В Японии пока ещё только ищут место, где построить новую научную мегаустановку, а в Беларуси уже изготовили для неё ключевую деталь
Почти полтора десятилетия лет прошло с тех пор, как весь мир с замиранием сердца следил за тем, как в швейцарском ЦЕРНе запускали Большой адронный коллайдер (БАК). Это была гениальная научная пиар-акция. Ещё за несколько лет до запуска в прессе стали всплывать сценарии того, как новая научная мегаустановка может уничтожить как минимум нашу планету вместе с человечеством, а как максимум – всю Вселенную. В ходу было несколько катастрофических гипотез – от пожирания планеты чёрной дырой, коя может зародиться в недрах БАКа, до создания более стабильного вакуума, в который «свалится» весь мир.
Катастрофические прогнозы не сбылись, но проект получил известность, не снившуюся другим ускорителям элементарных частиц.
Теперь принято решение о создании новой мегаустановки, масштабами существенно превосходящей БАК, – Международного линейного коллайдера (МЛК). Непосредственное участие в его создании примут и Россия, и Беларусь, причём именно Беларусь может стать производителем одной из основных деталей.
Собрать по осколкам
О существовании сложнейших ускорителей элементарных частиц мы знаем в первую очередь из старой песенки Аллы Пугачёвой, в которой первоклассник на труде занимается синхрофазотроном. Синхрофазотрон – один из видов ускорителей. Огромная установка, в её кольце электроны, протоны и прочая имеющая электрический заряд «элементарщина» разгоняются до субсветовых скоростей, т.е. до скоростей, лишь немногим уступающих свету.
Зачем это надо? А зачем вообще нужно что-то разгонять, если не для того, чтобы потом это разогнанное обо что-то шарахнуть.
Частицы, из которых состоит материя, только называются «элементарными». На самом деле они состоят из кварков: например, протоны и нейтроны состоят из трёх кварков, мезоны – из двух. Эти частицы участвуют в так называемом сильном взаимодействии, поэтому их называют адронами. БАК ускоряет протоны и ядра, которые состоят из протонов и нейтронов, поэтому его и называется адронным. Но есть заряженные частицы, которые участвуют не в сильном взаимодействии, а в так называемом слабом, их называют лептонами: это электрон, мюон и тау-лептон. Если мы хотим познать природу, то должны понять законы, по которым живут эти кирпичики мироздания. В свободном состоянии кварки и их взаимодействие увидеть невозможно, вот и приходится «ломать» частицы таким варварским образом. Разогнали, вдарили, разбили и осколочки быстро изучили.
Кроме того, именно так, разбивая старые элементы, мы получаем новые. Конечно, это может показаться нереальным: столкнувшиеся «Жигули» «Мерседесом» не станут, но в ускорителях такое бывает. Один из последних примеров: в 2009 году в ускорителе У-400 Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне физики «обстреляли» разогнанными ионами кальция-48 мишень, сделанную из берклия-249. В результате получилось несколько ядер нового 117-го элемента таблицы Менделеева, получившего временное название «унунсептий» («117-й» по латыни).
Годом раньше на том же ускорителе получили «унуноктий» («118-й»). Возможно, скоро по предложению дубнинцев его переименуют в «московий». Вполне заслуженно, поскольку именно ОИЯИ в последнее время – «кузница» новых элементов.
Но создание нового не отменяет поиск старого. Перед Большим адронным коллайдером была поставлена (кроме уничтожения человечества) задача обнаружить в осколках легендарную «частицу Бога» – в простонародье «бозон Хиггса».
Бозон Хиггса
«Стандартная модель», признанная сегодня большинством физиков, успешно описывает взаимодействия элементарных частиц и три из четырёх известных фундаментальных взаимодействий. Что она не могла до недавнего времени описать, так это гравитацию. Проще говоря, физики никак не могли понять, почему у каких-то частиц есть масса, а у каких-то, например у фотонов, – нет. Для того чтобы ответить на этот вопрос, британский учёный Питер Хиггс в середине 1960-х предположил существование специальной частицы – бозона, которая, входя в состав других частиц, придаёт им эту самую массу. Нет этого бозона – нет и массы. 4 июля 2012 года физики получили на БАКе частицу, по всем параметрам похожую на предсказанный бозон. Через полгода предположение о том, что полученное и есть тот самый искомый «бозон Хиггса», подтвердили другие учёные, а ещё через полгода Питер Хиггс за своё предсказание получил Нобелевскую премию.
Что не позволено БАКу
Но теперь, когда бозон найден, настало время познакомиться с ним поближе: «пощупать», разглядеть, изучить свойства. На это уже БАКа не хватает, нужна техника другого плана.
