Самый необычный проект
Главу фирмы Muons, Inc. Рола Джонсона я видел пару раз на семинарах в Фермилабе. Это был сухощавый крепкий старик, немногословный, но хорошо разбирающийся в существе дела, которому отдал более сорока лет, работая в Фермилабе. Разговаривать с ним было легко. Он провёл несколько лет в России, говорил, что в его памяти осталось немало русских слов, но, главным образом, из матершинного словаря. Рол отослал меня к финансовому директору Ричарду Саху, который оказался толстым китайцем. Раньше он работал в Министерстве энергетики, там у него осталось немало связей, что было крайне важно для маленькой компании, живущей на правительственные гранты. Если разговор с президентом фирмы имел своей целью оценить личностные качества будущего потенциального сотрудника, то разговор с финдиректором получился гораздо более обстоятельным. Он подробнейшим образом расспросил меня, чем я занимался, в каких проектах участвовал, а затем попросил прислать по электронной почте оттиски каких-либо моих статей, чтобы оценить уровень моего письменного английского.
– Понимаешь, – говорил он, – мне не раз приходилось принимать на работу китайцев. Даже если они оказывались неплохими специалистами, с написанием статей всегда была большая проблема, если он не родился в Америке или не учился в американской школе. Дело в том, что в китайском языке так много иероглифов, что там нет и не может быть синонимов. Каждому предмету или действию соответствует один и только один иероглиф. Поэтому китаец переполняется ужасом и входит в ступор, когда в английском словаре средних размеров для слова “get”он находит одиннадцать только основных значений и ещё более двадцати значений, когда это слово сочетается с некоторыми другими словами. Решить проблему выбора из такого огромного перечня он не способен в принципе, а ведь та же ситуация, если не хуже, со всеми глаголами, которые могут иметь как основные значения, так и при использовании их в качестве вспомогательных глаголов. А потом эти исключения. В китайской грамматике нет исключений из правил, которые нужно было бы запоминать отдельно.
Я прислал ему пару статей, и он остался весьма доволен как моим английским, так и научным уровнем статей. Мне пришлось ждать более месяца, поскольку объём финансирования компании полностью определялся поступлениями от вновь утверждаемых грантов. Всё это время я не оставлял вниманием Фермилабу, ходил на наиболее интересные семинары и обязательно на wine & cheese party по пятницам, чтобы пообщаться с коллегами. Когда же меня оформили, я остался сидеть в том же офисе, поскольку и все остальные сотрудники компании сидели на том же тринадцатом этаже, только с другой стороны по параллельному коридору. Их было сравнительно немного.
Моим менеджером был Том Робертс, который окончил университет по ядерной физике, но много лет работал программистом в известной компании Белл, а в Мюонз Инк он пришёл после выхода на пенсию. В нашей компании Том был ведущим программистом. Когда-то в ЦЕРНе был создан самый обширный в мире банк данных для сечений взаимодействия частиц и излучения с веществом GEANT4, но для удобного использования этих бесценных данных в физике ускорителей Том написал удобный интерфейс G4beamline c трехмерной графикой, который работал под Виндами, в Юниксе и на компьютерах Макинтош, где своя операционная система MacOS. Развивать и сопровождать такой общирное хозяйство – задача сама по себе непростая, а Том ещё и задачки считал, поскольку по основной специальности был физиком.
Главным специалистом по дизайну ускорителей был Чак Анкенбрандт, весьма почтенного возраста и благородной внешности аристократа. Роб Абрамс считался специалистом по детекторам, Мэри-Энн Каммингс – довольно молодая дама, тоже что-то посчитывала, но чаще работала секретаршей, вела бумажную работу и устраивала семинары. Чем занимался Стив Кан я так толком не узнал, а были ещё два японца – Кэри Йошикава и Кацуя Йонехара. Кэри, мне кажется, был экспериментатором и работал с Абрамсом, а с Йонехарой мне пришлось познакомиться поближе. Вот, пожалуй и все штатные сотрудники фирмы, в которую я влился. Были ещё совместители, коллабораторы, временные контракторы, аспиратны и студенты, как везде.
