• З початку роботи Великого адронного коллайдера (він же Large hadron collider, він же LHC) пройшло три роки. Але ми знаємо про нього напрочуд небагато. Спочатку всі боялися, що з початком роботи коллайдера настане кінець світу - це зробило установку героїнею жовтої преси. Потім, толком не почавши працювати, коллайдер зламався, і це теж викликало інтерес до нього з боку аж ніяк не профільних ЗМІ. А потім начебто все налагодилося, і тема LHC потихеньку пішла з новин.
    Ми вирішили з'ясувати - що ж відбувається з колайдером насправді і чого від нього чекати в найближчому майбутньому. Алла Аршинова запропонувала поговорити з Олександром Єрохіним - науковим співробітником Інституту ядерної фізики ім. Р. І. Будкера со РАН, кандидатом технічних наук. Вже 14 років він працює з Європейським центром ядерних досліджень (ЦЕРН) і під час запуску LHC в 2006-2008 роках був одним з відповідальних за системи захисту магнітів. З тих пір «основних» місць роботи у Олександра два - новосибірський Академмістечко і ЦЕРН.
    Бесіда відбулася, але, прочитавши її розшифровку, ми дружно схопилися за голови. Ні, все було цікаво і по справі. Однак категорії, якими мислить Олександр, так само як і терміни, що вживаються, зробили текст, скажімо так, трудноусваиваемым для масового читача. Проте відмовлятися від цього багато в чому унікального матеріалу не хотілося, і на наше прохання Алла у два заходи піддала його деякої популяризації. Звичайно, дотягнути простоту викладу до рівня «Цікавій фізики» Перельмана не вдалося, але тепер ті, хто не прогулював фізику в школі, зможуть зрозуміти приблизно 95% сказаного.
    Словник використовуваних термінів
    Світність - це кількість частинок в одиницю часу на одиницю площі. Інтенсивність пучків визначається кількістю часток та їх щільністю в кожному пучку. Світність виражається в см-2•з-1 і позначається як L.
    Пучок - це кілька згустків часток, що летять в одному напрямку. Для LHC максимальна кількість згустків в одному пучку - 2808. Пучки летять в прискорювачі назустріч один одному, на місці їх зіткнень детектори реєструють події, наприклад, народження нових частинок.
    Згустки - це частинки, сформовані в «групу». Згустки летять в прискорювачі послідовно один за одним на певній відстані. Для LHC максимальна кількість часток у згустку - близько 100 мільярдів. Довжина одного згустку - кілька десятків сантиметрів, ширина - менше міліметра, а в місцях зіткнень - соті частки міліметра.
    Надпровідність - стан речовини, при якому електричний струм, що протікає через нього без втрат.
    Надпровідний магніт - це соленоїд або електромагніт з обмоткою з надпровідного матеріалу.
    Інтегральна світність - це світність, помножена на час роботи прискорювача.
    Інжекційний комплекс - це система, яка забезпечує подачу пучка в основний прискорювальне кільце. Для LHC інжекційний комплекс складається з джерела протонів, лінійного прискорювача і трьох накопичувальних кілець: booster, PS та SPS. Розбивка на кілька попередніх кілець необхідна для поетапного прискорення частинок - в кожному з кілець частинки прискорюються до енергій в 15-20 разів більше початкової. «Розігнати» частинки з нульовий енергії до максимальної (7ТэВ на LHC) на одному кільці технічно неможливо.
    Якщо ж ви все-таки побоюєтеся читати текст, скажімо коротко: Великий адронний коллайдер - це не поп-зірка, а потужний дорогий інструмент, за допомогою якого серйозні люди намагаються розгадати деякі основи світобудови. Справа це непросте і нешвидка, так що доведеться запастися терпінням і, щоб оцінити сенсацію, в процесі очікування краще простудіювати пару посібників для студентів фізтеху. Або все ж почати з цього інтерв'ю. Тим більше що ми підготували невеликий словничок ключових термінів.
    Алла Аршинова: Олександр Іванович, для коллайдера минулий рік і початок нинішнього - період поступового підвищення енергії, світності, збільшення кількості згустків у пучках. Як система переносить ці зміни?
