Научный взгляд на устройство вселенной

178 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
В тоннеле шириной 3,8 м, построенном в 1980-е гг., протонные 
пучки проходят сегодня последнюю стадию ускорения. В тоннеле 
светло и прохладно, он достаточно просторен. Мне довелось про-
гуляться по нему еще в те времена, когда коллайдер только строил-
ся. Я прошла по нему совсем немного, но на эти несколько шагов 
потребовалось гораздо больше времени, чем те 89 миллионных 
долей секунды, за которые проходит все кольцо длиной 26,6 км 
ускоренный высокоэнергетический протон, летящий со скоро-
стью в 99,9999991% скорости света.
Тоннель находится на глубине около 100 м под землей; в раз-
ных местах глубина его заложения колеблется от 50 до 175 м. 
Это защищает поверхность земли от излучения и означает так-
же, что во время строительства не пришлось сносить все фермы 
и сельхозугодия над местом прохождения тоннеля. Тем не менее 
в 1980-е гг. вопросы имущественных прав задержали строитель-
ство тоннеля, тогда еще для LEP. Проблема в том, что во Франции 
землевладелец имеет права не только на сельскохозяйственные 
угодья, которые обрабатывает, но и на недра под своим участком, 
вплоть до центра Земли. Тоннель удалось прорыть только после 
того, как французские власти позаботились об этом и подписа-
ли Декларацию об общественной пользе (Declaration d’Utilite 
Publique), сделав таким образом скальное основание — и, в прин-
ципе, магму под ним тоже — общественной собственностью.
Физики спорят о том, зачем тоннель сделали наклонным, а его 
глубину соответственно — неравномерной. То ли дело в геологии, 
то ли целью было дополнительно защитить поверхность от излу-
чения, но так или иначе наклон тоннеля оказался полезен в обоих 
отношениях. Неоднородный рельеф района поставил перед стро-
ителями тоннеля сложную задачу и, безусловно, повлиял на его 
расположение и форму. Под этой местностью залегают в основ-
ном осадочные горные породы, но под речными и морскими от-
ложениями имеются водоносные слои — гравий, песок и глина, 
и строить тоннель в таких грунтах вряд ли стоило. Таким образом, 
наклон помогает тоннелю все время оставаться в прочных скаль-
ных породах. Благодаря этому, кстати, одна из секций тоннеля 
у подножья живописных гор Юра на окраине Центра находится 

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 179
чуть ближе к поверхности, так что поднимать и опускать грузы 
и людей по вертикальной шахте в этом месте было немного про-
ще (и дешевле).
Ускоряющие электрические поля в главном тоннеле органи-
зованы не совсем правильным кольцом. Большое кольцо БАКа 
состоит из восьми больших дуг, перемежающихся восемью семи-
сотметровыми прямыми участками. Каждый из восьми секторов 
можно независимо нагревать и охлаждать, что очень облегчает 
ремонт и обслуживание. Впрыснутые в тоннель протоны ускоря-
ются на каждом из коротких прямых участков при помощи ра-
диоволн примерно так же, как они разгонялись на предыдущих 
этапах, пока не достигли энергии впрыска. Ускорение происходит 
на 
ускоряющих промежутках,
содержащих радиосигнал частотой 
400 МГц — той самой, которой вы пользуетесь при дистанцион-
ном открывании дверцы автомобиля. Сгусток протонов, проходя 
через ускоряющий промежуток, получает приращение энергии 
всего лишь в 485 миллиардных долей ТэВ. На первый взгляд это 
немного, но ведь протоны делают полный круг по кольцу БАКа 
11 000 раз в секунду! Таким образом, всего за 20 минут удается 
поднять энергию протонов в пучке от энергии впрыска (450 ГэВ) 
до целевой энергии (7 ТэВ), то есть примерно в 15 раз. Часть про-
тонов теряется из-за столкновений и просто случайных отклоне-
ний, но большая их часть будет кружить по кольцу еще примерно 
12 часов, прежде чем поредевший пучок пора будет сбрасывать 
в грунт и заменять свежим пучком только что впрыснутых про-
тонов.
Протоны, циркулирующие по кольцу БАКа, распределены 
по его окружности неравномерно. Их посылают по кольцу так на-
зываемыми сгустками — всего их 2808 — по 115 млрд протонов 
в каждом. Вначале каждый сгусток представляет собой вытяну-
тую группу протонов длиной 10 см и шириной 1 мм; расстояние 
между соседними сгустками составляет примерно 10 м. Так про-
ще, потому что каждый сгусток ускоряется отдельно, сам по себе. 
Есть и еще одно преимущество: такая группировка протонов га-
рантирует, что сгустки частиц взаимодействуют с промежутками 
по крайней мере 25–75 нс; этого достаточно, чтобы каждое стол-

180 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
кновение двух сгустков записывалось отдельно. В сгустке во много 
раз меньше протонов, чем в целом пучке, поэтому и разбираться 
в столкновениях намного проще, ведь одновременно могут стал-
киваться только протоны одного сгустка, а не всего пучка сразу.
ДИПОЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАГНИТЫ
Разгон протонов до столь высоких энергий — безусловно, серьез-
ное достижение. Но самой сложной в техническом отношении за-
дачей при строительстве коллайдера стала разработка и изготов-
ление мощных магнитов, которые должны удерживать протоны 
на правильной кольцевой траектории. Без магнитов протоны ле-
тели бы по прямой, а для удержания высокоэнергетических прото-
нов в кольце магнитное поле должно быть чрезвычайно мощным.
Тоннель БАКа очень велик, поэтому главной инженерно-тех-
нической задачей оказалось изготовление мощнейших магни-
тов в промышленных масштабах, то есть практически серийно. 
Сильное поле требуется для удержания высокоэнергетических 
протонов в тоннеле. Чем выше энергия протонов, тем более мощ-
ные магниты нужны для удержания их в тоннеле — и тем боль-
ше должен быть диаметр ускорительного кольца, чтобы протоны 
могли поворачивать по нему плавно. Размер кольца был известен 
заранее, так что целевая энергия протонов в нем определяется 
максимальной мощностью магнитного поля, которой удастся до-
стигнуть.
Американский сверхпроводящий суперколлайдер SSC, если бы 
он был достроен, располагался бы в гораздо большем по протя-
женности тоннеле длиной 87 км (его даже успели частично про-
ложить) и по проекту должен был разгонять протоны до энергии 
40 ТэВ, что почти втрое превышает целевую энергию проекта 
БАКа. Такая значительная разница объясняется тем, что эта уста-
новка разрабатывалась заново, практически с нуля и проектиров-
щиков не ограничивали размеры уже существующего тоннеля и, 
соответственно, не слишком реалистичные требования по под-
держанию мощнейшего магнитного поля. Однако предложен-
ный европейцами план имел немало практических преимуществ, 

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 181
начиная от существующего тоннеля и заканчивая развитой науч-
ной, инженерной и транспортной инфраструктурой Европейского 
центра ядерных исследований.
Едва ли не самое сильное впечатление во время визита в Центр 
на меня произвел прототип гигантского цилиндрического магнита 
для БАКа (на рис. 26 он изображен в сечении). Таких магнитов во-
круг разгонного кольца БАКа установлено немало — 1232 штуки, 
но и каждый из них в отдельности — это нечто грандиозное. Это 
махина весом 30 т и длиной 15 м. Надо заметить, что длина маг-
нита определена относительно небольшой шириной тоннеля — и, 
конечно, необходимостью перевозить готовые магниты по евро-
пейским дорогам. Каждый из магнитов обошелся в 700 000 евро; 
соответственно, общая стоимость одних только магнитов в БАКе 
превысила миллиард долларов.
Тонкие трубки, по которым разгоняются протонные пучки, 
проложены внутри дипольных магнитов, которые установлены 
вплотную один за другим и тянутся, таким образом, внутри тон-
неля по всей его длине. Они генерируют магнитное поле напря-
женностью до 8,3 Тл — это примерно в тысячу раз выше, чем на-
пряженность поля, создаваемого магнитиком на холодильнике. 
По мере того как энергия протонов в пучке увеличивается с 450 
до 7 Тэв, напряженность магнитного поля, которое должно удер-
живать все более энергичные протоны на их кольцевом маршруте, 
возрастает с 0,54 до 8,3 Тл.
Магнитное поле, которое генерируют эти магниты, настоль-
ко мощно, что сами магниты не удержались бы на месте, если бы 
не специальные крепления. Отчасти сила, действующая на маг-
нит, компенсируется за счет геометрии витков, но в конечном ито-
ге магниты удерживают на месте специально спроектированные 
стальные «воротники», или хомуты, толщиной 4 см.
Мощные магниты БАКа были бы невозможны без сверхпрово-
дящих технологий. Инженеры БАКа пользовались при проектиро-
вании технологиями, разработанными для американского проек-
та SSC, для тэватрона Лаборатории имени Ферми, расположенной 
в штате Иллинойс, а также для немецкого электронно-позитрон-
ного коллайдера в гамбургском ускорительном центре DESY.

182 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
Труба для теплоотвода
Основные шины 
квадрупольной системы
Сверхпроводящая катушка
Протонный экран
Вакуумная труба 
с пучком протонов
Теплоизоляция
Внутренний цилиндр
Суперизоляция
Шины дипольной системы
Железное ярмо магнита
Вакуумное уплотнение
Опора
Жидкий гелий
15 м
РИС
. 26.
Схема устройства дипольного криомагнита. Протоны удер-
живаются на кольцевом маршруте внутри тоннеля при помощи 1232 
таких сверхпроводящих магнитов
В обычных условиях провода (к примеру, медные провода, 
из которых сделана проводка в вашем доме) имеют сопротивление. 
Это означает, что при прохождении по ним электрического тока те-
ряется энергия. А вот сверхпроводящие проводники не рассеивают 
энергию, и электрический ток проходит по ним без помех. Витки 
сверхпроводящей проволоки способны генерировать очень мощ-
ные магнитные поля; более того, такое поле, раз установившись, 
будет поддерживаться без дополнительного притока энергии.
Каждый диполь БАКа содержит катушку ниобиево-титанового 
сверхпроводящего кабеля, каждый из которых свит из тончайших 
проволочек толщиной всего шесть микрон — намного тоньше 
человеческого волоса. Всего на сооружение БАКа пошло 1200 т 
этой замечательной проволоки. Если размотать, ее длина сравня-
лась бы с длиной орбиты Марса.
В процессе работы сверхпроводящие диполи должны быть 
очень холодными, так как сверхпроводимость «включается» лишь 

ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 183
при достаточно низких температурах. Вокруг сверхпроводящих 
кабелей поддерживается температура на 1,9 градуса выше абсо-
лютного нуля, то есть на 271 градус ниже температуры замерзания 
воды. Это даже ниже температуры фонового микроволнового из-
лучения в открытом космосе, которая составляет 2,7 K. В тоннеле 
БАКа находится самая холодная протяженная область во Вселен-
ной — по крайней мере насколько нам известно. Из-за сверхниз-
ких температур магниты БАКа называют 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: