Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Большой адронный коллайдер формирует протонные пучки и по-, еле серии ускоряющих «толчков» «впрыскивает» их в финальный кольцевой ускоритель. Там эти пучки направляются по кольцевой траектории вдоль тоннеля, чтобы, сделав крут, возвратиться в точности в ту же точку. Протоны получают возможность многократно пройти по кольцевому маршруту, прежде чем их начнут периодически отклонять и весьма эффективно сталкивать. Необходимо было последовательно протестировать каждый из этих этапов.

Первой вехой на этом пути стала проверка того, действительно ли пучки протонов могут циркулировать по тоннелю. Оказалось, что могут. Поразительно, но, когда после многих лет борьбы и с техническими, и с финансовыми проблемами в сентябре 2008 г. CERN запустил установку, два протонных пучка были сформированы практически без сучка, без задоринки; результат превзошел все ожидания. В тот день впервые два пучка протонов по очереди прошли по громадному тоннелю в противоположных направлениях. На этом шаге ввели в действие механизм инжекции; запустили средства управления контроля; убедились, что магнитное поле может удержать протоны на трассе, а магниты имеют заданные параметры и работают синхронно. В первый раз эта последовательность событий была реализована вечером 9 сентября. Все работало по плану или даже лучше на следующий день, когда проводились испытания.

Все, кто участвовал в проекте, описывают 10 сентября 2008 г. как день, который они никогда не забудут. Приехав в Центр через месяц, я на каждом шагу слышала рассказы об эйфории, охватившей в тот день всех. Люди с невероятным возбуждением следили за двумя световыми точками на экране компьютера. Первый пучок почти сумел вернуться в точку старта; потребовалась лишь небольшая подстройка, и менее чем через час пучок стал идти в точности по расчетной траектории. Сначала он проходил кольцевую трассу лишь несколько раз, но каждый последующий «впрыск» немного подправляли, и это число без проблем достигло нескольких сотен. Вскоре после этого удалось настроить и второй пучок; на это потребовалось около полутора часов.

Лин был так счастлив, что не подумал о передаче, которая велась в прямом эфире из пультовой коллайдера, где инженеры следили за отработкой проекта. Передача оттуда шла напрямик в Интернет, где за ними мог следить любой желающий. За точками на экранах компьютеров следило так много людей, что сайт Центра рухнул. Люди по всей Европе завороженно наблюдали за тем, как инженеры настраивали траектории протонных пучков, чтобы частицы двигались точно по кольцевой траектории. В самом Центре в это время царило ликование; физики и инженеры собирались в аудиториях, чтобы следить за происходящим на экранах. В этот момент перспективы коллайдера представлялись по–настоящему радужными. Но всего девятью днями позже эйфорию сменило настоящее отчаяние.

Предстояло провести два новых значительных испытания. Во-первых, пучки в кольце БАКа следовало разогнать до более высоких энергий, чем в первом испытании, где протоны вообще не разгонялись, а циркулировали по кольцу с той же энергией, с какой туда попали. Вторая часть плана предусматривала столкновение пучков, которое, разумеется, должно было стать самой серьезной вехой на пути к полноценной работе коллайдера.

Однако в последний момент —19 сентября — испытание было сорвано, несмотря на все усилия и предусмотрительность инженеров. Причем неудача была катастрофической. Простая ошибка при пайке медной оболочки, соединяющей два магнита, и недостаточное количество работающих выпускных клапанов в емкости с жидким гелием — и первое столкновение протонов состоялось лишь через год!

Когда ученые начали увеличивать ток в последнем восьмом секторе, «полетела» силовая шина между двумя магнитами. Силовая шина — это сверхпроводящий провод, соединяющий пару сверхпроводящих магнитов (рис. 27). Виной всему—некачественное сращение кабеля между двумя магнитами. На месте плохого контакта возникла электрическая дуга, пронзившая контейнер с гелием и внезапно превратившая 6 т жидкого гелия, которые в обычных условиях нагревались бы постепенно, в газ. Сверхпроводимость была потеряна.

РИС. 27. Силовая шина соединяет магниты между собой. Авария 2008 г. произошла из‑за плохой пайки на одном из таких соединений

Громадное количество гелия, одновременно превратившееся в газ, породило сильнейший гидравлический удар — практически взрыв. Меньше чем за 30 секунд энергия этого удара сдвинула с места несколько магнитов и уничтожила вакуум в протонной трубке, повредила изоляцию и испортила 600 м трубки сажей. 10 диполей были уничтожены полностью, а еще 29 повреждены так сильно, что их пришлось заменить. Ясно, что на подобный исход никто не рассчитывал. В зале управления, кстати говоря, даже не подозревали о происходящем, пока кто‑то не заметил, что из‑за истекающего в тоннеле гелия выключился один из компьютеров. Вскоре присутствующие поняли, что пучок тоже пропал.

Дополнительные подробности этого печального происшествия я узнала через несколько недель, во время очередного посещения Центра. Не забывайте, кстати, что конечная цель коллайдера и происходящих в нем столкновений — это концентрация в одной точке 14 ТэВ (14 трлн электрон–вольт) энергии в системе отсчета, связанной с центром масс. В первом пуске решено было провести столкновение на энергии всего лишь около 2 ТэВ, чтобы убедиться, что все работает как надо. Позже, во время рабочих пусков, инженеры планировали увеличить энергию столкновения до 10 ТэВ (по 5 ТэВ на пучок).

Однако из‑за поломки трансформатора 12 сентября произошла небольшая задержка, и планы изменились. Несколько дней, пока в тоннеле шли ремонтные работы, ученые продолжали испытывать секторы по отдельности, доводя показатели до величин, соответствовавших энергии пучка 5,5 ТэВ, и успели опробовать семь секторов из восьми. Они убедились, что все семь секторов способны работать в расчетном режиме при высоких энергиях; на восьмой сектор времени не хватило. Тем не менее было решено двигаться вперед и, поскольку никаких проблем выявлено не было, в первом же пробном пуске провести высокоэнергетические столкновения.

Все работало прекрасно до тех пор, пока инженеры не попытались вывести последний сектор на высокоэнергетический режим. Авария, надолго выведшая коллайдер из строя, произошла, когда поступила команда поднять энергию пучка примерно до 5,5 ТэВ; для этого ток в обмотках магнитов нужно было увеличить с 7000 до 9300 А. Это был, по существу, последний момент, когда что‑то неожиданное еще могло случиться, — и оно случилось!