• Ученые ПИЯФ и мировая наука

Человечество с колыбели волновали вопросы - кто мы, что вокруг нас, почему…, зачем…, откуда… Множество понятий возникло еще в древнем мире - вселенная, вещество, атом… В те времена наука была единой, и называлась она философией. Основными средствами познания были созерцание и логические обобщения. Всего несколько веков назад ученые пришли к выводу о том, что опыт является критерием истины, что логические построения нужно проверять экспериментом. Известен лозунг: теория без практики мертва, а практика без теории слепа. По существу, все направления науки в той или иной мере сочетают теоретические и экспериментальные методы исследований. Изучение фундаментальных свойств материи сегодня является главной целью ядерной физики и физики элементарных частиц.

Художественное изображение столкновения двух протонов в БАК.

 Первая элементарная частица – электрон – была обнаружена более 100 лет назад. Бурное развитие экспериментальной техники и глубокий анализ опытных данных теоретиками привели к открытию сотен микрочастиц: даже дети знают об электронах, протонах и нейтронах. Ведь все, что мы видим вокруг нас, да и мы сами состоим из этих частичек. Кстати, упомянутая экспериментальная техника давно уже вокруг нас: про лазеры пишут в рекламе, атомные реакторы производят тепло и электричество, а протонная терапия только на ускорителе ПИЯФ излечила от тяжелых недугов сотни пациентов.

 Конечно, сотни фундаментальных частиц – это уж слишком. И около 40 лет назад физики построили элегантную теорию, объясняющую все проделанные на сегодня опыты. К сожалению, удовлетворения нет: хотя частиц основных в теории (которую называют «Стандартная Модель») немного, но хочется знать, почему именно столько; самая легкая частица - электрон – в 400 000 раз легче самой тяжелой, откуда такое число? И расширили теорию, и стало еще красивее…, но появились новые очень тяжелые частицы, которые пока никто не видит в экспериментах. Более того, они как бы не из нашего мира, и их не просто обнаружить.

 А тем временем другая область естествознания – космическая физика (космология), наблюдая за далекими звездными системами (свет от них к нам доходит за 12 000 000 000 лет!), обнаружила много странностей. Например, то, что мы называем материей, составляет только малую часть массы всей наблюдаемой вселенной. Движение галактик в основном определяет темная масса, которую мы не видим. Может быть, это есть то, что предсказывает одна из теорий элементарных частиц? Космология предполагает, что наш мир возник 12 миллиардов лет назад при взрыве тяжелой и плотной «проматерии», и очень быстро – за 1 секунду! – при активном участии элементарных частиц, составляющих тёмную массу, образовались микрочастицы, известные нам сегодня.

 Значит, нам просто нужно создать условия, которые существовали в первую секунду после создания Мира, и тогда мы обнаружим эту темную материю. Конечно, даже взрыв водородной бомбы не обеспечит нужных условий: состояние материи при этом будет похожим на то, что было через 300000 лет после сотворения Мира. Однако физики еще в первой половине прошлого столетия научились производить микровзрывы с большей плотностью энергии. Для этого нужно разогнать электрическим полем, например, протон и столкнуть его с другим протоном. Самые мощные ускорители заряженных частиц сооружали великие державы – Советский Союз и США, соревнуясь между собой. Например, в Гатчине, в ПИЯФ, в 1967 году был запущен самый мощный в мире синхроциклотрон, в Протвино, под Москвой до сих пор исправно трудится протонный синхротрон, в свое время также самый мощный на Земле.

Вид территории Большого Адронного Коллайдера. В верхней части снимка виден аэропорт г Женева, Женевское озеро, Альпы и гора Мон-Блан.

