Большой Адронный Коллайдер и печальная история Протвинского Ускорительно-Накопительного Комплекса

****

Статьи

***

Большой коллайдер на территории Франции и Цвейцарии.

Большой адронный коллайдер (БАК) и печальная история Протвинского Ускорительно-накопительного комплекса (УНК)

N.B. Я посвящаю эту статью моему, преждевременно ушедшему за горизонт, другу Владимиру Поповкину, с которым я вместе работал в Протвино, да и на Байконуре мы тоже вместе были.

N.B. Мне в свое время повезло поработатать, ну и естественно пожить в двух, опутанных аурой тайны, загадочных, для простого человека, и безусловео необычных, местах. Это Байконур и ИФВЭ (Институт Физики Высоких Энергий) под Серпуховом. Про Байконур я уже неоднократно упоминал и даже сделал публикацию про ночное  звездное небо над ним. Запомнилось на всю жизнь.  (Ссылка внизу). 

А вот при то, что мне довелось поработать (а не просто побывать) какое-то время на Серпуховском Синхротроне в поселке Протвино, я еще по-моему, не упоминал.  

Поселок Протвино с высоты птичьего полета. У меня до сих пор там есть друзья. 

Протвино — производное от названия местной речушки Протвы. В 1967 году в Протвино запущен крупнейший ускоритель своего времени — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ (109 электронвольт) У-70. Он до сих пор действует и остается самым высокоэнергетичным ускорителем России.

Это было давно, но уже тогда мы слышали о том, что в Церне собираются строить Большой Ускоритель.  У нас же его (Большой ускоритель) собирались строить на полном серьезе.

Вот схема Синхротрона У-70 в Провино, выступающего как инжектор к УНК - большой ускоритель.

1. Ускоритель У-70. 2. Канал инжекции — ввода пучка протонов в кольцо ускорителя УНК. 3. Канал антипротонов. 4. Криогенный корпус. 5. Тоннели к адронному и нейтронному комплексам

Канал инжекции.

N.B. Я как раз работал в отделе инжектора.

В этом выпуске я использовал материалы и фрагменты стать randall  при описании Протвинского ускорителя У-70,  (Ссылка в конце).

В начале восьмидесятых в мире не было сравнимых по размерам и энергиям ускорителей. Ни Тэватрон в США (длина кольца 6,4 км, энергия в начале 1980-х — 500 ГэВ), ни Суперколлайдер лаборатории ЦЕРН (длина кольца 6,9 км, энергия столкновения 400 ГэВ) не могли дать физике необходимый инструмент для проведения новых экспериментов.

Полномасштабный макет тоннеля УНК

УНК - ускорительно-накопительный комплекс Института физики высоких энергий

 В проекте УНК предполагались две ступени: одна должна была принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400–600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов поднималась бы до максимальной величины. Обе ступени УНК должны были разместиться в одном кольцевом тоннеле размерами превосходящем кольцевую линию Московского метрополитена. Сходства с метро добавляет и тот факт, что строительством занимались метростроевцы Москвы и Алма-Аты.

В конце 1989 года было пройдено около 70% тоннеля основного кольца и 95% канала инжекции — тоннеля длиной более 2,5 км, предназначенного для перевода пучка из У-70 в УНК. Построили три здания (из запланированных 12) инженерного обеспечения, развернули строительство наземных объектов по всему периметру: более 20 промышленных площадок с многоэтажными производственными зданиями, к которым были проложены трассы водоснабжения, отопления, сжатого воздуха, высоковольтные линии электропередач.

В этот же период у проекта начались проблемы с финансированием.

Инжекторный тоннель оказался единственной частью комплекса, готовой на 100%. 

В 1994 году строители осуществили сбойку последнего и самого сложного по гидрогеологическим условиям (из-за грунтовых вод) участка 21-километрового тоннеля. В этот же период деньги практически иссякли, ведь затраты на проект были соизмеримы со строительством АЭС. Ни заказывать оборудование, ни платить зарплаты рабочим стало невозможно. Ситуацию усугубил кризис 1998 года. После того, как было принято решение участвовать в запуске Большого адронного коллайдера, от завершения УНК отказались окончательно.

Введенный в строй в 2008 году БАК оказался современнее и мощнее, окончательно убив идею реанимировать российский коллайдер. Однако просто бросить гигантский комплекс нельзя и сейчас он представляет собой «чемодан без ручки». Ежегодно из федерального бюджета тратятся деньги на содержание охраны и откачку воды из тоннелей. Средства уходят также на бетонирование многочисленных залазов, притягивающих любителей индустриальной экзотики со всей России.

Скорее всего УНК бы успешно построили, если бы перестройка и последующий развал союза не погубили бы этот грандиозный проект.

*

Построили же Буран, который во всех отношения был намного лучше шатла, вот только с хозяевами ему не повезло, и они его предали, как и УНК. Такое много раз уже случалось в истории развития техники и науки в целом. Человечество не менятся. :) 

Но мы отвлеклись. Не об этом речь :)

***

N.B. Вернемся же к БАК

Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (англ.Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границеШвейцарии и Франции.

БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран, в том числе из России — 12 институтов и 2 федеральных ядерных центра (ВНИИТФ, ВНИИЯФ).

***

Конструкция

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера.

Схема ускорительного кольца БАК с обозначением октантов, основных детекторов, предускорителей и ускорителей.Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Подземное расположение продиктовано снижением стоимости строительства, минимизацией влияния на эксперименты элементов ландшафта, а также улучшением радиационной защиты. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли, что сделано в основном также из экономических соображений.

Ускорительное кольцо состоит из 8 дуг (так называемых секторов), и вставок между ними — прямых участков, на концах которых расположены переходные зоны. Единичным рабочим участком называется октант — область между серединами соседних дуг со вставкой в центре; кольцо содержит таким образом 8 октантов. Оно состоит из узкой вакуумной трубы, движение частиц в которой управляется с помощью электромагнитных устройств: поворотных и фокусирующих магнитов, ускоряющих резонаторов.

Магнитная система

В секторах установлены поворотные дипольные магниты (154 в каждом секторе, всего 1232), благодаря полю которых сгустки протонов постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца[12]. Эти магниты представляют собой обмотку из кабеля, содержащего до 36 жил 15-миллиметровой толщины, каждая из которых состоит, в свою очередь, из очень большого числа (6000-9000) отдельных волокон диаметром 7 мкм. Совокупная длина кабелей — 7600 км, отдельных жил — 270000 км. Кабели сделаны из низкотемпературного сверхпроводника ниобий-титан и рассчитаны на работу при температуре 1,9 К (−271,3 °C), поддерживаемой с помощью сверхтекучего гелия. Каждый кабель может держать до 11,85 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,33 Тесла, перпендикулярное плоскости кольца — для этого обмотка осуществляется вдоль, а не вокруг вакуумной трубы ускорителя. Полная энергия, запасённая в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Каждый дипольный магнит имеет длину 15 метров и весит около 35 тонн.

***

*

*

Главная Задача БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели — совокупности теорий, составляющих современное представление о фундаментальных частицах и взаимодействиях.

Несмотря на свои преимущества, она имеет и трудности: не описывает гравитационное взаимодействие, не объясняет существования тёмной материи и тёмной энергии.

Строительство коллайдера.

Коллайдер должен помочь ответить на вопросы, неразрешённые в рамках Стандартной модели.

Поиск Новой физики и проверка экзотических теорий

Стандартная модель не даёт унифицированного описания всех фундаментальных взаимодействий и должна, по мнению теоретиков, быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже 1 ТэВ.

Главная задача Большого адронного коллайдера, где доступны бо́льшие энергии, — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.

Разработано большое число кандидатов на такую теорию — их и называют «Новая физика». Говорят также об «экзотических моделях» — многочисленных необычных идеях относительно устройства мира, которые были выдвинуты в последние годы.

К ним относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, так называемые Теории великого объединения, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия и новыми частицами.