Чтобы понять, чем мне пришлось заниматься, нужно дать краткую справку о нашем проекте. Ускорители харяженных частиц бывают двух видов: линейные и кольцевые. Кольцевые удобны тем, что можно долго накапливать сгустки частиц, которые делают много оборотов в кольцах, перед тем, как их сталкивать. При этом достигается высокая светимость – одна из главных характеристик ускорителя, которая означает число частиц, приходящихся на единицу площади в единицу времени. Вторая основная характеристика – это максимальная энергия ускоряемых частиц. Беда в том, что с ростом энергии увеличивается частота обращения частиц в кольцах, но при этом возрастают потери на синхротронное излучение, которые зависят от частоты вращения в четвёртой степени. Это излучение обратно пропорционально массе частиц, поэтому кольцевые ускорители на высокие энергии строят искличительно для тяжелых частиц (адронов) типа протонов и антипротонов. В линейных ускорителях нет синхротронного излучения, поэтому в них можно ускорять лёгкие частицы (лептоны) – электроны и позитроны, но здесь нет накопления частиц, они пролетают один раз через ускоритель до столкновения, поэтому показатель светимости таких ускорителей значительно ниже, чем у кольцевых, а это значит, что нужно много дольше работать, чтобы набрать статистику для открытия новой частицы.
На самом деле, нужно строить и те и другие ускорители. Одним из недостатков ускорителей на тяжёлых частицах является то, что они не являются элементарными, поскольку состоят из кварков. Столкновения неэлементарных частиц на любых энергиях порождают такое огромное изобилие самых разных процессов взаимодействия исходных и новых частиц, что для обнаружения той единственной, которая нам нужна, необходимо было на Тэватроне копить информацию о столкновениях почти год, чтобы потом после компьютерной обработки отделить полезный сигнал от шумов с достаточно высокой вероятностью. В отличие от этого, ускорители на лёгких частицах считают прецизионными, поскольку исходные частицы истинно элементарные, и уровень шумов здесь на много порядков ниже, чем в ускорителях на тяжёлых частицах.
Если теперь спуститься от физики высоких энергий на грешную землю, следует вспомнить ещё об одной важнейшей характеристики ускорителя – его стоимости. На этот счёт есть фундаментальный закон, который говорит, что стоимость ускорителя пропорциональна кубу его максимального размера, то есть длины линейного ускорителя или диаметра кольцевого. Длина же ускорителя зависит от темпа ускорения – энергии частиц, набираемой при пролётё расстояния в один метр. Например, если темп ускорения равен пятьдесят Мэв/м, то расстоянии один километр набирается энергия в пятьдесят Гэв, а для достижения энергии в один тераэлектронвольт (Тэв) нужно строить ускоритель длиной, как минимум, двадцать километров. Темп ускорения принципиально ограничен тем, что при напряженностях полей выше ста Мв/м поле начинает отрывать электроны у атомов стенок ускорителя, здесь начинается область пробоев, которые, подобно молниям, разрушают ускоряющие структуры.
Ускоритель ILC на энергии порядка Тэв имел оценочную стоимость в пятнадцать миллиардов долларов. Все понимали, что при его постройке начёт действовать закон Мэрфи, который гласит, что оценочная стоимость реально должна умножаться на число «пи». В связи с огромными расходами США на войну в Афганистане, таких денег у американского правительства не было, почему проект и закрыли. В этой ситуации проект мюонного ускорителя, который ранее рассматривался почти как несбыточные фантазии, начинает выходить на передовые позиции. Здесь много плюсов. Во-первых, мю мезоны – истинно элементарные частицы, поэтому мюонный коллайдер является прецизионным, не нужно месяцами копить события для обработки. Во-вторых, масса мюонов промежуточная между лёгкими частицами и тяжёлыми, интенсивность синхротронного излучения для энергий в один Тэв терпимая, поэтому сгустки мюонов можно накапливать в кольцах, и ускоритель должен давать высокую светимость. Третий плюс в том, что диаметр главного кольца мюонного коллайдера будет не двадцать километров, а всего четыре, это означает, что его стоимость должна быть меньше, чем у фермилабовского линейного коллайдера ILC или ЦЕРНовского кольцевого адронного коллайдера HLC примерно в двадцать пять раз. Такие деньги, в принципе, американское правительство может и наскрести по сусекам. Главный минус здесь в том, что такие ускорители никто не строил, поэтому многие детали технологии придётся изобретать в процессе работы, и предстоящие сложности работы оценить трудно.
Поток мюонов получают бросая протонный пучок на мишень, где рождаются каоны, которые затем распадаются, порождая мюоны и нейтрино. При этом угловой разброс рождённых мюонов получается достаточно широким, поэтому одной из сложнейших задач сохранения потока мюонов является его «охлаждение».
Главным теоретиком в этом вопросе у компании был Ярослав Дербенёв, работавший когда-то в новосибирском ИЯФе, а ныне сотрудник лаборатории Томаса Джефферсона, расположенной в Ньюпорте в Вирджинии. Много лет тому назад ещё в России он разработал теорию фокусирующих геликоидальных магнитных полей, названную «сибирской змейкой», теперь эту теорию положили в основу многокаскадной схемы «охлаждения» мюонного пучка.
