LHC – экстремальная на сегодня точка в этой исследовательской линии.

Самое холодное место во Вселенной

Но построить такой ускоритель, как LHC, совсем не просто. Когда в 1993 году американский проект SSC был закрыт, первоначальный энтузиазм в ЦЕРН быстро сменился тревогой. Руббиа снова оказался прав, но теперь мы уже не могли отступить: строительство LHC – футуристического сооружения, производящего пучки очень высокой интенсивности, с тысячами исключительно сложных магнитов, с системами управления и защиты, которые еще только предстояло изобрести, – надо было доводить до конца. При одной лишь мысли обо всем этом даже у самых отчаянных из экспертов тряслись поджилки и учащался пульс. Каждый из нас терзался сомнениями, по плечу ли нашему коллективу эта задача. А вдруг физики старшего поколения (среди которых, между прочим, есть несколько лауреатов Нобелевской премии) не ошибаются, когда говорят с улыбкой: “Такой аппарат никогда не будет работать”?

Опасения были более чем понятны. Для создания нового ускорителя требовалось совершить качественный скачок. Чтобы удерживать на нужных траекториях протоны с энергией 7 ТэВ, надо было испытать магниты, индукция магнитного поля которых достигает 9,7 Тл, что примерно в сто тысяч раз больше, чем индукция магнитного поля Земли[25]. Такое сильное магнитное поле никогда ранее не использовалось в ускорителях.

Разработанная Джорджо Брианти конструкция магнита – два пучка протонов одновременно проходят сквозь него в противоположных направлениях – элегантна и остроумна, но ее сложно реализовать: малейшая неточность может вызвать катастрофическую неустойчивость траекторий. Удерживать пучки протонов в узком тоннеле в течение 10–12 часов на таких высоких энергиях, чтобы каждый из них пролетал по всей длине тоннеля по 11 000 раз в секунду, – задача чрезвычайно сложная. Незначительное возмущение, любое изменение характеристик 1 232 магнитов, формирующих траектории, может дестабилизировать пучки и поставить под угрозу нормальное функционирование всего ускорителя.

Отдельную проблему представляют управление накопленной в пучках энергией и защита магнитов и оборудования. Энергия, накапливаемая каждым пучком протонов в LHC, сравнима с энергией скорого поезда, разогнанного до скорости 150 км/ч, а ведь она оказывается в каких‑то миллиметрах от чрезвычайно чувствительного оборудования. Такое соседство приведет в ужас любого специалиста по системам защиты. И есть еще энергия, накопленная в самих магнитах, – она тоже может нанести системам ускорителя непоправимый ущерб.

Добавим сюда и вот какое обстоятельство: протоны теряют мало энергии на синхротронное излучение. И хотя для циркулирующего в ускорителе пучка этот эффект неважен, он важен для тех систем, которые функционируют при очень низких температурах: поглощенная энергия синхротронного излучения разогревает их, и система охлаждения должна обеспечить надежный теплоотвод.

Наконец, есть просто радиация. На все, что находится в тоннеле, при прохождении пучка обрушиваются потоки частиц, и это является суровым испытанием для любой системы. Цепи питания и систем управления должны выживать в условиях, в которых обычная электроника через пару месяцев вообще перестает функционировать. То есть все должно быть спроектировано с использованием инновационных компонентов, которые нам самим и предстоит разработать; к тому же требуется создать еще и новые материалы, чтобы заменить ими те, которые стали бы деформироваться или разрушаться в местах с наиболее жесткими условиями.

Для решения столь амбициозных задач был выбран Лин Эванс, харизматичный, несколько грубоватый валлиец, сын шахтера из деревни с непроизносимым названием Квмбах, затерянной среди окружающих Кардифф холмов.

Спустя годы, в один из тех спокойных вечеров, что мы проводили с пинтой хорошего пива, Лин рассказал мне, что его интерес к физике зародился еще в детстве. Кроме того, ему до сих пор памятна радость от небольших взрывов, которые он устроил дома, изображая маленького химика. Его первой лабораторией стала домашняя кухня, а первым вознаграждением за эксперименты были увесистые шлепки, полученные сначала от матери, а потом и от вернувшегося вечером из шахты отца.

Лин крепок телом, и он прирожденный лидер. Он редко улыбается, и, общаясь с ним, все слегка трепещут. Он никогда не кривит душой и бывает довольно резок, но при этом ему известны все тайны ускорителей. Когда в 1994 году, после ухода Джорджо Брианти на пенсию, проект возглавил Лин, все признали, что лучшей кандидатуры было не сыскать. Если кто и мог справиться с поставленными задачами, то как раз он. И он действительно занимал эту должность целых четырнадцать лет, до тех пор, пока ускоритель не начал работать.

Личные качества Лина отражаются на всем ходе проекта, и это сразу заметно. Нереальные сроки, названные Руббиа, оказались именно тем, чем они и казались: блефом, рассчитанным на то, чтобы раздразнить американцев. Тем не менее проект был утвержден и профинансирован. Лин привлек к работе сотни инженеров и физиков со всего мира. Он обратился за помощью к Индии – и ЦЕРН получил высококлассных специалистов по тестированию массово производящихся магнитов. Он обратился к России – и лучшие специалисты из Новосибирска занялись изготовлением оборудования для линий передачи пучков из предварительного ускорителя поменьше в основное кольцо LHC. Для изготовления специальных магнитов, фокусирующих пучки в зонах столкновений, он попросил помощи у американских специалистов из Фермилаба и у японских специалистов из лаборатории KEK. Как бы велика ни была роль ЦЕРН, с самого начала было ясно, что в одиночку ему со стоящей перед ним задачей не справиться.

Лучшие физики и инженеры ЦЕРН сосредоточились на разработке критически важных систем – магнитов, оптики и систем управления и охлаждения.

Для охлаждения магнитов используется жидкий гелий при температуре –271,1 °C, что на 1,9 градуса выше абсолютного нуля и на один-два градуса ниже, чем в системе охлаждения магнитов Тэватрона. Таким образом, температура тут примерно на один градус ниже температуры космических глубин, и LHC в этой своей части становится самым холодным местом во Вселенной. Снижение температуры, даже незначительное, означает получение существенных преимуществ для работы магнитов. Чем больше индукция магнитного поля и чем выше плотность тока, тем ниже температура, которой надо достичь для поддержания стабильного состояния сверхпроводимости в обмотках магнитов.

Понятно, что работать приходилось на грани возможного. Неудача с “Изабель” послужила горьким уроком, надолго оставшимся в памяти исследователей. Лин понимал, что создание прототипа, соответствующего техническим требованиям, важно, но что это – всего лишь полдела. Организовать промышленное производство тысяч практически идентичных магнитов – задача совсем другого уровня. Мы говорим об игрушках длиной 16 м и массой 27 т. Собрать их вместе – отдельная сложнейшая проблема. Они должны стоять на горизонтальной плоскости с очень небольшим углом между соседями, создавая нужную кривизну траектории частиц по всему кольцу