Все они не противоречат имеющимся экспериментальным данным, но во многом по причине ограниченности последних. Ожидается, что результаты, полученные на БАК, помогут подтвердить или опровергнуть предсказания различных теорий.

Поиск суперсимметрии

Один из путей объединения законов всех фундаментальных взаимодействий в рамках единой теории — гипотеза «суперсимметрии», в рамках которой предполагается существование более тяжёлого партнёра у каждой известной элементарной частицы.

Основанные на ней теории наиболее популярны в области «Новой физики» (в частности, именно суперсимметричные частицы рассматриваются в качестве кандидатов на роль гипотетических частиц тёмной материи), и поиск её экспериментальных подтверждений является одной из главных задач работы БАК.

Изучение хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии

Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса

*

Важным моментом на пути к более полной, чем Стандартная модель, теории, является изучение хиггсовского механизма нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

Его, в свою очередь, удобнее всего исследовать через открытие и изучение бозона Хиггса. Он является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы обретают свою массу.

Изучение топ-кварков

Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и вообще самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц.

*

Изучение кварк-глюонной плазмы

Помимо протон-протонных столкновений, программа работы Большого адронного коллайдера предполагает также (примерно в течение одного месяца в году) столкновения тяжёлых ионов.

*

При столкновении двух ультрарелятивистских ядер образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества — кварк-глюонной плазмы.

Понимание явлений, происходящих при переходе в это состояние, в котором находилось вещество в ранней Вселенной, и его последующем остывании, когда кварки становятся связанными, нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

При исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики.

Изучение Антиматерии

Антиматерия должна была образоваться в момент Большого взрыва в таком же количестве, что и материя, однако сейчас во Вселенной её не наблюдается — этот эффект называется барионной асимметрией Вселенной. Эксперименты на Большом адронном коллайдере могут помочь объяснить его.

***

"Трещина" в магнитном поле

Еще в июне 2015 года мощный телескоп, расположенный в Индии, который должен фиксировать высокоэнергетические взаимодействия, заметил увеличение потока галактических космических лучей (ГКЛ), проникающих через нашу атмосферу. Этот тип излучения происходит из-за пределов Солнечной системы, хотя в этом случае его источник оказался относительно близко от наших звездных окрестностей.

Подробный анализ, проведенный исследователями из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR), обнаружил, что облако плазмы образовалось благодаря необычному временному разрыву в магнитном поле Земли.

Это вторжение галактических космических лучей совпало с корональным выбросом массы, двигающейся со скоростью 2,5 миллионов километров в час. Он был настолько энергичным, что это вызвало сжатие магнитного поля всей планеты.

Это, в свою очередь, вызвало геомагнитный шторм, который не только стал причиной драматических переливов северного сияния, но и нарушил работу радиосетей в течение некоторого времени.

Этот солнечный шторм классифицирован как G4 по шкале Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA). Это означает, что он был оценен как тяжелый. Весьма вероятно, что этот мощный шторм и вызвал появление «трещины».

Временной интервал трещины составлял 14 часов. 

Есть мнение, что подобные вещи могут быть также вызваны работой колладера. 

N.B. Я не выступаю ни за ни против этого мнения. Говорят даже о возможности создания черной дыры.  Правда мне кажется это маловероятным.

Watch "Scientists At CERN Just Announced A TERRIFYING New Discovery!"

(Смотрите "Ученый в Церне объявил об ужасном новом открытии):

https://youtu.be/zPgstPvDImE

***

А вот магнитные бури, вызванные повышенной активностью солца вполне возможны :)

Красный цвет - цвет азота. Это горит азот? (Точнее не горит, а светится при радиационной атаке)

Маркус Варик из Норвегии постоянно водит туристов смотреть полярное сияние. На днях он, как обычно вечером, повел группу на живописные скалы с хорошим обзором, народ выставил штативы и настроил смартфоны, и тут у всех перехватило дух: небо засияло мощным свечением, и оно было абсолютно красным.

5 ноября 2022 (Алексей Морозов)

***

N.B. Друзья прислали в догонку:

***

***