего примерно на 2 градуса выше абсолютного нуля) железные детали заметно сжимаются, т.е. трубы надо делать со специальными «муфтами» и/или изгибами, чтобы компенсировать изменение размеров.
Далее, охлаждённая до сверхпроводимого состояния электросистема БАКа где-то должна контактировать с внешними «земными» проводами, которые кормят её и нагреваются 180-ю мегаваттами энергии. Т.е. надо обеспечить передачу энергии и избежать передачи тепла. И так далее, и многое-многое прочее и подобное.
Несколько интересных фактов:
1) Все протоны, которые разгоняются в БАКе, берутся из атома обычного водорода. Используется совершенно мизерное количество вещества — всего 2 нанограмма водорода в день. Т.е., чтобы «запулить в трубу» всего 1 грамм водорода, БАКу придётся отработать примерно 1 миллион лет.
2) Протоны на максимуме летят со скоростью 0.999999991 от скорости света в вакууме.
3) Кинетическая энергия этого мизерного по обьёму, но очень быстро разогнанного вещества, эквавалентна энергии скоростного поезда или летящего пассажирского самолёта.
4) Давление внутри труб с летящими протонами в 10 раз ниже чем на Луне. Это называется «ультра-вакуум».
5) Туннель БАК чуть-чуть наклонен относительно горизонтали (всего на на 1,4%). Это сделано по причине неоднородности грунта. В результате со стороны Женевского озера туннель находится на 50-ти метрах ниже поверхности, а со стороны Франции — на глубине 175 метров.
6) Результаты экспериментов оцифровываются и их объём равен примерно 100 000 (ста тысячам) DVD за каждый год проведения экспериментов.
7) Сверхпроводимость магнитов для управления пучками протонов обеспечивают провода, содержащие тонкие ниобиевые волокна толщиной всего лишь 7 мкм (0,007 мм). Это, на секундочку, примерно в десять раз меньше толщины человеческого волоса. Если вытянуть все ниобиевые волокна БАК в длину, то получившийся провод можно шесть раз протянуть от Земли до Солнца и обратно, и ещё останется, чтобы 150 раз пробросить остатки до Луны. К слову, ниобиевые сверхпроводники для ЦЕРНа поставляют российские предприятия, входящие в структуру Росатома.
Вот такой научный прибор получился. Очень большая пушка…
Очевидно, что подобный проект неподъёмен для отдельно взятой страны — тем более что он не даёт непосредственной коммерческой выгоды. Фундаментальные исследования такие фундаментальные… Короче, строили БАК «всем колхозом», в котором представлена и Россия. Вот здесь на плакате видно откуда у каких «запчастей» ноги растут:
Увы, в сам туннель БАКа нас не пустили — он в этот день был в активном рабочем состоянии. Удалось только подойти к одной из шахт (100м глубиной), которая ведёт вниз к коллайдеру. В следующий раз нужно будет приехать во время техпрофилактики и обязательно попасть вниз! А сейчас — увы. Техника безопасности не позволяет.
Отдельно про безопасность.
Ускорители (тем более большие ускорители) — это очень сложные и запредельно дорогие устройства. Навредить внешнему миру оно сильно не могут (ну, максимум, дырку прожгут длиной в несколько десятков метров) — но навредить себе они вполне в состоянии. Ищите «адронный коллайдер авария». Посему на объекте и вокруг многоуровневые меры безопасности. Чтобы «ай-яй-яй» никаких не было. Всё обвешено датчиками, в рабочем состоянии несколько систем замычек, контролей, красные лампочки орут дурными голосами «Стой! Нельзя!» и тому подобное. Если же вдруг что-то пойдёт не так, то происходит аварийный стоп коллайдера, который гасит пучок нейтронов за 4 оборота (т.е. получается за 1/2500-ю долю секунды).
В общем, за физическую инфраструктуру ЦЕРНа я спокоен. А вот за компьютерные сети, в которых собирается и обрабатывается немыслимое количество информации, — нет, не спокоен, а наоборот.
Здесь давно работает гигантский дата-центр, отсюда пошли многие великие IT-изобретения мира (например, WWW), тут построена крупная GRID-система для распределённого вычисления. В общем, уровень компьютеризации предельно зашкаливает. И без этой инфраструктуры грош цена дорогостоящим физическим экспериментам. Посему ЦЕРН нужно постоянно защищать от самых разных малварных и хакерских атак, а такое здесь происходит постоянно. Увы, таковы реалии современной кибер-жизни. Посему будем плотно сотрудничать!
Отдельно про приколы.
Как известно, учёные тоже люди и тоже любят шутить. Учёные ЦЕРН — не исключение. Вот несколько приколов, попавшихся на глаза:
Beam «this way». Ага, чтобы не перепутать направление пучка частиц :)
Пылесос «Don’t use in Radioactive Areas!».
Ну, и уже опубликованная фотка «Think like a Proton, always Positive». Ага, а если попёр негатив — значит ты сейчас анти-протон!
Завод по производству лаборатория по исследованию антивещества.
Здесь тоже что-то с чем-то сталкивают и регистрируют 5-10 анти-протонов в секунду (за цифру не уверен — мой склероз так запомнил). Антивещество! Мечта космонавтов и… военных, да. Всего 1 грамм антивещества плюс 1 грамм вещества бахнут как приличная атомная бомба.