Первыми двумя каскадами охлаждения до меня занимался Йонехара. Он получил довольно убедительные результаты расчетов, проделанных с помощью программы Тома Робертса. У Йонехары было два сорта критиков. Первые были из группы Николая Мохова, который считался крупным спецом в области взаимодействий частиц и излучения с веществом и разработал программу моделирования MARS. Его сотрудник Сергей Стриганов заявил, что сечения взаимодействия мюонов с водородом в области низких энергий в базе данных GEANT4 дают значения с большой ошибкой. После того, как эти сечения были в программе G4beamline заменены на модели группы Мохова, предмет для критики исчез.
Более серьёзная критика общей концепции охлаждения поступала со стороны Валерия Балбекова, который ранее работал в ИФВЭ, в Протвино, и имел немалый опыт в физике ускорителей. Но это был физик старой школы, и приехал он с какой-то своей допотопной программой, написанной на Фортране, задолго до Виндов. Впрочем, отыт физика всегда перевесит любую суперсовременную программу. Так вот, Валерий Иванович нашёл несколько опечаток и неточностей в докладах Йонехары, вцепился в них и сделал общий вывод, что таким расчётам не стоит доверять, хотя, на мой взгляд, в его критике существенным был совсем другой момент. Он заметил, что частоты резонаторов первого каскада охдаждения таковы, что резонаторы просто геометрически не поместятся внутри колец магнитной системы. Это означало, что молодой Йонехара, витая в облаках теории и гипнотизирующих формул, просмотрел, что из-за чисто технологических ограничений, поэтому всем этим формулам грош цена. Но главное, он прикинул «на пальцах» и сделал вывод, что область устойчивости геликоидальных траекторий слишком узка, поэтому охлаждай – не охлаждай, а частицы всё равно будут потеряны.
Вот это как раз глубоко задело честолюбие потомка самураев, и молодой Кацуя Йонехара проделал блестящий и безукоризненный анализ устойчивости, где показал, что запас устойчивости не оставляет ни малейших сомнений в теории, развитой Дербенёвым. Теперь это глубоко уязвило старика Балбекова, которому показалось, что «сопливый пацан» щёлкнул его по носу на глазах у всей почтенной публики. Вот тут и подошёл ко мне Рол и предложил повторить расчёты Йонехары в качестве тренировки и подготовки к более серьёзной работе по расчётам третьего каскада с параметрическим резонансом, которыми Кацуя не занимался.
Какое-то время я с помощью Тома изучал его программу, а потом попросил у Кацуя исходное задание, которое он использовал в своих расчётах. Тут я увидел в его глазах настороженность. Эта моя просьба могла быть интерпретирована им по-разному. Может быть, начальство не совсем ему доверяет, а может у него появляется опасный конкурент. В любом случае, ничего хорошего для себя он в такой ситуации не видел, потому ответил мне, что входное задание для программы он поищет в своих архивах и вышлет мне, но всё это так элементарно, что физику достаточно почитать работы Дербенева, чтобы самому составить такое же задание. Я из вежливости подождал неделю и снова сделал ему запрос: «Уважаемый Кацуя! Статьи Дербенёва – это такая чистая теория, что до входного задания расстояние получается, как пешком до Китая. Взять хотя бы, что у таких теоретиков заряд, масса электрона и скорость света положены равными единице, поэтому в формулах в качестве размерных коэффициентов просто отсутствуют, поэтому путь от этих формул до положения центров всех двухсот двадцати пяти колец и токов в них потребует месяца напряженной работы, который ты уже затратил, а начальству расчёты нужны сегодня, в крайнем случае, завтра». Он снова ответил, что поищет, а через два дня ко мне подходит Рол и спрашивает, как дела? Я отвечаю, что Кацуя обещал мне дать образец входного задания ещё неделю назад, но пока не прислал.
– Ты должен проявить настойчивость, – ответил с иронией Рол, – ведь Кацуя сидит в соседнем коридоре.
Мы пошли вместе в оффис Кацуи, и Рол спросил:
– Кацуя, почему ты до сих пор не дал Валентину задание, которое он спрашивает у тебя уже вторую неделю.
Наш юный самурай испуганно зашелестел клавишами, просматривая каталоги, потом вскинул голову:
– Всё. Уже послал. Извини,Валентин, я сильно занят был другой работой.