В 60-е годы объединенная Европа образовала Европейский Центр Ядерных Исследований – ЦЕРН – в Женеве (Швейцария), и постепенно он вышел на передовые позиции в этом соревновании. Сначала сошел с дистанции СССР (и Россия), а затем и США: только совместными усилиями всех стран можно построить ускорительный комплекс, нужный современной науке, физике высоких энергий. В 1995 году Совет полномочных представителей стран-участниц ЦЕРНа принял решение построить такой ускоритель - Большой Адронный Коллайдер (БАК). Участие в проекте принимают более 40 стран мира. Существенный вклад внесли Россия и США (не входящие в ЦЕРН).

Сотрудничество СССР и ЦЕРНа началось естественным образом во второй половине 60-х годов. Сначала европейцы участвовали в экспериментах на наших ускорителях, а позже советские ученые использовали установки ЦЕРНа.

Конечно, совместные работы определяются взаимными интересами. Высокий научный уровень российских учены ин советские ученые использовали установки ЦЕРНа. творении Мира. менной наукех хорошо известен, а их нестандартный подход к решению проблем при создании экспериментальных установок вызывает уважение. Российским специалистам тоже есть чему поучиться у зарубежных коллег. Однако, никогда ещё сотрудничество не было таким масштабным.

 Ускоритель находится в подземном тоннеле на глубине от 50 до 180 метров и располагается на территории двух государств – Швейцарии и Франции. При строительстве такого комплекса большое внимание уделено экологии и безопасности населения. (Рис Фотография с самолета территории ускорительного комплекса)

В тоннеле, длиной более 28 километров, протоны летят  навстречу друг другу, ускоренные эффективным электрическим полем в 7000 миллиардов вольт. При столкновении двух таких протонов и создадутся условия, близкие к тем, которые были при сотворении Мира. Каждую секунду будет происходить более 100 миллионов таких столкновений, и каждое нужно рассмотреть и проверить, нет ли там необычных тяжелых частиц, а среди них и тех, которые могут составлять темную массу нашей Вселенной.

(Рис Художественное изображение столкновения протонов в БАК)

 Эксперименты будут выполняться на четырех установках, расположенных в шахтах, в местах столкновений протонов – ATLAS, CMS, LHCb и ALICE(здесь будут изучаться столкновения ядер). ПИЯФ (Гатчина) принимает участие во всех этих экспериментах.

Схемы экспериментальных установок БАК. На первом рисунке для масштаба показаны фигуры человека.

 (Рис Схемы экспериментальных установок коллайдера).  В каждой из этих установок сконцентрирован весь опыт, накопленный физиками-экспериментаторами за последние 50 лет.  Размеры установок потрясают воображение. ATLAS, например, представляет собой куб с гранью 20 метров (как 7-этажный дом), наполненный хитроумными приборами для регистрации частиц.

  Одним из основных элементов установки ATLAS является так называемый детектор переходного излучения (ТРТ), который не только регистрирует следы заряженных частиц, но и содержит информацию о том, что частица тяжелее, чем электрон. Ученые ПИЯФ уже в 80-е годы создали самый большой в мире подобный прибор, с 10 000 каналов регистрации. Но для эксперимента на БАК нужен детектор с 300 000 элементов: ведь каждую секунду будет происходить более 100 миллионов столкновений, в каждом из которых будут участвовать около 100 частиц. Российскими учеными было предложено решение: взять в качестве элемента тонкостенную трубку, похожую на солому, внутрь поместить проволочку, приложить напряжение и зарегистрировать вызванную прошедшей частицей ионизацию газа в трубке. При кажущейся простоте идеи, потребовалось несколько лет исследований с привлечением лучших российских специалистов, в том числе из оборонной промышленности, чтобы прибор приобрел необходимые характеристики. Трубки поместили в жесткую структуру как спицы в колесе. Обода колес должны быть легкими, прочными и не должны бояться радиации. Как корпуса межконтинентальных ракет. В 90-е годы началось массовое  разоружение, и соответствующие российские предприятия с удовольствием согласились произвести такие структуры. Конечно, сооружение такого детектора потребовало колоссального количества ручного труда, что приемлемо только в России, где до сих пор труд ценится заметно меньше, чем на Западе. Самый большой вклад в эту работу был сделан в ПИЯФ.

