Что такое магнитный коллайдер
Большой Адронный Коллайдер своими глазами
Большинство, конечно, знают о существовании Большого Адронного Коллайдера и видели его фотографии, но вот вероятность посмотреть на него своими глазами для обыкновенного человека, я думаю, меньше, чем вероятность появления бозона Хиггса на этом самом коллайдере. Поэтому, когда летом на элементах.ру появилась маленькая заметка о том, что CERN (Центр Европейских Ядерных Исследований) в конце сентября проводит день открытых дверей, у меня не было сомнений — надо ехать.
Особенностью всего этого является то, что CERN — это не музей, а работающие лаборатории и то, что они показывают является реальными научными установками.
Оказалось, однако, что свободно можно посещать только те места, которые находятся на поверхности земли, а коллайдер, как всем известно, находится глубоко под землей. Для посетителей CERN выбрал несколько точек в коллайдере на которые можно было взять именной билет (бесплатно) на специальном сайте и количество этих билетов было строго ограничено. Причем одному человеку разрешалось взять только один билет. Не буду вдаваться в подробности, как я мониторил их сайт на предмет появления билетов — как я потом понял билеты появлялись в случайные промежутки времени (что вобщем-то справедливо, поскольку давало шанс всем желающим получить билет). В конце концов мне досталось посещение CMS — Compact Muon Solenoid — одного из двух детекторов, на котором был открыт бозон Хиггса (второй детектор — Атлас).
Compact Muon Solenoid — это такой самый большой в мире соленоид, в котором создается магнитное поле и исследуются распады заряженных частиц, в основном мюонов. Мое путешествие к данному детектору началось с поезки на автобусе к точке 5 — где этот самый прибор находится. Надо сказать, что длина окружности коллайдера составляет 27 километров на территории Франции и Швейцарии и перемещаться между различными точками представляет непростую транспортную задачу. К счастью, организаторы пустили бесплатные автобусы между всеми интересными местами и я приехал туда на таком автобусе. Само здание на поверхности представляет собой довольно большое сооружение с воротами.
На этой фотографии видно, что находится внутри здания.
Надо сказать, что посетители должны регистрироваться по своему билету и получить бэдж. Перед самыми воротами людей делят на группы по 15 человек и выделяют по одному гиду из числа местных сотрудников. Нашей группе достался молодой американский аспирант, работающий на коллайдере. У всех отбирают сумки и выдают каски. Это я, готов к погружению спуску.
Перед спуском под землю наш аспирант рассказывает о том, что такое CMS и для чего он нужен. Народ внимательно слушает рассказ про мюоны и магнитное поле.
Далее аспирант говорит, что детектор построен группой стран, кажная из которых внесла определенное количество денег. Кроме России. Россия оказалась самой хитрой умной и получила свое место за сцинтилляционные кристаллы, которые раньше использовались в какой-то военной программе, а потом их хотели выбросить, но не выбросили, а отдали в CERN. После рассказа, заставившего меня гордиться своей Родиной, наш гид провел короткий инструктаж по технике безопасности, который заключался в том, что все будет хорошо, и если даже мы застрянем в лифте то нас быстро вытащат.
Наконец мы идем к лифту:
И набиваемся в него как сельди в бочке.
После непродолжительного спуска, при котором у всех заложило уши, мы оказываемся на глубине около 100 метров. Двери лифта открываются и мы оказываемся в half-life:
Мы идем по длинному подземному коридору:
Коридор резко заканчивается и мы оказываемся в огромном зале высотой с пятиэтажный дом и огромным цилиндром посередине. Невозможно описать словами это зрелище. Пожалуй, даже фотографии не передают грандиозности сооружения!
Тысячи проводов опутывают цилиндр. Как сказал наш гид, в этом детекторе миллионы измерительных каналов, а энергии, запасенной магнитным полем достаточно, чтобы расплавить десять тонн золота.
Грандиозность сооружения вызывает уважение и восторг за возможности человеческого гения.
Наш гид что-то объясняет зачарованным гостям.
А там у нас есть та-а-акой прибор.
Видно, что здесь несколько этажей.
Интересно, как местные инженеры разбираются со всеми этими проводами?
Постепенно продвигаемся вдоль детектора.
Видны детали крупным планом.
Наконец детектор заканчивается и мы поднимаемся по лестнице вверх.
Автопортрет на фоне детектора.
Опять попадаем в коридор.
Здесь находится телепорт в другое измерение хитрый шлюз. Для того, чтобы пройти через него, надо посмотреть в такую штуку, которая находится на уровне головы.
Но сегодня она не работает.
а стене висят различные знаки. Особенно впечатляет знак, висящий под красной лампой.
Мы попадаем в вычислительный центр. Конечно, это небольшой вычислительный центр, который используется для предварительной обработки и хранения информации.
Видны стойки с оборудованием.
Далее находится шахта, по которой доставляется оборудование.
Напоследок, наш гид рассказывает про историю создания этого детектора.
Все идут к лифту и едут наверх.
Как известно, все это создается с целью познания природы и попыткой описать с помощью как можно меньшего числа уравнений. И вот к чему это привело на сегодняшний день: все наши текущие знания записаны в виде лагранжиана стандартной модели на этом камне. Надо добавить только гравитацию?
Если данная тема вызовет интерес я могу также рассказать про центр управления коллайдером и главный вычислительный центр.
Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
Магнитная система LHC
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.
Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту (см. полный список магнитов для LHC).
Поворотные магниты
Поворотные магниты — это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.
Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными — длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее — именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.
Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла — в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.
К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.
Фокусирующие магниты
Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.
Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).
Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» — фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы — он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.