– Вот видишь, как нужно действовать, – поучал меня Рол. – Это работа, поэтому не стесняйся быть настойчивым.
Я же из этой истории сделал вывод, что когда спрашиваешь что-либо у своего коллеги, для контроля, копию запроса нужно всегда посылать начальнику. В этом, кстати, заключается политика отношений сотрудников во всех американских организациях, как государственных, так и частных. И только русские вечно страдают от комплекса Павлика Морозова. Впрочем, когда я проделал расчёты и доложил их на очередном семинаре, отношение Кацуи ко мне сменилось на очень доброжелательное, поскольку я подтвердил правильность его теории и расчётов. Теперь ситуация начала меняться: Кацуя стал всё больше переходить к экспериментам по измерению зависимости частоты пробоев от давления газа в резонаторах и концентрации примесей, подавляющих пробои, а расчётная часть работы легла полностью на меня.
Когда у меня появились первые результаты, меня командировали к лабораторию Джефферсона для установления более близких рабочих контактов. Дербенёву было уже под семьдесят, он был ещё крепок, но носил очки с очень сильной оптикой. У него были проблемы с отслоением сетчатки, что-то там приваривали лазером, но процесс ухудшения зрения медленно и неуклонно прогрессировал. Читать он мог без проблем, но под ногами уже ничего не видел. Меня попросили сделать доклад в лаборатории о каких-либо своих прежних работах. Я взял готовую презентацию и рассказал об использовании функции Грина для проектирования электронных пушек клистронов. Интерес был огромный, я выслушал около сотни вопросов, и мой доклад был немедленно помещён на сайт лаборатории.
Помощником у Дербенёва был молодой мужчина, Андрей Афанасьев, который был профессором физики в Old Dominion University, где читал курс физики для студентов, главным образом, мексиканских католиков. Андрей использовал пакет Matematika для проведения аналитических расчетов, С помощью этого пакета он нашёл равновесные траектории для разных конфигураций геликоидальных полей. Проводить расчёты динамики ансамблей из многих тысяч частиц с помощью такого покета было невозможно из-за огромного времени счета, эта часть работы возлагалась на меня. К сожалению, Андрей запрограммировал безразмерные уравнения из статей Дербенёва, поэтому прямо взять его результаты и использовать их в пакете G4beamline было невозможно, так же, как и безрезультатными оказались все мои просьбы к Андрею, чтобы он сделал вывод своих данных в какой-либо привычной системе физических единиц. Пришлось мне освоить и пакет Matematika, после чего я смог наладить перенос результатов в пакет Тома Робертса. Когда я получил первые ценные результаты по динамике геликоидальных пучков, они произвели на коллег из Мюонз Инк, Фермилабы и Джефферсоновской лаборатории большое впечатление и начали гулять по всяким международным конференциям, но тут наметилось совершенно новое для меня направление.
По четвергам у нашей компании проводились еженедельные семинары, к которым в режиме телеконференции подключались сотрудники других, сторонних организаций. На одном их таких семинаров, после обсуждения наших текущих результатов, начался околонаучный трёп. Какой-то профессор Фриш из Чикагского университета вдруг обращается к Ролу, спрашивая, нет ли у него в компании сотрудников, которые имели бы какой-нибудь опыт проектирования микроканальных усилителей. Я попивал свой кофе с молоком, не особо обращая внимание на этот трёп, как вдруг взгляд Рола обращается на меня и он спрашивает:
– Валентин, а что ты думаешь на этот счёт?
От неожиданности я даже поперхнулся, а потом нехотя признался:
– Вообще-то я занимался подобными вопросами, только это было лет лвадцать тому назад, когда я жил в России. Я даже написал свою программу, которую использовал потом для расчёта усилителей яркости изображений, получаемых в приборах ночного видения.
– Хорошо, – восклицает этот неведомый Фриш, – если я дам вам размеры микроканальной пластины, параметры каналов, приложенное напряжение, сможете Вы предсказать среднюю величину коэффициента усиления и ей зависимость при варьировании всех входных данных?
– Могу, конечно, но тут есть два «но». Во-первых, программа эта сейчас находится в Калифорнии, да и то в виде текстов на Фортране, поскольку она была написана для машины БЭСМ-6, когда ни о каких персональных компьютерах никто не слыхал. Её придётся набивать вручную, потом отлаживать, это займёт время. Второе «но» заключается в том, что для этой программы потребуются данные об эмиссионных свойствах материалов, которыми покрываются стенки каналов. Свойства эти зависят, в том числе, и от толщины покрытий, поэтому их не найти ни в каких справочниках. Здесь либо используются экспериментальные зависимости эмиссионных свойств от энергии и угла налетающих частиц, а также угловые и энергетические распределения рождающихся в каналах вторичных частиц, либо эти данные нужно получить из статистического моделирования столкновительных процессов методами Монте-Карло.