    Олександр Єрохін: На останньому виїзному засіданні у французькому місті Шамоні представники ЦЕРН заявили, що LHC буде працювати до кінця 2012 року, звичайно ж, з традиційної різдвяної зупинкою в кінці 2011 року. Вирішено, що енергія на пучок до кінця року не підвищуватиметься більше 3,5 тераелектронвольт (Тев). Нагадаю, що раніше збиралися зупинитися на півтора-два роки вже в кінці 2011-го, але останні успіхи по збільшенню числа згустків, а отже, і світності, дали надію на «нову фізику» в майбутні два роки. На це рішення вплинув також і той факт, що всі системи комплексу працюють стабільно. Обнадіює і стан контактів між струмоведучими шинами надпровідних магнітів (як ми пам'ятаємо, саме неякісна пайка одного з таких контактів і призвела до аварії 19 вересня 2008 року). Варто пояснити, навіщо взагалі на LHC потрібна магнітна система? Вона створює магнітне поле, за рахунок якого в прискорювальному кільці підтримується орбіта для згустків частинок. Магнітне поле створюється більш ніж двома тисячами надпровідних магнітів, для функціонування яких необхідно підтримувати температуру До 1,9 (-271,25 °З).
    Що чекає коллайдер в поточному році, так це, дійсно, збільшення числа згустків (на жаргоні співробітників ЦЕРН - «банчів», від англійського bunch). До кінця року їх кількість планується довести до тисячі, а можливо, і великих значень. Особливих труднощів не передбачається - якщо не вдаватися в технічні деталі, то це вимагатиме більше «акуратною» інжекції (впуску) згустків з меншим тимчасовим відстанню між ними (проектне час між згустками 25 нс при 2 808 сгустках), а також потрібно буде домогтися достатнього часу життя пучка при заданій кількості згустків (якщо це означає «не вдаватися в технічні деталі», то що ж тоді означає вдаватися? - прим. редакції).
    Одна з стандартних проблем при підвищення інтенсивності пучків - виникнення електронних хмар, але з цим можна боротися. Що ж стосується енергії, в ЦЕРН ещене визначилися - чи залишитися на рівні 3,5 Тев, як вирішили в Шамоні, або ж спробувати трохи наростити показники. Знову ж таки, якщо підвищувати, то до 4 Тев, 4,5 Тев або 5 Тев? Думаю, рішення буде прийнято найближчим часом, проте зробити це можна тільки після додаткових вимірів опорів вищезазначених контактів.
    Проблема в тому, що при температурі 2 кельвіна (-271,1 за шкалою Цельсія), коли обмотки магнітів і струмоведучі шини знаходяться в надпровідному стані, знайти дефектні контакти в місцях пайки надпровідного шини на іншу таку шину, а також дефектні контакти з шини на захисну мідну «сорочку», майже неможливо. Тут я уточню, що мідна «сорочка» перехоплює на себе струм, коли в шині зривається надпровідність (як ми пам'ятаємо, деякі місця пайки виявилися дефектними і тут). Опір цих контактів, якщо вони були спаяні правильно, становить менше наноома (10−9 Ом)! Контакти зі значними дефектами (і з опором у цілі десятки наноомов) виявили ще в 2009 році. Зараз мова йде про не настільки значних дефектів - порядку декількох наноомов. Виміряти ці опору, коли магніти охолоджено до 2, неможливо. Виміряти їх при кімнатних температурах, але при досить високих струмах, теж неможливо. Тому зараз зріє рішення в кінці року нагріти магніти до 20 (-253 за Цельсієм, нічого собі «підігрів». - прим. редакції) і пропустити кілька сотень ампер, це дозволить точніше проаналізувати динаміку опорів під струмом. Тільки після таких вимірювань може бути прийнято рішення про підвищення енергії.
    Алла Аршинова: Передбачалося, що в кінці 2011 року LHC зупинять на модернізацію, а вже потім виведуть на проектні параметри, але перерву в роботі перенесли на 2012 рік. Чому змінилися плани?
    Олександр Єрохін: Тому що останні успіхи LHC вражають. Ще 22 квітня генеральний директор ЦЕРН оголосив про рекорд - при 480 сгустках світність досягла 4,67x1032 см-2*с-1, як вже 28 квітня дійшли до 624 згустків і пікової світності майже 7,5x1032 см-2*с-1, а 1 травня до 768 згустків! І мова йде не тільки про технічні успіхи, але і про те, що при такій світності (вище, ніж на Tevatron, американському прискорювачі) вже можна отримати високу інтегральну світність, а значить забезпечити необхідну статистику для фізиків. І тепер, коли вийшли на параметри, які дозволять нарешті-те фізикам працювати, - раптом зупинитися? Поки що зійшлися на компроміс - одного року мало, щоб накопичити потрібний інтеграл, два роки вже розумно. Звідси перенесення термінів. Втім, це ще не остаточне рішення. Все буде залежати від можливості підвищити енергію. Якщо раптом вийде підвищити її до 5 Тев, то будуть обговорюватися інші терміни, 3-4 роки роботи до зупинки.