Ну его к чёрту этот милитаристический негатив. Тут изобретают не только будущее оружие, но и будущие источники энергии. А может быть случайно что-то ещё откроют полезное и приятное — как это часто бывает при проведении научных экспериментов. Ищут одно, а случайно получается что-то совершенно другое. Побочный эффект.
По ангару «Антивещества» летают птички, «наверное, это анти-птицы, а по улице вокруг ангара бродит анти-кот,» — подумалось мне.
Что ещё из позитива? Нам досталось пара килограммов антиматерии! Увы, в самолёт даже в багаже не пропустили :(
Шутка. Регистрируются всего-то 5-10 антипротонов в секунду. Если к ним добавить анти-электроны то, конечно, получится анти-водород. Но такими темпами 1 грамм анти-водорода обещают получить.. через ещё одно время жизни Вселенной.
В общем, можно ещё долго рассказывать про «матчасть» ЦЕРНа, но уже и так перегруз. Нормальный современный Интернет-народ такие порции читать за один раз не умеет :) НО! Если вас этот рассказ вдохновил, то ниже — «продолжение банкета» в исполнении человека с фундаментальным физическим образованием, которое он успешно использует в руководстве нашим технологическим и продуктовым PR :)
Здесь про ЦЕРН и физику явлений популярно, но со знанием дела:
———>8———
Итак, что такое ЦЕРН и зачем это нужно?
Основная функция ЦЕРНа – это изучение строения элементарных частиц.
По сложившейся в физике традиции, это делается совершенно варварским способом – путем удара частиц друг об друга. В некотором смысле, физики играют элементарными частицами в бильярд. Но, в отличие от бильярда, «шары» в результате соударения вступают в реакции друг с другом, порождая много новых «шаров» и «шариков». Регистрируя траектории этих «шаров» в магнитном поле, физики делают выводы об их массе, заряде и спине. Чем больше энергия соударения, тем больше новых частиц могут изучить физики.
Чтобы объяснить эту зависимость возможностей физики от энергии соударения частиц, придётся сделать краткий экскурс в Стандартную модель элементарных частиц.
Согласно этой модели, всё вещество во Вселенной представлено адронами, входящими в состав ядер атомов (в частности, к адронам относятся протоны и нейтроны), и лептонами (в частности, электронами).
Адроны, хотя и являются элементарными (т.е. неделимыми) но состоят из кварков, которые хоть и не встречаются в стабильном виде в природе, но при очень сильных соударениях адронов друг с другом их можно на очень короткое время «засечь» среди продуктов, после чего они снова «слипаются» в новые частицы.
Таким образом, задача физиков – как можно сильнее ударить адроны друг с другом, для чего их ускоряют до очень больших энергий. Обычно для этого используют протоны, поскольку протоны обладают зарядом, а заряженные частицы легко ускорять, помещая их в электрическое поле.
Кроме кварков и лептонов, в Стандартной модели присутствуют бозоны и каждый из них отвечает за определенное взаимодействие.
В семье бозонов хорошо известные нам фотоны отвечают за электромагнитное взаимодействие, глюн – за сильное (которое как раз и держит кварки вместе «внутри» адронов), а так называемые тяжёлые бозоны – за слабое.
Особый интерес у физиков долгое время вызывал предсказанный Стандартной моделью бозон Хиггса, который отвечает за асимметрию массы. Т.е. за то, что у некоторых элементарных частиц масса покоя есть (у тех же адронов), а у некоторых, например, у нейтрино – нет. Так вот, чтобы «поймать» бозон Хиггса и пришлось построить Большой адронный коллайдер, в котором пары протонов разгоняются до суммарной энергии 15 ТэВ (тераэлектронвольт). Точнее, разгоняются пучки протонов, движущиеся друг навстречу другу примерно с такой же кинетической энергией, как 400-тонный электропоезд TGV на скорости в 150 км/ч (или как «Сапсан» на скорости в 120 км/ч). При столкновении двух пучков выделяется столько энергии, что с её помощью можно было бы расплавить полтонны меди.
Наконец, чтобы в точности зафиксировать все события, произошедшие в миллиардные и триллионные доли секунды после столкновения, были разработаны специальные детекторы, в магнитах которых содержится более 10 тысяч тонн – что больше массы Эйфелевой башни. В разработке и монтаже этих детекторов принимали участие российские учёные.
Но главное не это. Главное, что проект Большого адронного коллайдера был бы невозможен без международной кооперации. Работа здесь кипит круглосуточно – в проекте участвуют страны со всех континентов. Обнаружение бозона Хиггса – это отнюдь не венец научной работы в ЦЕРНе. Есть и другие частицы, существование которых предсказывают теоретики. Учёные ведут разговоры о том, чтобы попытаться нащупать границы применимости Стандартной модели и посмотреть, какие ещё эксперименты можно поставить. Ведутся разговоры о модернизации Большого адронного коллайдера и есть надежда, что российские ученые примут участие в работе этого международного сообщества и в дальнейшем.
———8<———
На этом — конец рассазу про ускорители ЦЕРНа, всем удачных выходных!
А мне опять пора в дорогу…
