Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| криодиполями
. Помимо невероятных «проволочных» технологий, использо- ванных в магнитах БАКа, нельзя не упомянуть и систему охлажде- ния ( криогенную систему), которая сама по себе является серьез- ным достижением и заслуживает самых восторженных эпитетов. Естественно, это самая большая в мире система охлаждения. Сверхнизкую температуру в ней обеспечивает проточный гелий. Магниты, нуждающиеся в охлаждении, окружает специальная оболочка, в которой содержится примерно 97 т жидкого гелия. Это не обычный гелий в виде газа, а гелий, который при помощи давления поддерживают в состоянии сверхтекучести . Сверхтеку- чий гелий не обладает вязкостью обычных материалов и способен очень эффективно рассеивать все тепло, выделяемое в дипольной системе. Сначала охлаждают 10 000 т жидкого азота, который, в свою очередь, охлаждает 130 т жидкого гелия, циркулирующего в диполях. Не все части БАКа располагаются под землей. У коллайдера есть и наземные здания, где размещены оборудование, электро- ника и рефрижераторные установки. Традиционная морозильная установка охлаждает гелий до 4,5 K, а затем происходит оконча- тельное охлаждение со снижением давления. Этот процесс (так же, как и согревание) занимает около месяца. Ясно, что при любом включении или выключении коллайдера, а также при любой по- пытке ремонта на согревание и охлаждение уходит много допол- нительного времени. Если в системе случается какой-то сбой — к примеру, где-то вы- делилось небольшое количество тепла и чуть поднялась темпера- тура, — происходит так называемый квенч , или аварийное расхола- живание; это означает, что сверхпроводимость потеряна. Вообще, 184 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ потеря сверхпроводимости может иметь катастрофические по- следствия, поскольку вся энергия магнитов высвободится разом. Поэтому в БАКе существует специальная система обнаружения квенчей и распределения высвобождающейся энергии. Эта систе- ма следит, чтобы нигде не возникало разности потенциалов: ведь при сверхпроводимости ее быть не может. Если такое случается, то меньше чем за секунду энергия высвобождается всюду и диполь выходит из сверхпроводящего состояния. Но даже с применением сверхпроводящих технологий для ге- нерации магнитного поля напряженностью 8,3 Тл требуются громадные токи. Ток в криодиполях доводится почти до 12 000 А, что в 40 000 раз превышает ток в горящей у вас на столе электри- ческой лампочке. Учитывая токи и охлаждение, неудивительно, что работающий БАК потребляет громадное количество электроэнергии — пример- но столько же, сколько небольшой город, такой как близлежащая Женева. Чтобы избежать лишних расходов на электричество, на зимние месяцы коллайдер останавливают — зимы в Швейца- рии холодные, и цены на электроэнергию заметно выше летних. (Исключение было сделано для пробного пуска в 2009 г.) У такой политики есть и дополнительное преимущество — ученые и инже- неры получают замечательные рождественские каникулы. СКВОЗЬ ВАКУУМ К СТОЛКНОВЕНИЯМ Наконец, еще одно качество БАКа, заслуживающее превосход- ных оценок, — вакуум в трубах, по которым циркулируют про- тоны. Чтобы сохранить охлажденный гелий, систему необходимо в максимальной степени освободить от лишнего вещества, потому что любые посторонние молекулы могут передавать тепло и энер- гию наружу. Самое главное, из областей, по которым путешеству- ет протонный пучок, следует удалить всякие газы. Если в трубке присутствует газ, протоны будут сталкиваться с его молекулами, и правильная циркуляция протонного пучка нарушится. Поэтому давление внутри пучка чрезвычайно мало: оно в десять триллио- нов раз меньше атмосферного и соответствует давлению на вы- ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 185 соте 1000 км над поверхностью Земли, где воздух чрезвычайно разрежен. Чтобы получить пространство, пригодное для разгона протонных пучков, из БАКа пришлось откачать 9000 м 3 воздуха. Но даже при таком невероятно низком давлении в каждом кубическом сантиметре пространства внутри разгонной трубки присутствует около трех миллионов молекул газа, так что протоны иногда все же сталкиваются с молекулами газа. И если в сверх- проводящий магнит попадет достаточное количество протонов, чтобы нагреть его, произойдет все тот же квенч и магнит выйдет из состояния сверхпроводимости. Для удаления случайно «отбив- шихся» от пучка частиц вдоль траектории пучка расставлены угле- родные коллиматоры, которые поглощают все, что не попадает в трехмиллиметровую апертуру (вполне достаточную по размеру для прохождения пучка толщиной около 1 мм). И все же собрать протоны в сгусток миллиметровой толщи- ны — непростая задача. Выполняют ее другие магниты, квадру- польные; они весьма эффективно сжимают и фокусируют пучок. В тоннеле БАКа 392 таких магнита. Кроме того, квадрупольные магниты в нужный момент отклоняют два протонных пучка с их независимых траекторий, чтобы они могли столкнуться. Пучки сталкиваются не в точности на встречных курсах, не со- всем лоб в лоб, а под крохотным углом примерно в одну тысяч- ную радиана (около 0,06 градусов). Делается это для того, чтобы за один раз в столкновении участвовало лишь по одному сгустку из каждого пучка; тогда в остальном пучки остаются нетронутыми. Когда сталкиваются два сгустка из двух циркулирующих по тоннелю пучков, сотня миллиардов протонов из одного пучка сходится «врукопашную» с сотней миллиардов протонов из дру- гого. На квадрупольные магниты возлагается чрезвычайно слож- ная задача фокусирования обоих пучков именно в тех областях, где должны происходить столкновения и где, соответственно, размещается экспериментальное оборудование для регистрации событий. В этих местах магниты сжимают пучки до крохотной толщины 16 микрон. Пучки и должны быть чрезвычайно тонки- ми и плотными, чтобы сто миллиардов протонов одного сгустка, проходя сквозь второй сгусток, с как можно большей вероятно- 186 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ стью встретились хотя бы с одним из ста миллиардов его про- тонов. Большая часть протонов сгустка не увидит встречных прото- нов на своем пути, несмотря на то что пучки встречаются практи- чески в точке. Индивидуальный протон — это крохотная частица, диаметр которой составляет всего около одной миллионной доли нанометра. А значит, несмотря на то что оба сгустка сжаты до тол- щины 16 микрон, при каждой встрече двух сгустков всего около 20 протонов испытывают лобовые столкновения со встречными протонами. На самом деле это очень хорошо. Если бы одновременно про- исходило слишком большое число столкновений, разобраться в данных было бы трудно. Было бы невозможно понять, какие частицы получились при каком именно столкновении. Но плохо также, если бы столкновений не происходило вовсе. Сфокусировав сто миллиардов протонов в «иглу» именно такой толщины, кон- структоры БАКа получили оптимальное число событий на одно столкновение сгустков. Столкновение двух протонов, если уж оно имеет место, про- исходит почти мгновенно — за время примерно на 25 порядков меньше секунды. Это означает, что время между группами протон- ных столкновений практически полностью определяется частотой встречи протонных сгустков, которые в полном рабочем режиме БАКа сталкиваются каждые 25 наносекунд. Иначе говоря, пучки пересекаются больше 10 млн раз в секунду! При такой частоте БАК генерирует громадное количество информации: в среднем за се- кунду происходит около миллиарда событий. К счастью, проме- жутки между столкновениями сгустков достаточно велики, чтобы компьютеры могли отслеживать отдельные интересные события, не путая между собой столкновения частиц из разных сгустков. По существу, исключительные параметры БАКа должны га- рантировать одновременно максимальную возможную энергию столкновений и максимальное число событий, которые можно аккуратно отследить. Б о льшая часть энергии бесконечно кру- жит по тоннелю, и только иногда происходят столкновения, до- стойные внимания ученых. Несмотря на немалую суммарную ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 187 энергию пучков, энергия отдельного столкновения сгустков не- намного превышает кинетическую энергию нескольких комаров в полете. Все-таки здесь сталкиваются протоны, а не футболисты и не автомобили. БАК концентрирует энергию в крохотной обла- сти и в таких столкновениях элементарных частиц, за которыми могут следить ученые. Чуть позже мы поговорим о скрытых факто- рах, которые они надеются обнаружить, и об открытиях о природе вещества и пространства, которые, как надеются физики, будут сделаны в результате этих экспериментов. |