 В течение нескольких лет специалисты ПИЯФ изобретали технологическое оборудование и отрабатывали процедуры контроля. Требования к точности, надежности и безопасности были необычно жесткими: прибор, практически недоступный для обслуживания и ремонта, будет работать более 10 лет под землей, в условиях интенсивного облучения. На нескольких участках работали 30 физиков, инженеров и высококвалифицированных техников и лаборантов. Процесс сборки занял более 3-х лет. 12 колес, содержащих более  150 000 трубок, были доставлены в ЦЕРН для последних испытаний, интеграции с другими частями установки и монтажа в шахте, на глубине 80 метров. Несколько меньше элементов было собрано в Объединенном Институте Ядерных Исследований (Дубна, Московская область). Центральная часть ТРТ (40 000 трубок) была изготовлена в США с участием 5 крупнейших университетов.

 ПИЯФ внес также значительный вклад в создание других экспериментальных установок. В институте фактически была создана уникальная фабрика (крупнейшая в мире) по производству так называемых дрейфовых камер. Между электродами-катодами натягивается тонкая проволока-анод, находящаяся под высоким напряжением.

Частица, пересекающая плоскость камеры, ионизирует газ. Электроны быстро дрейфуют к проволоке, и появляется электрический сигнал,  как на аноде, так и на катодах камеры. В принципе все просто, да сделать нелегко. Все должно быть изготовлено и собрано с высокой точностью – не хуже 10 микрометров. Исключительно высокие требования предъявляются к радиационной стойкости. Известен пример, когда  камеры проработали только несколько часов и погибли от химических процессов, вызванных излучением. Поэтому требуются особый отбор материалов, выбор безопасного газа, чистые помещения для сборки детектора. Теперь это называют высокими технологиями. Если еще учесть, что общая площадь камер составляет несколько тысяч квадратных метров, то задача покажется невыполнимой. Но более 600 камер, содержащих более 1000 000 проволок, уже доставлены в ЦЕРН и интегрируются в установки  CMS, LHCb и ALICE.

 В каждую 25-миллиардную долю секунды в детекторе будет происходить столкновение протонов, и нужно решить, представляет ли оно интерес. Конечно, за такое короткое время принять сложное решение невозможно. Еще во второй половине прошлого века было предложено решение: разбить процесс на простые операции, каждое из которых выполняется  за короткое время, и промежуточное решение передается следующему устройству, а предыдущее устройство принимается за новое событие, и так далее. Окончательное решение появится с задержкой в несколько шагов, но ни одно событие не будет пропущено. Похоже на конвейер: автомобиль с конвейера выходит каждую минуту, но это не есть время его изготовления. На таком принципе и было создано в ПИЯФ сложнейшее решающее устройство  для эксперимента CMS. 

 Для анализа информации, получаемой каждой установкой, потребуется проделать огромный объем вычислений. Современные технологии уже обеспечили практически неограниченный доступ к информации: половина населения планеты пользуется всемирной «паутиной» -Интернетом-, и получает информацию, не задумываясь о том, где эта информация хранится (кстати, эта технология была изобретена в ЦЕРНе!). ПИЯФ активно участвует в новом проекте, цель которого обеспечить подобный доступ к вычислительным ресурсам (проект GRID). ПИЯФ является одним из узлов этой сети.

Подготовка к экспериментам на БАК заняла около 10 лет. В работе принимали участие более 200 специалистов под руководством ведущих сотрудников института, кандидатов  и докторов наук: Алхазова Д, Бочина Б, Воробьева Ал., Головцова В., Жалова М., Иванова Ю., Козлова В., Рябова Ю., Самсонова В., Селиверстова Д., Федина О., Ханзадеева А., Щегельского В. 

 В 2007 году планируется запуск Большого Адронного Коллайдера. Длительный период создания установок заканчивается. «Время собирать камни». Физики ПИЯФ готовятся к сюрпризам. Ведь еще никогда мы не оглядывались так далеко назад, в мгновения создания Вселенной.