Пол Хэлперн - Коллайдер
Кстати, об электроэнергии. Она вызвала, пожалуй, больше всего толков, так как львиная доля электропотребления в этом регионе приходится на ЦЕРН. Сначала лаборатория находилась на попечении Швейцарии, а теперь электричество сюда поставляет Франция. Когда все системы вступят в строй, ЦЕРНу будет нужно столько же электроэнергии, сколько потребляет весь кантон Женева. А поскольку в регионе преобладает электрическое отопление, зимой энергоресурсы будут в особом дефиците.
В итоге, будучи соседом, всегда готовым пойти навстречу, ЦЕРН решил подстраивать свое энергопотребление под текущую ситуацию, например, заранее планируя на самый холодный период технические перерывы. Хоть из-за них накопление данных и задерживается, зимнее выключение, к счастью для экспериментаторов, увлекающихся спортом, приходится как раз на разгар лыжного сезона в прилегающих Альпах.
Чтобы переделать тоннель БЭП под БАК, его сначала пришлось полностью опустошить. Едва электроны с позитронами сделали в 2000 г. по кольцу последний заход, как начался капитальный ремонт. Были заказаны тысячи сверхпроводящих магнитов разных сортов. Первый сорт, так называемые дипольные магниты, предназначался для того, чтобы удерживать в кольце пару протонных (или ионных) пучков. (Научная программа БАК предполагает также эксперименты с ускоренными ионами вместо протонов.) Диполи имеют свойство направлять заряженные тела перпендикулярно своему магнитному полю, что идеально подходит для управления пучком. Магниты второго типа фокусируют пучок, не давая ему «рассыпаться». Чтобы не усложнять конструкцию, их смонтировали через равные участки кольца. По его длине встречаются также вкрапления более изощренных магнитов - секступоли, октуполи и декуполи, которые позволяют выполнять тонкую подстройку пучка. Орбита, как в долгой космической одиссее, должна быть просчитана до мелочей.
Частица в ускорителе испытывает влияние магнитов, которые попеременно то подправляют ее траекторию, то возвращают ее обратно в пучок. Но надо ведь еще и проводить эксперименты, поэтому кольцо не совсем кольцо. На самом деле оно разделено на 8 секторов с автономным питанием. Каждый сектор состоит из дугообразной части и прямого отрезка. В пределах последнего и выполняется большинство операций: впрыск частиц, сужение пучка, проведение экспериментов и масса всего остального.
Ученые знали: для успешной работы необходимо создать в БАК экстремальные условия. А именно воспроизвести на Земле два аспекта суровой космической действительности. Во-первых, полет каждого из пары пучков, пронизывающих магниты, должен проходить по возможности в вакууме. Иначе протоны (или ионы), разгоняясь до сверхвысоких энергий, начнут налетать на молекулы газа, как незадачливые пешеходы. Чтобы этого избежать, установленная система насосов поддерживает в трубках давление в 10-10 (одну десятую триллионной доли) от атмосферного на уровне земной поверхности. Довольно душновато по сравнению с межпланетным пространством, но это тем не менее самый пустой вакуум на Земле.
Во-вторых, эти тысячи магнитов все надо охладить ниже критической температуры, чтобы они перешли и оставались в сверхпроводящем состоянии. Тогда магнитное поле в них выходит на максимум, составляющий свыше 8,3 тесла (в два раза больше, чем у «Теватрона»). Чтобы достичь таких экстремально низких температур, инженеры воспользовались сверхтекучим гелием, нагретым всего на 1,9 градуса выше абсолютного нуля. Это высококоррелированное состояние второго химического элемента даже холоднее реликтового излучения, с помощью которого Пензиас и Вильсон подтвердили теорию Большого взрыва.
На первый взгляд на охлаждение стольких магнитов до таких низких температур ушло бы не одно состояние. Производство сверхтекучего гелия, надо сказать, удовольствие не из дешевых. Однако если окружить каждый «криомагнит» (так называют магниты, охлажденные до сверхнизкой температуры) вакуумной изоляцией, внешний нагрев уже не так страшен. Пустота - превосходное термоодеяло.
Еще одно обстоятельство, с которым инженерам БАК пришлось считаться, - это влияние Луны. Здешняя местность, как ни странно, неравнодушна к лунному присутствию. Нет, в полнолуние леса вблизи Ферней-Вольтер и Мейрен не кишат оборотнями, жаждущими разорвать на куски охлажденные контейнеры в поисках замороженной плоти. По крайней мере такой информацией мы не располагаем. Все дело в гравитационном поле Луны. Притягивая океанские массы, оно вызывает приливы, но и для земной коры его воздействие не проходит бесследно. Скалистые породы, конечно, не сравнятся по текучести с водой, но их твердость тоже не бесконечна. По прихоти нашей спутницы почва в окрестностях Женевы в течение месяца ходит туда-сюда почти на 25 см. В результате длина БАК колеблется со среднемесячной амплитудой около 1 мм85. Естественно, этот факт учитывается в любых расчетах, в которые входит длина окружности. На сам эффект обратили внимание, еще когда строили тоннель для БЭП.
