Научный взгляд на устройство вселенной

ВОЗВРАЩЕНИЕ 
КОЛЬЦА 197
вый коллайдер был собран в уже существующем тоннеле и унасле-
довал от своего предшественника некоторую часть персонала, вспо-
могательных мощностей и инфраструктуры, потребовалось еще не-
мало человеко-часов и ресурсов, прежде чем LEP превратился в БАК.
Строительство БАКа проходило в пять этапов. Сначала стро-
ители соорудили выемки и возвели конструкции для экспери-
ментальных установок; затем были налажены коммуникации; 
на следующем этапе создали криогенную линию для охлаждения 
ускорителя. Ну и наконец установили все оборудование, включая 
диполи, все соединители и кабели, а затем система была протес-
тирована в сборке.
Проектировщики CERN с самого начала составили очень точ-
ный график, который должен был скоординировать все этапы 
строительства. Но, как всем известно, «человек предполагает…» 
Надо ли говорить, что в данном случае все получилось именно так.
То и дело появлялись проблемы с финансированием. Помню, 
как в 2001 г. физиков охватили жуткое разочарование и тревога; 
тогда пришлось долго ждать ответа на вопрос, как быстро удаст-
ся разрешить возникшие серьезные проблемы с деньгами и про-
должить строительство. Руководству Центра удалось справиться 
с перерасходом средств, но лишь за счет размаха деятельности 
Центра и его инфраструктуры.
Но даже после разрешения бюджетно-финансовых проблем 
строительство БАКа шло не слишком гладко. Периодически оно 
замедлялось из-за целой серии непредвиденных событий.
Никто из тех, кто был занят на сооружении полости для ком-
пактного мюонного соленоида CMS (Compact Muon Solenoid), 
не мог, разумеется, предположить, что экскаваторы наткнутся 
на остатки галло-римского дворца IV в. Строительство было при-
остановлено, чтобы археологи могли изучить найденное сокрови-
ще; были найдены, в частности, старинные очень ценные моне-
ты. Судя по всему, галло-римляне вводили единую валюту более 
успешно, чем сегодняшние европейцы: ведь евро до сих пор не вы-
теснило ни британский фунт, ни швейцарский франк. Особенно 
раздражает это британских физиков, которые, приезжая в CERN, 
обнаруживают, что у них нет денег даже на такси.

198 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
По сравнению с проблемами CMS сооружение выемки под де-
тектор ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus — Тороидальный аппарат 
для БАКа) в 2001 г. прошло относительно мирно. Конечно, для это-
го потребовалось вынуть и вывезти 300 000 тонн скальных пород. 
Единственная проблема, с которой столкнулись строители, состо-
яла в том, что после выемки породы дно рукотворной пещеры на-
чало потихоньку подниматься — со скоростью около 1 мм в год. 
Это вроде бы немного, но даже такое движение могло нарушить 
точную центровку элементов детектора. Поэтому инженерам 
пришлось устанавливать в котловане чувствительные метроло-
гические датчики. Они настолько эффективны, что регистрируют 
не только движения детектора ATLAS. Например, они почувство-
вали, к примеру, цунами 2004 г. и вызвавшее его землетрясение 
на Суматре, а также более поздние цунами.
Процесс строительства детектора ATLAS глубоко под землей 
выглядел впечатляюще. Крышка «склепа» для установки была от-
лита на земле и подвешена на тросах, а стены возводились снизу, 
пока не достигли свода. В 2003 г. в честь завершения строитель-
ства был устроен настоящий праздник, на котором внутри пусто-
го пока сооружения, отдаваясь эхом от стен, играл альпийский 
рожок; судя по рассказу Лина, это очень развеселило присутству-
ющих. После этого сама экспериментальная установка была спу-
щена по частям в эту подземную пещеру и собрана на месте.
А вот строительство CMS встречало на своем пути все но-
вые проблемы. Во время земляных работ они возникали не раз; 
оказалось, что стройка ведется не только на месте ценных архе-
ологических находок, но и над подземной рекой. В тот год шли 
сильные дожди, и проектировщики, инженеры и физики с удив-
лением обнаружили, что 70-метровый шахтный ствол, предназна-
ченный для доставки вниз материалов, самостоятельно погрузил-
ся еще на 30 см вниз. Пришлось заморозить грунт вокруг стенок 
ствола и таким образом стабилизировать его. Кроме того, была 
укреплена порода вокруг полости при помощи дополнительных 
опорных стенок и гигантских шурупов длиной до 40 м. Не удиви-
тельно, что строительство установки CMS продолжалось дольше 
запланированного.

ВОЗВРАЩЕНИЕ 
КОЛЬЦА 199
Отчасти спасло ситуацию то, что сама установка CMS достаточ-
но компактна, и экспериментаторы вместе с инженерами решили 
собрать ее заранее. Разумеется, на поверхности строить и ставить 
на место отдельные узлы установки намного проще и быстрее — 
ведь здесь достаточно места и можно многие операции проводить 
параллельно. Кроме того, можно было заниматься сборкой, не от-
влекаясь на то и дело возникавшие проблемы с грунтом.
Однако нетрудно представить себе, сколь устрашающе выгля-
дела перспектива спуска этой громадной установки в готовое гнез-
до — я как раз подумала об этом во время первого визита на CMS 
в 2007 г. В самом деле, опустить установку на место оказалось 
очень непросто. Самый крупный ее узел опускали в громадную 
выемку при помощи специального крана; происходило это ужаса-
юще медленно, со скоростью 10 м в час. Без такого «черепашьего 
шага» и точнейшей системы мониторинга было не обойтись — 
ведь между установкой и стенками камеры был всего лишь десяти-
сантиметровый зазор. С ноября 2006 г. по январь 2008 г. в камеру 
было опущено 15 крупных узлов детектора. Время было рассчита-
но точно, и последняя часть установки встала на место незадолго 
до запланированной даты пуска БАКа.
Вслед за проблемами CMS на строительстве самого БАКа 
в июне 2004 г. разразился новый кризис; были выявлены наруше-
ния в системе распределения жидкого гелия, известной как QRL. 
Инженеры CERN, разбиравшиеся в проблеме, обнаружили, 
что французская фирма, строившая систему, заменила проект-
ный материал тем, что Лин назвал «пятидолларовой времянкой». 
Новый материал пошел трещинами, что привело к термическому 
сжатию внутренних труб. Дефектная деталь оказалась не един-
ственной, и проверять пришлось все соединения в системе.
К тому моменту криогенная линия была уже частично установ-
лена, а многие детали изготовлены и дожидались своей очереди 
на складах. Чтобы избежать новых задержек, инженеры решили 
сами отремонтировать уже изготовленные компоненты. Работа 
по изготовлению новых деталей, а также необходимость извлекать 
и заново устанавливать крупные узлы оборудования обошлись 
проекту в годовую задержку. По крайней мере это намного мень-

200 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
ше, чем те десять лет, на которые могла бы, по мнению Лина и др., 
растянуться вся эта история, если бы в дело вступили юристы.
Без труб и готовой криогенной системы устанавливать магни-
ты было невозможно. Поэтому 1000 магнитов стояла на парковоч-
ной площадке Центра, дожидаясь своей очереди. Даже с учетом 
того, что на местной парковке частенько гостят представитель-
ские BMW и «Мерседесы», ничего дороже, чем эти магниты сум-
марной стоимостью миллиард долларов, эта площадка никогда 
не видела. Никто их не украл, но открытая парковка — не луч-
шее место для хранения высокотехнологичного оборудования; 
это неизбежно повлекло за собой новые задержки, связанные 
тем, что магниты перед установкой пришлось восстанавливать 
до первоначального состояния.
В 2005 г. возник еще один едва ли не фатальный кризис, на этот 
раз связанный с внутренним триплетом, изготовленным в амери-
канской Лаборатории имени Ферми и в Японии. Внутренний три-
плет обеспечивает окончательную фокусировку протонных пучков 
перед столкновением. Он состоит из трех квадрупольных магни-
тов, снабженных криогенной системой и системой распределения 
энергии, — отсюда и название. Этот самый внутренний триплет 
не выдержал вакуумных испытаний. Хотя отказ, естественно, оз-
начал неприятности и задержки, инженеры все же смогли при-
вести триплет в норму прямо в тоннеле, так что потери времени 
оказались не такими уж большими.
В целом 2005 г. оказался более успешным, чем его предше-
ственник. В феврале была сдана под монтаж камера для CMS. Тог-
да же произошло и другое знаковое событие — в тоннель был спу-
щен первый криодипольный магнит. Без магнитной конструкции 
БАК невозможен, поэтому установке и наладке криодипольных 
магнитов придавалось громадное значение. Благодаря тесному 
сотрудничеству Центра с частными промышленными предприяти-
ями магниты были изготовлены в срок и обошлись сравнительно 
недорого. Конструкция магнита была разработана в Центре ядер-
ных исследований, но производились они на предприятиях Фран-
ции, Германии и Италии. Первоначально (в 2000 г.) инженеры, 
физики и конструкторы CERN разместили заказ на 30 диполей, 

