Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Рэндалл Лиза

Тонкие трубки, по которым разгоняются протонные пучки, проложены внутри дипольных магнитов, которые установлены вплотную один за другим и тянутся, таким образом, внутри тоннеля по всей его длине. Они генерируют магнитное поле напряженностью до 8,3 Тл — это примерно в тысячу раз выше, чем напряженность поля, создаваемого магнитиком на холодильнике. По мере того как энергия протонов в пучке увеличивается с 450 до 7 Тэв, напряженность магнитного поля, которое должно удерживать все более энергичные протоны на их кольцевом маршруте, возрастает с 0,54 до 8,3 Тл.

Магнитное поле, которое генерируют эти магниты, настолько мощно, что сами магниты не удержались бы на месте, если бы не специальные

крепления. Отчасти сила, действующая на магнит, компенсируется за счет геометрии витков, но в конечном итоге магниты удерживают на месте специально спроектированные стальные «воротники», или хомуты, толщиной 4 см.

Мощные магниты БАКа были бы невозможны без сверхпроводящих технологий. Инженеры БАКа пользовались при проектировании технологиями, разработанными для американского проекта SSC, для тэватрона Лаборатории имени Ферми, расположенной в штате Иллинойс, а также для немецкого электронно–позитронного коллайдера в гамбургском ускорительном центре DESY.

РИС. 26. Схема устройства дипольного криомагнита. Протоны удерживаются 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 теряется энергия. А вот сверхпроводящие проводники не рассеивают энергию, и электрический ток проходит по ним без помех. Витки сверхпроводящей проволоки способны генерировать очень мощные 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 сравнялась бы с длиной орбиты Марса.

В процессе работы сверхпроводящие диполи должны быть очень холодными, так как сверхпроводимость «включается» лишь при достаточно низких температурах. Вокруг сверхпроводящих кабелей поддерживается температура на 1,9 градуса выше абсолютного нуля, то есть на 271 градус ниже температуры замерзания воды. Это даже ниже температуры фонового микроволнового излучения в открытом космосе, которая составляет 2,7 К. В тоннеле БАКа находится самая холодная протяженная область во Вселенной — по крайней мере насколько нам известно. Из-за сверхнизких температур магниты БАКа называют криодиполями.

Помимо невероятных «проволочных» технологий, использованных в магнитах БАКа, нельзя не упомянуть и систему охлаждения (криогенную систему), которая сама по себе является серьезным 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. Сверхтекучий гелий не обладает вязкостью обычных материалов и способен очень эффективно рассеивать все тепло, выделяемое в дипольной системе. Сначала охлаждают 10000 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, электроника и рефрижераторные установки. Традиционная морозильная установка охлаждает гелий до 4,5 К, а затем происходит окончательное охлаждение со снижением давления. Этот процесс (также, как и согревание) занимает около месяца. Ясно, что при любом включении или выключении коллайдера, а также при любой попытке ремонта на согревание и охлаждение уходит много дополнительного времени.

Если в системе случается какой-то сбой — к примеру, где-то выделилось небольшое количество тепла и чуть поднялась температура, — происходит так называемый квенч, или аварийное расхолаживание; это означает, что сверхпроводимость потеряна. Вообще, потеря сверхпроводимости может иметь катастрофические последствия, поскольку вся энергия магнитов высвободится разом. Поэтому в БАКе существует специальная система обнаружения квенчей и распределения высвобождающейся энергии. Эта система 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 генерации 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 электрической лампочке.

Учитывая токи и охлаждение, неудивительно, что работающий БАК потребляет громадное количество электроэнергии — примерно столько же, сколько небольшой город, такой как близлежащая Женева. Чтобы избежать лишних расходов на электричество, на зимние месяцы коллайдер останавливают — зимы в Швейцарии 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 инженеры получают замечательные рождественские каникулы.

СКВОЗЬ БАКУУМ К СТОЛКНОВЕНИЯМ

Наконец, еще одно качество БАКа, заслуживающее превосходных оценок, — вакуум в трубах, по которым циркулируют протоны. Чтобы сохранить охлажденный гелий, систему необходимо в максимальной степени освободить от лишнего вещества, потому что любые посторонние молекулы могут передавать тепло и энергию наружу. Самое главное, из областей, по которым путешествует 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 триллионов раз меньше атмосферного и соответствует давлению на высоте 1000 км над поверхностью Земли, где воздух чрезвычайно разрежен. Чтобы получить пространство, пригодное для разгона протонных пучков, из БАКа пришлось откачать 9000 м³ 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 сверхпроводящий магнит попадет достаточное количество протонов, чтобы нагреть его, произойдет все тот же квенч и магнит выйдет из состояния сверхпроводимости. Для удаления случайно «отбившихся» от пучка частиц вдоль траектории пучка расставлены углеродные коллиматоры, которые поглощают все, что не попадает в трехмиллиметровую апертуру (вполне достаточную по размеру для прохождения пучка толщиной около 1 мм).