Не знаю, о чём потом договорился Рол с этим профессором, только Генри Фриш уже на следующий день сидел в моём офисе. Оказывается, он иногда дежурит в ночные смены на детекторах Тэватрона. Поэтому зашёл ко мне после дежурства. Из портфеля он вынул пластиковую коробочку небольших размеров. В ней оказался микроканальный усилитель фирмы «Burle Photonics», бывшего филиала фирмы «Филипс», базирующегося в Пенсильвании. В этом усилителе используется микроканальная пластина диаметром два дюйма, а весь усилитель вместе с электроникой стоит около пяти тысяч долларов. Идея, которую мне втолковал Генри Фриш, состоит в том, чтобы разработать универсальный модуль размеров два на два фута, который легко интегрировался бы в супермодули площадью в несколько квадратных метров. Тогда при массовом производстве такие усилители могли бы стоить на два порядка дешевле на единицу площади, чем все известные коммерческие усилители, которые ныне производятся в мире. Области применений обширны: медицинская диагностика, астрофизика, детекторы ускорителей и многие другие сферы, где нужно усиливать сверхслабые сигналы.
Этот толстяк с добрыми глазами обладал даром убеждения. Я извлёк из своей ещё не опубликованной книги главу, посвящённую микроканальным усилителям, и показал ему. Когда Генри увидел, какая высокая теория уже разработана для этих усилителей и какие практические результаты получены мною совместно с моими бывшими московскими заказчиками, глаза его загорелись от возбуждения. Он немедленно попросил у меня разрешения поместить этот материал на сайт чикагского университета. Мне же Генри рассказал, что добился финансирования в шесть миллионов долларов на три года для создания прототипа универсального модуля для микроканальных усилителей, и он очень заинтересован в том, чтобы я принял активное участие в этом проекте. Он уже договорился с Ролом, что будет оплачивать сорок процентов моей ставки фирме Мюонз Инк. В проект он привлекает четыре национальные лаборатории, четыре американских университета и полтора десятка частных фирма, которые производят компоненты для таких усилителей. Сам проект будет базироваться на оборудовании Аргоннской лаборатории, которая расположена в получасе езды от Фермилабы.
Когда я поместил свой материал по микроканальным усилителям на сайт, сам Рол прислал мне сообщение, в котором сказал, что гордится тем, что такой специалист работает в его компании. Итак, я начал работу в новом грандиозном проекте, в который было вовлечено число специалистов, в несколько раз превышающее численность нашей компании. В частности, там участвовали СЛАК и национальная лаборатория Лоренц-Беркли. Теперь, помимо еженедельных семинаров нашей компании по четвергам, я участвовал в семинарах проекта фотодетекторов по вторникам, иногда в режиме телеконференции, а в ответственных случаях приезжал прямо в Аргонн, куда мне оформили постоянный пропуск.
В Аргонне я познакомился с казахом Зинетуллой Инсеповым, который получил образование в Москве, защитил докторскую по молекулярной динамике. Широкоскулый толстяк великолепно знал литературу по свойствам материалов, и я пригласил его в проект фотодетекторов. Вдвоём мы и организовали вычислительную группу, обеспечивающую весь проект вычислительной поддержкой. Работа в проекте Фриша имела для меня совершенно иной смысл, нежели всё остальное, чем я занимался в Америке. В Мюонз Инк я всегда впрягался в общую тележку, которую и до меня везли какие-то люди, поэтому я должен был делать то, что велит текущий начальник, а в России я всегда выбирал сам, чем мне заниматься, и выбор этот основывался на том, что мне интересно. Пожалуй, только в самом начале у Квока я работал так же, потому что там до меня динамику частиц никто не смог сделать, и в этом смысле я был незаменим в той работе. В проекте Фриша было то же самое: никто лучше меня не разбирался, что нужно моделировать и как это делать. Я сам формировал физическую модель явлений, разрабатывал алгоритм, должен написать, отладить программу и провести все расчёты. Зинетулла лишь снабжал меня данными о материалах. В этом проекте я играл такую же роль, как Том Робертс в компании Мюонз Инк – роль ведущего сотрудника. Только в таких случаях и рождается настоящее вдохновение научной мысли. Конечно, и вся ответственность за результаты и успех или провал работы тоже ложится на тебя.