ВОЗВРАЩЕНИЕ 
КОЛЬЦА 201
которые затем тщательно исследовали с точки зрения качества 
и стоимости; лишь после этого (в 2002 г.) была заказана основ-
ная масса магнитов — более тысячи штук. Стремясь обеспечить 
качество, единообразие и минимизировать цену, CERN сохранил 
за собой ответственность за заказ основных компонентов и сы-
рья. При этом Центру пришлось перевезти по Европе 120 000 т раз-
личных материалов — десять больших фур каждый день колесили 
по европейским дорогам на протяжении четырех лет. И это всего 
лишь небольшая часть предприятия по строительству БАКа.
После доставки готовые магниты были протестированы и ак-
куратно опущены через вертикальную шахту в тоннель у подножья 
гор Юра. Оттуда на специальных тележках их доставляли на свои 
места вдоль тоннеля. Поскольку магниты огромны и лишь несколь-
ко сантиметров отделяло их при транспортировке от стенок тон-
неля, тележки управлялись автоматически; ориентировались они 
по нарисованной на дне тоннеля линии, которую распознавали 
оптические датчики. Чтобы по возможности избежать вибраций, 
тележка двигалась со скоростью около мили в час. Это означает, 
что на транспортировку магнита от места спуска на противопо-
ложную сторону кольца уходило семь часов.
В 2006 г., после пяти лет строительства, был получен послед-
ний из 1232 диполей. В 2007 г. главной новостью стало то, что по-
следний магнит опущен в тоннель и установлен на место; затем 
было успешно проведено первое пробное охлаждение до целевой 
температуры –271 градусов по Цельсию секции ускорителя длиной 
3,3 км. Тогда же впервые все кольцо магнитов было подключено 
к источнику энергии, и в обмотках сверхпроводящих магнитов 
пробной секции тоннеля начали циркулировать токи в несколько 
тысяч ампер. Это событие по традиции тоже было отпраздновано 
с шампанским.
Непрерывный охлаждающий контур был замкнут в ноябре 
2007 г., и все шло неплохо, пока не грянула новая катастрофа, 
связанная на этот раз с так называемыми стыковочными модуля-
ми PIM. Мы в США не всегда очень уж внимательно отслеживали 
ситуацию на БАКе, но на этот раз новость разлетелась мгновен-
но. Коллега из Центра поделился со мной серьезной обеспокоен-

202 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
ностью: специалисты опасались, что отказ одного из элементов 
конструкции может обернуться глобальной проблемой. Что если 
аналогичные элементы по всей длине кольца имеют тот же про-
изводственный дефект?
Проблема связана с температурной разницей почти в 300 гра-
дусов между только что собранным «теплым» коллайдером и тем 
же коллайдером в охлажденном рабочем состоянии. Естественно, 
такая разница очень сильно действует на материалы, из которых 
изготовлена установка. Так, металлические части сжимаются 
при охлаждении и расширяются при нагревании. Сами диполи 
во время рабочей фазы уменьшаются в размерах на несколько сан-
тиметров. Для 15-метрового объекта это, казалось бы, немного, 
но для поддержания сильного и однородного магнитного поля, 
способного корректно провести протонные пучки по тонкой труб-
ке, обмотки должны быть расположены в пространстве с точно-
стью до десятой доли миллиметра.
Чтобы компенсировать тепловое охлаждение и нагрев, ди-
поли снабжены специальными 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: