Фото: © Владимир Сараев, Sibnet.ru

Внутри обычного с виду здания Института ядерной физики скрываются сразу два коллайдера — меньшие «братья» Большого адронного коллайдера (БАК), объем только материальных вложений в которые исчисляется сотнями миллионов рублей. А первый коллайдер в Новосибирске появился еще в 60-х годах прошлого века…

Коллайдер — ускоритель заряженных частиц (с английского collider от collide – сталкиваться). Принцип устройства электронно-позитронных ускорителей одинаков, хотя коллайдеры и имеет некоторые различия.

ОДНИ ИЗ ПЕРВЫХ

Всемирно известный Большой адронный коллайдер построили в 2008 году, в новосибирском Академгородке коллайдер появился еще в 60-е годы. Первый ускоритель ВЭП-1 сибирские физики построили, чтобы доказать то, во что многие не верили — пучки частиц можно сталкивать друг с другом. До этого были только линейные ускорители, работающие по типу пушки, стреляющей частицами по мишени-веществу.

Почти одновременно подобные эксперименты проводили в США, поэтому точно установить автора коллайдера нельзя. Изобретенный в 60-е годы принцип столкновения частиц лежит в основе работы БАК.

«За счет встречных пучков сократились затраты на ускорение частиц и электричество. Это можно сравнить с тем, что, если одна машина едет со скоростью 100 километров в час и стакивается со стеной или две машины с такой же скоростью едут и сталкиваются друг другом. Суммарная энергия во втором случае будет больше», — рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Леонид Эпштейн.

Сейчас часть ВЭП-1 стоит как музейный экспонат в коридоре на пути к одному из двух нынешних ускорителей частиц в ИЯФе. ВЭП-2000 проработал с 2009 по 2013 год, а сейчас находится на модернизации. Ускоритель размещен в большой комнате с высокими потолками, обстановка в которой напоминает фантастические советские фильмы: опутанная проводами огромная установка, половину которой можно увидеть только поднявшись на лестницу.

Вся система занимает больше места и состоит также из инжекционного комплекса, который «рождает» пучки электронов и позитронов, 200-метрового тоннеля, по которому частицы на низкой скорости попадают в первое кольцо коллайдера, и второе кольцо, где частицы сталкиваются.

До того, как построили инжекционный комплекс ВЭПП-5, пучки частиц производили в большой «бочке» — резонаторе. Он проработал в ИЯФ около 40 лет. Его решили заменить на инжекционный комплекс, который может «раздавать» частицы на оба коллайдера.

«В месте, где пучок передавался от резонатора на кольцо, встроили подземный канал от ВЭПП-5. Вслед за заменой источника частиц решили модернизировать ускоритель, так как инжекционный комплекс дает пучки с большим количеством частиц, чем резонатор и потребовалась модернизация магнитов. Их разбирали, шлифовали, что-то снимали, наращивали, чтобы изменить конфигурацию полей для работы с большим количеством частиц в одном пучке», — объясняет физик.

Модернизацию коллайдера планировали завершить раньше, но из-за кризиса она продлилась на 2,5 года. В марте ВЭПП-2000 планируют снова запустить.

Первый детектор фиксирует нейтральные частицы, а второй — криогенный магнитный детектор —определяет и нейтральные, и заряженные. По словам ученого, КМД имеет магнитное поле на внутренней части детектора и по тому как частицы закручиваются в магнитном поле можно определить какие из них нейтральные, а какие заряженные.

«Магнит охлаждается жидким гелием, потому что он является сверхпроводником, а они не работают при комнатной температуре. Их надо охлаждать до температуры примерно минус 270 градусов по Цельсию, что делается с помощью жидкого гелия», — говорит собеседник.

После столкновения происходит рождение новых частиц, которые регистрирует детектор. Он также измеряет координаты, импульс, энергию, которыми обладают частицы.

Ниже этажом под коллайдером находится еще одно помещение — сюда протянуты провода с установки, установлены блоки передачи данных. В этом шумном помещении данные об опытах оцифровываются и передаются на компьютеры ученых. В этом же месте находятся блоки питания, которые передают энергию магнитной системе.

«Это лазер для измерения энергии частиц в пучке. Он стоит здесь и выводится зеркалами на вверх к ускорителю. Он светит по частицам, они отражаются и так измеряется энергия пучка», — объясняет ученый.

В комнате находится странный овальный предмет с надписью: «Не трогать! Идут измерения!». Это датчик, фиксирующий уровень радиации. Данные таких датчиков собирает специальный отдел радиационной безопасности, их, по словам Эпштейна, в последствии проверяет ФСБ.

«В момент работы коллайдера возле него нельзя находится людям, так как при столкновении пучков появляются другие частицы и излучается радиация. Флюорографию можно делать раз в год, возле работающей установки можно каждый день дозу флюорографии получать», — объясняет собеседник.

Еще одна комната, связанная с ускорителями — пультовая. В ней на множество компьютеров выводятся данные с коллайдеров, а на рабочее место дежурного — видео со всех камер, установленных возле установок.

Учитывая повышенные риски, включая радиационные, дежурные наблюдают за ускорителями 24 часа в сутки, на изображениях с камер они могут заметить какие-то неполадки и экстренно отключить всю систему с помощью панели с рядом красных кнопок.

РАЗМЕР ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ

Быстро отключить ускорители можно только в чрезвычайной ситуации, в штатном режиме этот процесс занимает несколько дней. Неделю занимает и запуск коллайдера.

«Сначала надо, чтобы из всех труб был откачан воздух для создания вакуума, затем надо охладить большие магниты жидким гелием и азотом. А потом уже нажать кнопку включения, которая больше похожа на enter на компьютерной клавиатуре. Движение пучка частиц управляется магнитным полем, которое нужно настроить так, чтобы пучок ровно шел в трубе и не ударялся об стенки», — говорит Эпштейн.

В штатном режиме коллайдеры включают в середине октября, и они работают до конца июня. Летом их отключают из-за жары и отпусков сотрудников.

Пока ВЭПП-2000 модернизируют, ВЭПП-4м активно работает. Он имеет размер почти с футбольное поле и связан с первым коллайдером тоннелем длиной в 150 метров. Большой ускоритель имеет точно такое же строение и принцип работы, но за счет размера выполняет другие задачи. На ВЭПП-4м изучаются свойства очарованных мезонов и тау-лептона.

«От размера ускорителя зависит число экспериментов, которые можно поставить на нем. На ВЭПП-2000 можно проводить два эксперимента, на ВЭПП-4м около пяти-шести. Кроме того, он имеет другой диапазон энергии. Если у ВЭПП-2000 энергия до 2 Гигаэлектронвольт, то на ВЭПП-4 в несколько раз больше энергии», — объясняет собеседник.

Потребляемая мощность каждого из коллайдеров и сопутствующей инфраструктуры зависит от режима работы и составляет несколько мегаватат, в сумме — до 10 МВт. Объем ежегодных расходов института на содержание и эксплуатацию коллайдеров превышает полмиллиарда рублей.

По словам ученого, у каждого детектора своя физическая программа. Так, на детекторе ВЭПП-2000 изучают андронные сечения, протоны, нейтроны. Особенностью ВЭПП-2000 является то, что на нем проводят эксперименты в областях малой энергии. Изучение протонов на ВЭП-2000 дало информацию для управления этими частицами на Большом андронном коллайдере.

На каждом детекторе работает группа примерно из 30 человек, это не только ученые, но и техники, монтажники. В сумме на всей установке трудится около 100 человек. Но, как отметил Эпштейн, это не так много — всего в ИЯФе работает около 3 тысяч человек, из них научных сотрудников около 600.

Почти 2 тысячи человек работают на производственной площадке института, где и собирают все детали и оборудование для ускорителей и других установок ИЯФ. Сотрудники именно этого института сделали оборудование для трети кольца Большого андронного коллайдера.

На вопрос об опасности возникновения «черных дыр» из-за работы ускорителей ученый улыбается. «Дыра образуется от энергии взрыва больших звёзд. А до энергии звезд ускорителям идти еще многие тысячи лет. Даже на БАК энергии частиц протонов не хватит для этого», — говорит Эпштейн.

Опыт работы на двух коллайдерах ученые планируют использовать для создания еще более мощного — «Супер чарм-тау фабрики». Для нее построили инжекторный комплекс ВЭПП-5.

Будущий коллайдер будет отличаться высокой светимостью — количеством частиц, сталкивающихся в установке за единицу времени. Он будет источником очарованных частиц (кварков) и тау-лептонов, почему и получил название «фабрика». Стоимость его создания около 17 миллиардов рублей. Но пока средств на реализацию этого грандиозного проекта у института нет.

Ежегодно 8 февраля отмечается День российской науки, учрежденный указом президента РФ в 1999 году. В Указе говорится, что праздник установлен «учитывая выдающуюся роль отечественной науки в развитии государства и общества, следуя историческим традициям и в ознаменование 275-летия со дня основания в России Академии наук». Именно 8 февраля в 1724 году по распоряжению Петра I в России была основана Академия наук.