В обычных ускорителях частицы разгоняются и «бьют» в мишень. Коллайдеры устроены сложнее. В них сталкиваются два противоположно направленных пучка элементарных частиц. Собственно, слово «коллайдер» и переводится как «сталкиватель». Эффект от такого столкновения значительно выше. Сравните, что страшнее: когда машина на скорости 120 км/час врезается в стену или когда лоб в лоб встречаются две машины, ехавшие до того со скоростями пусть даже в 80 км/час? Минус установки в том, что при столкновении пучков они большей частью просто проходят друг сквозь друга, как проходят друг сквозь друга два луча от фонариков. Сталкивается и разбивается лишь ничтожная часть. Да и просто сфокусировать два сверхтонких пучка так, чтобы они встретились в одной точке, далеко не так просто.
БАК представляет собой кольцо длиной почти 27 км. Это приблизительно полтора московских Бульварных кольца. Мощность установки – много больше всего, что было ранее. Специалисты из более чем ста стран десять лет строили, 6 млрд долларов потратили. Всё работает как часы, по большому кругу летят в противоположные стороны разогнанные сверхмощными и сверхпроводящими магнитами протоны. Казалось бы, чего ещё этим учёным надо?
А вот надо. БАК можно сравнить с гоночной трассой, причём с кольцевой. Любой водитель знает: по кольцу особо не разгонишься. Даже на самом большом приходится подворачивать. И чем выше скорость, тем больше усилий для «подворота» придётся потратить, тем больше притормаживать, чтобы не вылететь с трассы. Частицы в трубе БАК летят со скоростями, близкими к скорости света. И чем она ближе, тем больше энергии частицы теряют на «поворот». Причём если скорость растет линейно, то затраты энергии – экспоненциально. Грубо говоря, чтобы увеличить скорость на 10%, энергию надо увеличить в десять раз. В какой-то момент это становится экономически нецелесообразно либо физически невозможно. Единственный выход – строить новый ускоритель.
В отличие от Большого адронного, Международный линейный коллайдер будет напоминать не кольцевую трассу, а два сходящихся разгонных участка, каждый – более 12 км. И не для гонок, а, скорее, для краш-теста. «Болиды» по ним будут лететь другие: самые лёгкие из возможных – электроны, и их античастицы, физические противоположности – позитроны. Если дело пойдёт удачно, «трассы» удлинят ещё на 8 км, доведя общую длину установки до 50 км. Тут уже можно будет подойти к заветной скорости света почти вплотную.
Электроны и позитроны устроены значительно проще, чем протоны. В БАКе при столкновении образуется грандиозное количество «мусора», который учёные тщательно перекапывают, выискивая заветные жемчужины. Фоновое загрязнение здесь так велико, что наблюдать за поведением образовавшихся осколков и новых частиц, свободно живущих буквально доли мгновения, невозможно. Засекли след – уже хорошо.
В МЛК «мусора» будет на порядки меньше, а значит, «жемчужины» окажутся на виду. И тут уже есть возможность для экспериментов куда сложнее. Учёные надеются, что на новом коллайдере можно будет не только понаблюдать за пойманным бозоном Хиггса, но и изучить его характеристики, разгадать тайну тёмной материи и тёмной энергии.
Что нам сто́ит
Изначально для строительства нового ускорителя предлагалось несколько мест. Одним из самых перспективных была уже упомянутая подмосковная Дубна. Но учёные остановились на Японии. Учитывая длину конструкции и сейсмичность региона, выбор достаточно спорный, но японцы утверждают, что всё просчитали и предусмотрели. Сейчас стоимость проекта оценивается в 7,8 млрд долларов, что на 2 млрд превышает стоимость БАКа. Опираясь на опыт Большого адронного, можно предположить, что за время строительства сумма удвоится, а то и утроится. Для сравнения: стоимость вертолетоносцев «Мистраль», поражавших наше воображение сложностью, технологичностью и дороговизной, составляет 600 млн долларов за штуку.
Одним из партнёров в программе МЛК выступает всё тот же дубненский ОИЯИ. Тут самое время напомнить: один из крупнейших мировых ядерных научных центров назвать российским будет не совсем верно. Это международная организация, в ней состоят 18 государств, в их числе – Беларусь.
В проекте она задействована самым активным образом. В конце 2014 года стало известно, что белорусские учёные из трёх крупнейших научных организаций республики, Национальной академии наук (НАНБ), Белорусского государственного университета (БГУ) и Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (БГУИР), изготовили одну из ключевых деталей МЛК – сверхпроводящий ниобиевый резонатор. Именно в них происходит передача энергии электромагнитного поля ускоряемым частицам. Всего для коллайдера потребуется около 20 000 таких резонаторов, и Беларусь теперь выступает как один из потенциальных производителей.
Координатор белорусского проекта, заместитель директора НЦ ФЧВЭ БГУ Михаил БАТУРИЦКИЙ рассказал нам:
– Ещё в 2007 году старейший сотрудник ОИЯИ Юлиан Будагов предложил организовать выпуск в Беларуси одного из ключевых элементов Международного линейного коллайдера – сверхпроводящих резонаторов. Считалось, что у нас остались большие запасы особо чистого ниобия. За три года я обошёл всё что можно, но ниобия не нашёл, покупали китайский. Зато нашёл исполнителей. В Научно-производственном центре по материаловедению НАНБ согласились проводить контрольные измерения в жидком гелии, при температуре не выше 4,2 Кельвина (-269 Цельсия. – Ред.), и для этого создали гелиевый криомодуль в азотной рубашке.
У особо чистого ниобия очень большие кристаллы, их даже в микроскоп видно. Как результат, штамповать его очень трудно. Попробуйте штамповать хрусталь, сразу всё поймёте. Согласился делать эту работу Физико-технический институт НАНБ, у них есть созданная ими самими установка для прессования гидравлическим ударом. Там же, в ФТИ, нам пообещали сварить полусферы, трубки дрейфа и фланцы резонатора электронно-лучевой сваркой. Эта установка очень дорогая, её модернизировали специально под наши условия.
Нам удалось собрать очень сильную команду. За всю историю ОИЯИ ни одна республика не собирала такую. Из 26 человек – пять докторов наук и десять кандидатов, больше половины группы. И это всё лучшие в Беларуси кадры.
Рабочий вариант резонатора профессор Будагов добыл в американском Фермилабе (Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми. – Ред.). Американцы нам его дали, хотя это объект двойного применения. Объединяющие силы братства физиков оказались сильнее отталкивающих сил политиков. Два года мы с ним учились работать, аппаратуру специальную покупали. Расчёты своего резонатора вели в БГУИР на кафедре антенн и СВЧ-устройств.
Одним из главных был вопрос обработки внутренней поверхности резонатора. Необходимая добротность – 10 в 10-й степени. Он не должен ничего поглощать, а рассеиваемая мощность – минимальная. Такое возможно при очень высоком качестве обработки внутренней поверхности. Резонатор должен работать при напряженности внутри не менее 34 млн вольт на метр. Любая зазубринка сразу даст разряд. Вначале мы хотели сделать сопряжение полусфер резонатора с трубкой дрейфа по окружности. Но оказалось, что это на 7–8% снижает пробивное напряжение. Сделали по эллипсу, стало лучше. Вот такая мелочёвка.
Работы производили за деньги, вкладываемые Беларусью в ОИЯИ, – это наш долевой взнос. Однако ОИЯИ в данном случае выгоднее получить его не деньгами, а резонаторами.
Провели испытания с первым резонатором и увидели, что он по настоящему работает в режиме сверхпроводимости. Достаточно было бы одного маленького прогара при сварке полусфер по экватору или в любом другом месте – и сверхпроводимости не было бы. Мы этого очень боялись, поэтому, прежде чем сварить ниобиевый резонатор, сварили точно такой же, но алюминиевый, на нём отработали оснастку, потом сварили медный, и только потом – ниобиевый. Как в сказке про огниво: медные монеты, потом серебряные, потом – золотые. Сварили, посчитали добротность, получилось 1,47 на 10 в 9-й. Такая в Беларуси достигнута впервые. И увидели в полученном резонаторе сверхпроводимость при температуре 4,2 Кельвина.
Потом сварили второй резонатор. У нас их должно быть три, но мы немного притормозили работу, чтобы каждый следующий варить после испытаний предыдущего.
Мы пока сделали первый шаг и можем говорить, что в состоянии делать резонаторы: мы увидели сверхпроводимость, научились варить, научились штамповать, набираем опыт в измерениях.
Сейчас японцы решают, где именно начать строительство: рядом с горой Сэфури на острове Кюсю или в окрестностях города Китаками на острове Хонсю. Готов и опубликован технический проект установки. В ОИЯИ работы с МЛК выделены в отдельную программу «Международный линейный коллайдер: ускорительная физика и техника», руководит ею член-корреспондент РАН Григорий Ширков. По расчётам, строительство завершится в конце 2020-х годов. Так что у нас ещё будет время рассказать, как именно новый коллайдер уничтожит человечество.
Валерий ЧУМАКОВ
Фото: wikipedia.org
Понравился материал? Подпишитесь на канал. 😊
Чтоб и дальше было так, не забудь поставить "лайк" 👍