Когда заработает коллайдер?

АрхивНаука и жизнь

О том, как продвигается процесс починки Большого адронного коллайдера, и о планах учёных по работе с установкой на ближайшие годы нам рассказал Илья Орлов, сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в CERN.

LHC (Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер) – самый высокоэнергичный ускоритель элементарных частиц в мире. Расположен вблизи Женевы, на границе Франции и Швейцарии в туннеле, где ранее был размещён его предшественник LEP (Large Electron-Positron Collider, Большой электрон-позитронный коллайдер). Входит в ускорительный комплекс CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Европейский центр ядерных исследований) и предназначен для решения многих вопросов фундаментальной науки, в том числе – обнаружения и исследования бозона Хиггса.

19 сентября 2008 года на LHC произошла масштабная авария, которая стала причиной приостановки основной работы. На отладку аппаратуры уже ушло восемь месяцев. Предполагается, что в состоянии калибровки детекторы LHC пробудут до следующего сентября. О том, что произошло в CERN за это время, и в каком состоянии ускоритель находится сейчас, рассказывает Илья Орлов, сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в CERN.

Илья Орлов

В сентябре прошлого года на LHC произошла авария. Напомните, пожалуйста, что конкретно случилось.

10 сентября был запущен комплекс: впервые протонные пучки прошли по всему кольцу в обоих направлениях. И примерно через неделю после этого случилась достаточно масштабная авария. Как установила специальная комиссия CERN, произошло следующее: в одном из секторов большого тридцатикилометрового кольца произошло короткое замыкание. Я не хочу сказать, что это нечто обычное, но не очень удивительно, что такая неприятность произошла. Электрических соединений в ускорителе очень много, сотни тысяч. И одно из них повредилось.

Из-за короткого замыкания случился локальный нагрев, один из участков магнита перегрелся сверх допустимой температуры. Как известно, из-за короткого замыкания сопротивление в участке электрической цепи становится очень большим, и участок сильно нагревается. В результате нагрева магнит вышел из состояния сверхпроводимости. Это достаточно "легко" с точки зрения физики, поскольку для постоянного состояния сверхпроводимости необходимо поддерживать очень низкую температуру. Магнит нагрелся, и случилось то, что называется срывом сверхпроводимости. Это довольно предсказуемая ситуация для больших установок, которые используют сверхпроводящие магниты. Ничего экстраординарного, сверхкатастрофического она собой не представляет. Так случается.

Из-за срыва сверхпроводимости случилось много всего неприятного. Магнит резко вышел в нормальное несверхпроводящее состояние, было подозрение, что из-за этого выгорела часть электроники. Произошла утечка жидкого гелия, который использовался для охлаждения магнитов. Примерно тонна жидкого гелия перешла в газообразное состояние. Из-за этого сектор кольца длиной примерно три с половиной километра оказался неработоспособным, теперь по этой части протонные пучки бегать не могут.

Естественно, комплекс сразу же выключили, и после тщательного анализа было принято решение, что некоторые магниты этого сектора необходимо поднять на поверхность и отремонтировать. Это та самая трудоёмкая часть работы, которая началась примерно в октябре-ноябре, а последний отремонтированный магнит спустили обратно 30 апреля. Теперь уже там, внизу, эти магниты надо снова подключить друг к другу. Поскольку речь идёт о сотнях и тысячах соединений, это тоже достаточно трудоёмкая работа. Необходимо все магниты протестировать, прокалибровать, убедиться, что они могут работать в составе комплекса, и снова запустить пучки.

По предварительным планам новый запуск пучков будет произведён примерно в конце сентября этого года. Сначала говорили, что в апреле, потом в июне, теперь говорят - в конце сентября. Такое смещение сроков связано, в частности, с решением руководства CERN о том, чтобы попытаться проверить всю оставшуюся электронику, не доставая и спуская компоненты, а на месте, чтобы впредь не допускать подобные ситуации. В связи с этим запуск комплекса отложился почти на полгода. Чтобы не было спекуляций, отдельно подчеркиваю – никто не пострадал, ничего катастрофического не произошло, ничего не взорвалось, никуда не улетело. Это достаточно известная электрофизическая ситуация.

Поврежденный сектор в ремонте. Какие работы ведутся параллельно с ремонтом?

После аварии во всех рабочих группах состоялись экстренные совещания для составления дальнейшего плана работы в этой ситуации. Полностью замораживать работу, естественно, нерационально. Один из руководителей нашей группы детектора ATLAS сказал, что может быть, это всё и не так плохо, поскольку есть возможность удостовериться, что впредь будет всё в порядке. А во-вторых, есть время завершить отладку детекторной аппаратуры, которая напрямую не относится к кольцу, чтобы можно было сразу, как только запустят кольцо, приступить к эксперименту. Кольцо первый раз было запущено в сентябре 2008 года, но тогда ещё не все рабочие группы и не вся электроника была полностью готова к эксперименту. А к осени 2009 года всё будет готово абсолютно точно. Наша команда из ИЯФ СО РАН летом туда поедет, и сейчас там несколько человек из нашего института. Опять же все эти работы по завершению отладки, по окончанию калибровки аппаратуры проводятся для того, чтобы в сентябре уже входить в строй с полностью работающим детектором.

Расскажите, пожалуйста, об основных детекторах LHC. Для чего они предназначены? В каком они состоянии сейчас?

На основном кольце LHC четыре больших детектора. Это детектор ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), детектор CMS (The Compact Muon Solenoid), детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) и детектор LHCb (Large Hadron Collider beauty).

ATLAS и CMS многофункциональны. С их помощью планируется решение очень большого количества самых разнообразных задач, основной из которых является обнаружение бозона Хиггса. Основная цель – это экспериментальное обнаружение бозона Хиггса и измерение его параметров: время жизни, вероятности распадов и так далее. Кроме того, поставлено много задач по исследованию известных частиц на больших энергиях, на больших светимостях. Это исследования редких распадов, которые не видны на других установках. Нужно набрать очень большое количество частиц - чем больше светимость, чем больше частиц в единицу времени мы получаем, тем более редкие распады мы можем обнаружить и исследовать.

Детектор LHCb предназначен для исследования b-физики. Это физика частиц, содержащих тяжелый b-кварк. С бозоном Хиггса это не связано никак, это просто отдельный класс элементарных частиц, уже известных современной физике. Они исследуются на других установках, но недостаточно эффективно, поскольку там очень маленькая вероятность их рождения и распадов. А их должно быть очень много, чтобы с достоверной точностью произвести измерения. Детектор LHCb и будет этим заниматься.

Детектор ALICE – это исследования по физике тяжелых ионов, то есть уровень уже чуть выше – ядро-атом, атомов свинца, атомов золота. На детекторе планируется получение так называемой кварк-глюонной плазмы — нового, пока не обнаруженного экспериментально состояния вещества. Мы знаем, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, "склеенных" вместе так называемыми глюонами (от английского glue — клей). На детекторе ALICE планируется получить "смесь" кварков и глюонов, но не в составе известных нам частиц, а в виде отдельного состояния материи.

Все эти установки стоят непосредственно на кольце, поэтому сейчас они полноценно работать не могут. Сейчас происходит то, что называется ёмким словом "калибровка". Это отладка аппаратуры и программного обеспечения. Отлаживать аппаратуру можно без пучков в кольце LHC, например, на космических частицах. Каждую секунду через нас с вами проходят десятки космических частиц, они попадают в атмосферу из космоса, рождают в ней так называемый ливень из электронов, протонов, нейтронов, мюонов и так далее. Такие частицы тоже можно зарегистрировать этими детекторами. Калибровка выполняется для того, чтобы к моменту запуска пучков вся аппаратура была в стопроцентно рабочем состоянии, чтобы всё было известно об аппаратуре — где она хорошо работает, где она чуть похуже работает, что от нее можно получить и в каких условиях.

Зачем разбирали детектор ATLAS? Готов ли к он сейчас к работе?

Детектор был собран летом прошлого года полностью, целиком запакован. В течение летних месяцев и начала осени была проведена серия калибровочных экспериментов, в частности, я в этом участвовал. Обнаружилось, что не всё так безоблачно, как предполагалось. Такой результат был достаточно очевиден. Поэтому после остановки комплекса детектор открыли и провели определенные работы по оптимизации аппаратуры и программного обеспечения. Сейчас детектор собран, закрыт, и проводится очередная серия калибровочных экспериментов. К запуску LHC он должен быть готов.

Расскажите о программном пакете Atlantis Какие, например, события можно наблюдать с его помощью?

Atlantis — достаточно интересная вещь. Это визуализатор того, что происходит внутри детектора. Например, пролетела космическая частица, она прошла через системы детектора, в каждой системе она как-то с ней прореагировала. Получили сигналы. Сигналы от калориметра, от трековой системы, от других систем детектора снимаются аппаратурой и регистрируются. Цифры – это, конечно, хорошо. Но иногда "глазами" посмотреть ещё интереснее. Что это за событие, все ли системы на нем сработали, которые должны сработать, и так далее. 

То есть Atlantis – это программный пакет, достаточно большой и сложный, который знает всё о каждом миллиметре детектора, вплоть до каждого винтика. В нем полностью задана геометрия детектора и все его физические характеристики. Соответственно, зная полностью геометрию детектора, можно показать на экране, какие системы сработали в ответ на столкновения пучков в ускорителе и в ответ на космическую частицу. В результате получается трехмерная красивая картинка, где чётко видно, как летела частица, как системы на неё отреагировали, и можно непосредственно сказать, где сколько выделилось энергии. Таким образом, имеется наглядное представление о том, как и какие системы работают. Это полезно для отладки — например, должен был сработать калориметр, а не сработал, значит, что-то не так — и для рекламы – "у нас всё летает, всё работает".

Он общедоступен?

Это программный пакет внутри программной среды CERN. Это не закрытая информация, в этом смысле да, общедоступен. Его можно скачать с серверов CERN, поставить себе на машину, скачать себе оттуда же файлы данных и смотреть у себя на машине сколько угодно на события в детекторе. Это свободное общедоступное программное обеспечение, ничего закрытого тут нет. 

Но нужно понимать, что это не средство серьёзного анализа. Это иллюстрация. Или, например, средство наглядной проверки каких-то алгоритмов. А для серьёзного анализа есть отдельный огромный и сложнейший пакет реконструкции, который позволяет получить доступ к внутренним данным, которые собраны в аппаратуре, и значительно точнее и подробнее описать событие. Например, идентифицировать частицы — сказать, что вот тут у нас родился обычный электрон, здесь обычный фотон, а тут, например, необычный бозон Хиггса. Atlantis – это составная часть общего большого программного обеспечения, используемого для моделирования, иллюстрации, визуализации, реконструкции данных, в частности, с детектора ATLAS и со всего комплекса.

На конференции Chamonix-2009 было предложено запустить LHC в октябре 2009 года и дать ему проработать до осени 2010 года без зимнего перерыва. Было ли это решение одобрено директоратом CERN?

CERN никогда не работает примерно с 20 декабря до 10 января — с католического Рождества до православного. На это очень много политических и идеологических причин. Считается, что сотрудников надо отпустить на Новый год к семьям, на рождественские праздники. Есть и финансовые причины – в это время швейцарские энергетики сильно поднимают цену на электроэнергию. Потому что, вроде как, надо много энергии тратить для обогрева. Зимой электричество стоит значительно дороже, раза в два. Поэтому при астрономических нормах потребления электричества CERN (гигаватты), выгоднее сделать рождественский перерыв. Насколько я понимаю, такое решение и было принято на конференции.

А что касается работы LHC с осени до осени, не считая паузы в зимние каникулы, да, планируется запустить коллайдер "на физику", и пусть он на неё работает, пока сможет. Надо как-то компенсировать тот почти годовой простой, который получился из-за аварии. Нагонять необходимо по многим причинам. Во-первых, все – и политики, и финансисты, и учёные уже давно ждут запуска — когда же он уже заработает, наконец! Во-вторых, наши коллеги из лаборатории в Чикаго на коллайдере Tevatron уже примерно полгода говорят, что, мол, давайте вы ещё немного потянете, и мы первые откроем бозон Хиггса.

Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.

Ускоритель Tevatron в лаборатории имени Ферми в Чикаго работает с небольшими перерывами с 1987 года, и планируется, что их экспериментальная программа закончится в 2010 году. Сейчас очень активно идёт обработка накопленных результатов, для этого есть масса материала. У них очень много публикаций по результатам, не относящимся к физике бозона Хиггса. На их счету достаточно много уникальных измерений и несколько открытий мирового уровня в физике частиц. Это коллайдер вполне серьёзный, примерно на уровне LHC. По теоретическим предсказаниям, они на грани — они могут обнаружить бозон Хиггса, а могут и не обнаружить. Обнаружат или нет – пока вопрос. Во всех интервью они с некоторым ехидством говорят – давайте, CERN потянет ещё несколько месяцев или год, и мы уж точно первые найдем Хиггс-бозон, и тогда пусть они спокойно работают.

Значит, конкуренция все-таки есть.

Конечно, есть, её не может не быть. Всем интересно первыми получить результат. Но конкуренция в физике не превращается в подтасовывание и так далее. Достоверность полученных результатов проверяется на всех этапах очень серьёзно. Сжульничать не получится. Я думаю, что в любом случае будут иметь смысл два независимых измерения, и для науки не так важно, кто первый это сделает. Независимые результаты двух разных коллабораций на разных установках, безусловно, имеют одинаковую ценность, даже если один получен на год раньше, чем второй. Хотя некое мальчишеское соревнование ("кто первый?"), конечно, присутствует. Поэтому и возникают идеи запуститься осенью и работать, сколько будет можно. Насколько я знаю, такое решение и принято, с осени до осени с коротким перерывом на зиму коллайдер будет работать непрерывно. Нельзя сказать, что это уникальный случай, бывший коллайдер CERN LEP, который был размещен в том же туннеле, тоже работал без перерывов достаточно долго. Ускорители работают по полгода, по восемь месяцев без перерыва, Tevatron тот же самый работал чуть ли не годами. Для LHC, если получится, это будет хорошим первым шагом. Важно запуститься, во-первых, на достаточно большой энергии, во-вторых, с достаточно хорошими параметрами, чтобы получить хороший набор экспериментальных данных. А на это требуется время.

Какие комиссии оценивают риски LHC?

Их очень много. Десятки. Главная из них — CERN Safety Committee (Комиссия по безопасности CERN). Это центральный орган отслеживания всех внештатных ситуаций и ликвидации их последствий. Туда стекается информация от остальных более мелких комиссий. Есть отдельная комиссия CERN Radiation Committee (Комиссия по радиационной безопасности CERN). Внешние комиссии, конечно, тоже оценивают работу CERN. В составе коллаборации более двадцати стран Европы, они вкладывают в эксперименты свои деньги. Естественно, им важно, насколько безопасно эти деньги используются. Каждое государство-член CERN имеет право послать туда свою комиссию и оценить работу по любому критерию. И CERN обычно с радостью их принимает, поскольку это обеспечивает публичность, что тоже важно.

Что такое Quantum Diaries ("Квантовые дневники")?

Это сервис блогов CERN, то есть электронных журналов сотрудников, где можно в реальном времени посмотреть, что там происходит. Это заметки отдельных учёных или групп — примерный аналог известного сервиса LiveJournal.com — то же самое, только внутри ЦЕРН. Я считаю это небесполезной и любопытной забавой. Есть общедоступные официальные журналы смен, в которых пишется различная техническая информация, они тоже публикуются, во всяком случае, для церновской общественности. А "Квантовые дневники" - это художественные заметки о том, как идет работа, в которых перемежаются технические записи (вплоть до показаний вольтметров) и эмоции – как у нас всё хорошо и замечательно, или "черт возьми, опять ничего не получилось". И все это на очень многих языках. Некоторым сотрудникам, когда происходит что-то интересное, когда они эмоционально возбуждены, не до английского. Но и в официальных технических журналах иногда без эмоций не обходится. Если какая-то сильно нештатная ситуация, то можно встретить, например, итальянское "o diablo!"

Что входит в план работ LHC на 2009-2010 гг.?

2009 год – это, прежде всего, завершение профилактических работ. Месяц-полтора, а то и два, будут заняты введением комплекса в строй. Это охлаждение кольца до гелиевой температуры, накачка аргона, в частности, в ATLAS, накачка гелия во всё кольцо. Сейчас поврежденный сектор кольца и детектор нагреты до комнатной температуры. Их нужно охладить до температуры 4 градуса Кельвина (минус 269°С). Причём охлаждать необходимо очень плавно, чтобы ничего нигде не повредилось из-за градиентов температуры. Заливка аргона в детектор ATLAS с охлаждением занимает порядка полутора-двух месяцев. Это характерный масштаб времени. Охлаждать нужно с очень маленькой скоростью, потому что если один край будет на несколько градусов горячей, чем другой, он расширится, второй сузится, и вся электроника повредится. Это отдельная сложная инженерная задача, которую нужно решать с большой аккуратностью. По планам это займет вторую половину лета и начало осени. Сентябрь – это запуск комплекса, и, скорее всего, с конца сентября - начала октября там уже начнут "гоняться" пучки, и будет движение в сторону физики – в сторону получения светимости, стабильных столкновений пучков. То есть к концу года статистика будет набираться. По крайней мере, все на это очень надеются.

2010 год – работа на физику, столкновение протонных пучков. Насчет ионных экспериментов по ядерной физике пока точного решения не принято. Были мысли о том, чтобы поработать на протонах 2010 год, а может, даже и не только десятый. Основная проблема в том, что сразу на большой энергии коллайдер запустить не получится, это совершенно точно. Этот процесс должен быть ступенчатым. Сначала пустить на промежуточном уровне, потом постепенно повышать энергию, отслеживая, чтобы всё было в порядке, чтобы опять всё не встало на год. Достижение проектной энергии, насколько я понимаю, планируется только к концу 2010 года. Тут надо подчеркнуть, что физический смысл имеет работа на любой энергии. Работа на любой энергии может принести и будет приносить интересные результаты. Если всё пойдет нормально, то первые физические результаты ожидаются к концу 2009 года. Данные, связанные с бозоном Хиггса, появятся где-то к половине 2010 года. Но это речь именно о "сырых" данных, а их обработка – это ещё примерно год-полтора. То есть сенсационных открытий ожидать раньше 2011-2012 гг., наверное, не приходится. На всё нужно время.

Отдельный вопрос — это ядерная программа. Это отдельный интересный эксперимент, в частности, для детектора ALICE. Ядерная программа подразумевает исследование столкновений тяжелых ядер – свинца, золота, ещё каких-то элементов. Ядра разгоняются до сверхвысоких энергий, сталкиваются, и наблюдаются эффекты ядерной физики. Никто и никогда ничего подобного не делал, поэтому очень интересно, что из этого получится. А получиться действительно может что-нибудь пока не предсказанное. Возможно, какая-то новая ядерная физика. В частности, возможны результаты, интересные для реализации идеи управляемого термоядерного синтеза. Но, опять же, чтобы не было спекуляций, подчеркну, что с ядерной бомбой и ядерными взрывами эта программа не имеет ничего общего.