Без досконального знания рельефа местности было бы невозможно правильно подсоединить к БАК детекторы. Специально под них вырыли несколько цехов. Самый просторный, в «точке 1», достался АТЛАСу, крупнейшему детектору проекта. Три остальных прибора - CMS, «Алиса» и БАК-b - разместились на других участках кольца. На проектировку каждого из них ушли годы. Как и задумывалось, в проекте БАК они дополняют друг друга - каждый нацелен на регистрацию определенной разновидности продуктов столкновения, а значит, все они специализируются на разных открытиях.
АТЛАС проектировали более десяти лет. Этот детектор явился синтезом нескольких предыдущих проектов, над которыми трудились ученые из целого ряда стран. Эти люди принесли опыт работы с коллайдерными проектами - как удавшимися, так и закрытыми - и приложили все силы, чтобы сделать новый детектор как можно лучше.
Возьмем, к примеру, систему электромагнитной калориметрии АТЛАСа, предназначенную для измерения энергии частиц. В ее основе лежит метод, который Уильям Уиллис предложил в 1972 г. для несостоявшегося коллайдера «Изабелль»: пропускать поток частиц через жидкий аргон - ионизуя его, они вызывают в нем заметный электрический сигнал. Когда «Изабелль» закрыли, Уиллис включил свой метод в заявку, в которой вместе с Баришем и другими излагал свое видение детектора GEM на ССК. Помимо Брукхейвена, непосредственного места работы Уиллиса, способ с жидким аргоном переняли и другие лаборатории, в том числе Стэнфордская и «Фермилаб». Сегодня Уиллис возглавляет американскую группу в составе проекта АТЛАС, а его оригинальный метод с жидким аргоном составляет основу системы измерения энергии в детекторе.
Если жидкий аргон - эго кровь, текущая в сердце АТЛАСа, то кремниевые пиксели и дорожки (светочувствительные пластины, как в цифровых фотоаппаратах) - это его зоркие глаза. Точка столкновения пучков взята в оцепление так называемым внутренним детектором. Его электронные глаза смотрят практически во все стороны, а частицам впору ощутить себя участниками какого-нибудь реалити-шоу. Не считая участков, где пучок влетает и вылетает, внутренний детектор со всех сторон окружен миниатюрными световыми зондами. Другими словами, он обладает высокой «герметичностью» - почти идеал физиков-экспериментаторов в этой области, стремящихся блокировать все ходы и выходы. Подобная панорамная скрытая камера позволяет очень точно воссоздать последовательность событий во время столкновения.
Чтобы пучок просматривался одинаково хорошо со всех сторон, все узлы АТЛАСа, не исключая внутренний детектор, представляют собой набор концентрических цилиндров (барабан). На входе и выходе перпендикулярно пучку стоят дисковые заглушки. Такая конструкция позволяет покрыть телесный угол почти полностью. В системе слежения внутреннего детектора есть светочувствительные пиксели и дорожки, которыми испещрены три самых глубоких слоя барабана, а также сами заглушки.
Между внутренним детектором и калориметрами разместился сверхпроводящий соленоид (катушка) с магнитным полем около 2 тесла. Криостаты (холодильные агрегаты) поддерживают его температуру на уровне ниже 5 кельвинов. Предназначение соленоида - отклонять заряженные частицы, когда они влетают во внутренний детектор. В зависимости от их импульса (массы, помноженной на скорость) меняется и угол отклонения. Таким образом, электронная система слежения вкупе с магнитом дает экспериментаторам возможность измерить импульсы осколков.
Покинув пределы внутреннего детектора, частицы попадают в электромагнитный калориметр. Врезаясь в свинцовые прослойки, частицы, участвующие в электромагнитных взаимодействиях, порождают ливни и «размазывают» свою энергию по объему жидкого аргона, после чего ее можно измерить. Тонкая электроника улавливает каждую крупинку оброненной частицей энергии, обеспечивая исследователей еще одним источником информации о событии. Узнать заряд, импульс и энергию частицы - это все равно что спросить у солдата его имя, звание и личный номер. Поскольку все эти физические величины сохраняются, данные о характеристиках пойманных частиц позволяют с большой долей вероятности вычислить ловких контрабандистов (например, нейтральные частицы).
