Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.
Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 1027 атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.
Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.
Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.
Скорость и энергия
У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc². Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света. Самый быстрый в мире самолет – экспериментальный самолет НАСА, называемый X-43, – в состоянии ускориться до скорости 11230 км/ч. Но и при этой скорости энергия движения самолета добавляет лишь одну десятимиллиардную к его энергии покоя.
Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо больше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.
При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.
Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.
Или все не так страшно? Хотя протоны в БАКе и собираются в большие банчи, они фокусируются в очень тонкий луч. Может, большая часть протонов пройдет сквозь вас, не причиняя вреда?
И да, и нет. Никто в БАКе никогда не ставил на пути пучка какие-нибудь части своего тела, да это и невозможно – пучки плотно закупорены в вакуумной трубе и просто так человек оказаться там не может. Но в 1978 году один несчастный советский ученый по имени Анатолий Бугорский все же умудрился подставить голову прямо под пучок высокой энергии. (Стандарты безопасности в России на протвинском синхротроне У-70 были гораздо менее строгими, чем те, что установлены сейчас в ЦЕРНе.) Энергия пучка, который пронзил Бугорского, была равна всего 76 ГэВ – существенно меньше, чем в БАКе, но тем не менее это большая энергия. Он не погиб на месте – более того, он и сегодня все еще жив. Бугорский позже рассказал, что видел вспышку света, «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. У него возник радиационный рубец, он потерял слух на левое ухо, левая сторона лица вообще была парализована, и до сих пор он страдает от периодических приступов боли. Но Бугорский выжил, у него не возникло психических нарушений, он защитил кандидатскую диссертацию и в течение многих лет после инцидента продолжал работать на ускорителе. Тем не менее эксперты не рекомендуют подставляться под пучки протонов высокой энергии.
Причина, по которой голову Бугорского не разорвало на мелкие кусочки, в том, что многие протоны прошли сквозь ткани его головы, не провзаимодействовав с ними. А в БАКе часто встает задача обратная задача – «загасить» энергию пучков, а это значит, что нужно всю энергию пучка куда-то отвести. (Если бы просто замедлить протоны, они бы безопасно рассеялись, но это технически сложно.) Представить масштаб полной энергии пучка можно еще одним способом – найти тротиловый эквивалент. Эта величина оказывается равной примерно 80 кг в тротиловом эквиваленте, и всю эту энергию в конце каждой загрузки, то есть примерно каждые десять часов, нужно как-то гасить.
Эксперименты показали, что если пучок протонов в БАКе направить на медную болванку, его энергии будет достаточно, чтобы расплавить тонну меди. Поскольку нежелательно, чтобы эти мчащиеся пучки, случайно отклонившись, врезались в тщательно отъюстированную экспериментальную установку, предварительно ослабленный пучок отклоняют от нормальной траектории пучка специальными магнитами, затем идет расфокусировка, после чего он проходит еще около километра перед тем, как врезаться в специальной графитовый «блок сброса». Графит особенно хорошо поглощает энергию, не плавится, несмотря на то что температуры там достигают 760 °С. В таком блоке содержится в общей сложности около 10 т графита, а сам он помещен в экранирующий 1000-тонный кожух из стали и бетона. Ему требуется всего несколько часов, чтобы остыть, и вот уже все готово для гашения следующего пучка.
Мощные магниты
Мы представляем себе БАК в виде гигантского кольца длиной 26,7 км, но на самом деле он больше похож на искривленный восьмиугольник, поскольку кольцо разделено на восемь частей – восемь дуг, а концы этих дуг соединены прямыми отрезками около 2,5 км длиной. Если бы вам пришлось войти в одну из дуг туннеля БАКа, вы увидели бы ряд больших голубых труб, тянущихся в обоих направлениях. Это «дипольные магниты», которые направляют протоны по траекториям внутри пучковых труб. В каждой дуге имеется 154 трубы, и каждая из них имеет длину около 15 м и вес более 30 т. Большая часть внутреннего пространства каждой трубы занята сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием, а по самому центру идут две узкие пучковые трубы, в которых движутся пучки протонов – в одной частицы движутся по часовой стрелке, в другой – против.
Если какая-либо заряженная частица, например протон, покоится в стационарном магнитном поле, она не чувствует вообще никакой силы и может там спокойно оставаться бесконечно. Но если заряженная частица летит через магнитное поле, она отклоняется от прямой линии. (Если через поле пролетит нейтральная частица, ее траектория не изменится.) Вспомним, что энергия пучка в БАКе сравнима с энергией движущегося поезда, а потому БАКу нужны невероятно мощные магниты, ведь сильно искривить траекторию протонов не так-то легко.
Мощность магнитов должна быть достаточной, чтобы обеспечить максимально возможную энергию протонов в туннеле фиксированного размера. Земля тоже имеет магнитное поле, которое позволяет с помощью стрелки компаса установить, где север, а где юг. Поле внутри каждого из дипольных магнитов БАКа примерно в 100 000 раз сильнее поля Земли, и обычные материалы для его изготовления не подходят, нужны сверхпроводники. В магнитах БАКа используется почти 8000 километров кабелей, изготовленных из сверхпроводящих материалов на базе ниобия и титана, охлаждаемых до сверхнизких температур 120 т жидкого гелия. Внутри БАКа холоднее, чем в космосе: температура магнитов ниже, чем у космического фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.
Температура – не единственный критерий, по которому БАК переплюнул космическое пространство: в пучковых трубах поддерживается очень высокий вакуум – настолько высокий, что давление внутри трубы примерно такое же, как атмосферное давление на Луне. Если бы внутри труб был воздух, протоны постоянно натыкались бы на его молекулы и пучок бы рассыпался.