    Алла Аршинова: Модернізація, зокрема, передбачає заміну інжекційного комплексу і системи магнітів. На якому етапі ця робота, хто в ній бере участь?
    Олександр Єрохін: Істотне обмеження в сьогоднішньому варіанті інжектора вносить Linac2, лінійний прискорювач. Він є джерелом протонів для бустера PS (Proton Synchrotron Booster, проміжне накопичувальне кільце), при цьому інжекція відбувається на енергії 50 мегаелектронвольт (Мев). У планах - заміна Linac2 на Linac4. Завдяки іншого механізму інжекції, Linac4 дозволить збільшити світність на LHC в кілька разів. На сьогоднішній день Linac4 знаходиться на етапі будівництва, будинок під нього вже готове.
    Як і при будівництві LHC, у цій роботі об'єднані зусилля декількох інститутів з різних країн. Від Росії головним інститутом в цій колаборації є Інститут ядерної фізики РАН. Він поставляє для Linac4 25 метрів прискорювальної структури (при його загальною довжиною 100 метрів). Планувалося, що Linac4 буде встановлюватися приблизно в 2015 році, під час чергової технічної зупинки (наступною після очікуваної довгою зупинки в кінці 2012 року). Однак, оскільки поки немає повної впевненості у зупинці в кінці 2012 року, не зовсім зрозумілі плани щодо запуску Linac4. Може виявитися, що він збігається за часом з «довгою» зупинкою.
    Алла Аршинова: Минулого літа під час експерименту у пучку були виявлені «порошинки», «UFOs», природа яких невідома. Передбачається, що їх наявність при підвищення інтенсивності пучка позначиться на роботі установки. Це важлива подія або штатна неприємність?
    Олександр Єрохін: Скоріше, друге. У даному випадку під UFO мається на увазі наявність забруднень, джерело яких поки не знайдений. Це призводить до розсіювання протонних пучків на «пилу», що і реєструють як втрату пучка так звані BLM (beam loss monitor). Причин тому існує безліч: наприклад, можуть «газить» стінки вакуумної камери. Проблема для вакуумщиков стандартна і буде вирішена після довгої зупинки - швидше за все, просто «почистять» камеру пучок протонів. На даний момент UFO роботі не заважають, так як в 2-3 рази підвищений поріг спрацьовування датчиків BLM.
    Алла Аршинова: чи Планується «надбудовувати» коллайдер другорядними установками/детекторами для вторинних експериментів, які не належать до основного напрямку роботи?
    Олександр Єрохін: Надбудовувати - не зовсім правильне в даному випадку визначення. Є відомі експерименти на детекторах ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, всі вони заплановані, і назвати вторинним який з них важко. Швидше, це можна віднести до PS та SPS, які, будучи інжекційном комплексом для LHC, в той же час є джерелами протонів для інших, що не відносяться до LHC експериментів. Це і отримання антиводорода (теж, до речі, гучний в ЗМІ експеримент), і експерименти з радиоизотопами на ISOLDE, Isotope Separator On-line (зараз розглядається апгрейд до HIE ISOLDE - збільшення енергії та інтенсивності іонних пучків). Сюди ж можна віднести отримання нейтрино, що проходять далі по хорді Землі 730 км, для лабораторії Gran Sasso (Італія). Весь список експериментів в ЦЕРН можна подивитися на http://greybook.cern.ch/.
    Алла Аршинова: Всім не терпиться дочекатися великих результатів роботи коллайдера. Які досягнення на даний момент є найбільш серйозними? Чи можна встигнути одержати цікаві результати до перерви?
    Олександр Єрохін: Поки серйозних відкриттів не було, адже статистику почали збирати тільки зараз. Тому, власне, і покладаються такі надії на найближчі два роки, що вийшли на світність, при якій можна зібрати достатню статистику для багатьох відкриттів. Досягненням є той факт, що вже вийшли на серйозні параметри. Більш того, аналізуючи результати зіткнень, підтвердили багато з тієї фізики, що спостерігалася раніше на інших машинах.
    Алла Аршинова: Які існують онлайн-ресурси для спостереження за роботою коллайдера в реальному часі?
    Олександр Єрохін: В першу чергу розділ на офіційному сайті ЦЕРН, а також офіційний сайт журналу «CERN Courier». З російськомовних ресурсів я б відзначив http://elementy.ru, де є розділ, присвячений LHC. Розділ веде випускник фізфаку НГУ, робить це цікаво і доступно, і до того ж автор ґрунтується на першоджерелах.
    Алла Аршинова: LHC - це не тільки фізична установка, але і науковий центр. Чи можуть охочі приїхати в CERN попрактикуватися, повчитися?
    Олександр Єрохін: Так, кожне літо в ЦЕРН проходять літні школи для студентів, аспірантів і молодих вчених. Як і в інших наукових центрах, відкрито досить велика кількість вакансій для постдоков. Про це офіційна інформація оприлюднюється на офіційному сайті ЦЕРН, а також у журналі «CERN Courier».
    Алла Аршинова: Що мається на увазі, коли говорять «режим Super-LHC»?
    Олександр Єрохін: Проектні параметри LHC розраховані для енергії в центрі мас 14 Тев і світності 1034 см-2*с-1. Проект sLHC (super LHC) передбачає збільшення світності на порядок при тій же енергії 14 Тев, що можна досягти лише шляхом «впровадження» нових елементів і модернізації старих. Це включає заміну інжекційного частині комплексу, модернізацію прискорювача SPS (Super Proton Synchrotron) і заміну магнітів фінальної фокусування (inner triplet magnets) в місцях експериментів. Відповідно перехід до sLHC здійснюватиметься в три етапи: заміна Linac2 на Linac4, про що говорилося вище; перехід від протонного синхротрона PS (який використовується з 1959 року і вже скоро виробить свій ресурс) до PS2; модернізація SPS і заміна магнітів фінальної фокусування (inner triplet magnets). І якщо по першому етапу є приблизне розуміння термінів і Linac4 знаходиться в процесі виробництва, то терміни по інших робіт належать далі ніж до 2017-2018 рр.
    Алла Аршинова: Tevatron, єдиний прискорювач, порівнянний за масштабами з LHC, в кінці цього року закриють. Як ви думаєте, відпрацював чи він своє, або основна причина припинення фінансування?
    Олександр Єрохін: На мій погляд, «Теватрон» зупиняти поки рано, оскільки завжди необхідно якесь перекриття на різних машинах. LHC зараз вийшов на велику світність і майже в 4 рази більшу енергію, але поки він не дійде на проектні параметри, не варто закривати «Теватрон». Так, власне, і хотіли вчинити, наскільки я знаю. Але питання було вирішене політично дивним шляхом - закрили фінансування.
    Алла Аршинова: А як скорочення фінансування в ЦЕРН позначиться на роботі коллайдера?
    Олександр Єрохін: На тих параметрах, які спочатку закладали в проект, не позначиться. На жаль, закрили деякі можливості майбутнього апгрейда. У таких великих установках, чий пуск в експлуатацію відбувається через 20 років з моменту початку проектування, відразу після запуску неминуче виникає бажання щось вдосконалити. По-перше, з кожним роком збільшуються технічні можливості. По-друге, звичайно, приходить розуміння того, що спочатку що-то можна було побудувати краще. Так що необхідність доопрацювання буде завжди, але тепер модернізація торкнеться не все, що хотілося б. Приміром, апгрейд інжекційного комплексу буде, але не в повному обсязі.
    Алла Аршинова: Зараз, коли минуло три роки з початку роботи коллайдера, чи змінилося щось у оцінках цього проекту всередині CERN? Чи Все відбувається так, як було задумано спочатку?
    Олександр Єрохін: Незважаючи на те, що надійності роботи всіх систем, особливо систем захисту, приділялася велика увага і раніше, аварія восени 2008 року виявилася великою несподіванкою і головною причиною переоцінки всього проекту. До систем безпеки підхід став ще більш суворим. Що стосується планів, то 3,5 Тев вже розходяться з початковими задумами. Але якщо взяти за початок відліку 2009 рік, то прогрес вражаючий, і плани втілюються в життя швидше, ніж очікувалося.