Перед тем как машину запустили в первый раз, команда БАКа очень волновалась, достаточно ли тщательно откачана пучковая труба. Когда в 1983 году в Фермилабе заработал Теватрон, первые попытки раскрутить протоны быстро закончились неудачей. Виновника довольно быстро нашли – им оказался случайно застрявший в трубе маленький кусочек ткани. Но легко ли обследовать трубу ускорителя длиной 27 км при том, что сами пучковые трубы имеют в поперечнике только около 2,5 см? И тут у техников возникла гениальная идея: они сделали шарик из ударопрочного поликарбоната, похожий на мячик для пинг-понга, внутрь засунули радиопередатчик и покатили по трубе. Если бы шарик остановился, техники смогли бы отследить по сигналу передатчика, где это произошло. То была отличная идея, и кое-кто, вероятно, почувствовал разочарование, когда шарик выкатился, не встретив ни единого препятствия. Трубе была выдана справка об абсолютном здоровье.
Магниты в БАКе – самые крупные и громоздкие части машины, они олицетворяют мощь технологических инноваций и эффективность международного сотрудничества. Такой уровень точности, какой необходимо обеспечить для столкновения пучков, не обходится дешево. Трудно установить точную стоимость БАКа, поскольку часть денег расходуется на содержание лаборатории в целом, но цифра 9 млрд долларов – хорошая оценка для общего бюджета. По словам физика Джан Джудайса, «если пересчитать в евро за килограмм, то килограмм дипольных магнитов на БАКе – самого дорогого элемента ускорителя – стоит примерно столько же, сколько килограмм швейцарского шоколада. Будь БАК построен из шоколада, он бы стоил примерно столько же».
Шоколад может не восприниматься как слишком дорогой продукт, ведь мы время от времени его покупаем и едим. Но обычно все-таки меньшими порциями, чем двадцатисемикилометровая шоколадка, сделанная из самого лучшего шоколада. Посчитайте, сколько бы она стоила!
Передача факела
Лин Эванс официально ушел из ЦЕРНа в 2010 году, уже когда машина была успешно запущена после аварии и заработала. А поступил на работу в ЦЕРН в 1969 году, отдав ему сорок лет жизни и пережив десять генеральных директоров. Еще совсем недавно, в 1981 году, он, Карло Руббиа и Серджо Читтолин (итальянский физик со своеобразным хобби – украшать лабораторные журналы эскизами в стиле Леонардо да Винчи) втроем в 4 часа 15 минут утра, находясь в пустой в диспетчерской, включили модернизированный Суперпротонный синхротрон и наблюдали первые протон-антипротонные столкновения частиц внутри ускорителя.
Ничего похожего на то, что происходило 10 сентября 2008 года, когда торжественное открытие БАКа стало международным событием, непосредственными свидетелями которого стали сотни людей, и еще тысячи наблюдали за ним благодаря Интернету по всему миру. В тот день в диспетчерской БАКа, заполненной представителями средств массовой информации, известными учеными и высокопоставленными гостями, Эванс выступал в качестве дирижера. Чтобы заставить аудиторию поволноваться, инженеры не сразу запустили протоны по всему кольцу, а стали открывать восемь секторов один за другим. После того как первые семь секторов успешно прошли испытание, Эванс начал обратный отсчет, а в это время протоны готовили к пролету полного оборота по кольцу. В назначенное время на сером экране компьютера вспыхнули две точки – это означало, что пучок успешно стартовал и успешно вернулся в ту же самую точку. Комната взорвалась аплодисментами, и в физике элементарных частиц наступили новые времена.
Физики редко уходят на пенсию в обычном смысле слова, вот и Эванс после выхода на пенсию участвует в эксперименте CMS и помогает проектировать следующее поколение ускорителей. После того как было объявлено об открытии бозона Хиггса, Эванс, размышляя о том, что все-таки произошло, сказал: «Недавно я оказался на вечере, организованном коллаборацией CMS. Там собралось около 500 человек. Увидев всех этих молодых людей, я вдруг понял, какой груз ответственности лежал на моих плечах. Я имею в виду то, сколько людей рассчитывает, что эта машина будет работать!»
Теперь в ЦЕРНе надеются, что она будет продолжать функционировать в течение будущих десятилетий. Чтобы оправиться от аварии сентября 2008 года, потребовалось больше года, но с тех пор БАК работает просто великолепно. В 2010 и 2011 годах эксперименты велись при полной энергии 7 ТэВ, в 2012 году – при 8 ТэВ, что позволило обнаружить бозон Хиггса или нечто очень похожее на него. По-прежнему конечная цель – достичь 14 ТэВ, но чтобы добиться этого, потребуется отключить БАК на два года для тестирования и модернизации оборудования. Отключение изначально планировалось начать в конце 2012 года, но после открытия бозона Хиггса Совет ЦЕРНа решил продлить работу ускорителя на 8 ТэВ еще на несколько месяцев. Это так понятно – всякий раз, получая новую игрушку, вы хотите с ней поиграть прямо сейчас, сразу и без промедлений!
Глава 6 Что открывают нам столкновения
Мы узнаем, как обнаружить новые частицы, сталкивая уже известные частицы на огромных скоростях и наблюдая за тем, что происходит.
В детстве я увлекался разными науками, но только две вещи действительно захватили меня: физика и динозавры. (В свои двенадцать лет я не знал слова «палеонтология».) Время от времени у меня случался флирт с другими науками, но отношения никогда не заходили слишком далеко. Например, я с удовольствием развлекался с подаренным мне детским химическим набором, но в основном поджигал реактивы и никогда не испытывал особенного счастья от получения новых соединений в строго контролируемых условиях.