Магниты специального назначения
В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты — кикеры (англ. «kickers») и септумы (англ. «septa», мн. ч. от «septum»). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.
Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.
Как тренируют магниты
Срыв сверхпроводимости
В экспериментах на адронных коллайдерах физики стремятся достичь как можно большей энергии протонов. Чем больше энергия, тем более тяжелые частицы можно открыть, тем более тонкие эффекты Новой физики станут доступны для наблюдения и тем более вероятными становятся редкие процессы. Для ускорительной техники разогнать частицы до сверхбольших энергий — не проблема. Главная трудность — удержать такие частицы на орбите внутри ускорительного кольца. Отвечают за это дипольные магниты (рис. 1), которые с помощью сильного магнитного поля отклоняют пролетающий сгусток частиц на небольшой угол. Много таких магнитов, выставленных вдоль траектории, и удерживают частицы на орбите.
Рис. 1. Дипольные магниты — критически важные компоненты Большого адронного коллайдера и вместе с тем одни из самых сложных в изготовлении и обслуживании. Для поднятия энергии протонов почти до проектного значения потребовалась длительная кампания по тренировке магнитов. Изображение с сайта web.cern.ch
В Большом адронном коллайдере вдоль всего 27-километрового ускорительного кольца стоят 1232 дипольных магнита. Они были изготовлены с таким расчетом, чтобы при охлаждении до температуры 1,9 K держать ток 12 килоампер, создавая тем самым магнитное поле индукции 8,3 тесла, что отвечает протонам с энергией 7 ТэВ. Магниты эти — сверхпроводящие, поэтому ток в обмотках циркулирует не затухая, и никаких потерь энергии при этом не происходит. Однако 12 кА — это лишь расчетное значение тока. Когда магниты прибывают на место и включаются в работу, то выясняется, что они столь сильный ток держать не могут — в них происходит срыв сверхпроводимости (в английской терминологии — quench). В каком-то месте обмотки металл переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением и под действием сильного тока резко нагревается. Вся запасенная в магните энергия — а это 7 МДж — готова тут же, за долю секунды, выделиться в виде тепла. Если бы не специальная предохраняющая система, которая в экстренной ситуации принимает на себя весь «энергетический удар», электромагнит попросту разрушился бы.
Благодаря защитной системе срыв сверхпроводимости не является критическим событием, но, тем не менее, он неприятен по двум причинам. Во-первых, он не позволяет техникам поднять до расчетного значения силу тока, а значит, и энергию протонов. Именно поэтому во время первого трехлетнего сеанса работы LHC энергия протонов составляла лишь половину проектной — 4 ТэВ против расчетных 7 ТэВ. Оказалось, что некоторые магниты просто не были готовы к тому, чтобы держать в себе 12 кА.
Возможно, энергию протонов можно было бы поднять еще чуть-чуть, но тут возникает вторая проблема. Магнит слишком долго «приходит в себя» после каждого события срыва сверхпроводимости. На рис. 2 наглядно показано, как восстанавливается цепочка магнитов после срыва. Во время тестов в секторе 67 при токе почти 11 кА произошел срыв сразу в нескольких магнитах. Полное энерговыделение в этом событии составило 23,5 МДж (достаточно, чтобы моментально испарить несколько килограммов меди). Благодаря защитной системе температура в магнитах подскочила только на пару десятков градусов, механические напряжения — до десятков атмосфер. Магниты затем вновь были охлаждены и наполнены сверхтекучим гелием, но занял этот процесс 10 часов!
Рис. 2. Типичный цикл восстановления магнита после потери сверхпроводимости. Вверху: красным выделены магниты, в которых произошел срыв; указан также их ток и полное энерговыделение. Внизу: графики температуры магнитов (в кельвинах) и механического давления (в атмосферах) в зависимости от времени. Изображение с сайта indico.cern.ch
Становится понятно, что даже если срывы сверхпроводимости не являются фатальными, очень желательно минимизировать их количество. Ведь каждый срыв во время работы коллайдера приводит к экстренному сбросу пучка, охлаждению магнитов, за которым последует новый цикл подготовки и ускорения пучка, и только потом возобновятся столкновения. В результате будут потеряны примерно сутки рабочего времени. Так что, если срывы начнут случаться раз в неделю или чаще, это существенно сократит рабочее время ускорителя. Значит, для эффективной работы требуется, чтобы магниты работали не на пределе, а могли держать чуть больший ток, чем требуется для работы, и тогда в нормальной ситуации они вообще не должны срываться.
Тренировка магнитов
Тот факт, что сверхпроводящий магнит, изготовленный с расчетом на определенный ток, в реальности его не держит, — это нормальная ситуация. Зато после изготовления эти магниты можно натренировать так, чтобы они держали ток вплоть до расчетного.
Дело в том, что при изготовлении магнитов всегда возникают микроскопические неоднородности материала или чуть-чуть смещаются провода при намотке. Эти отклонения от идеала приводят к тому, что магнитное поле внутри не однородно, а где-то чуть больше, где-то чуть меньше. К тому же при повышении тока в магните возникают сильные механические напряжения, которые слегка деформируют материал, и эта энергия деформации может локально выбрасываться в форме небольшого тепловыделения. В результате в отдельных местах магнитное поле может превысить критическое даже тогда, когда ток в магните еще далек от расчетного. В этот момент и наступает срыв сверхпроводимости.
Тренировка магнита — это аккуратное прохождение нескольких циклов повышения тока вплоть до срыва сверхпроводимости. Опыт показывает, что после каждого срыва магнит слегка «исправляется» и на следующем цикле он может держать чуть больший ток, чем до этого. Микроскопический механизм этого процесса исследован не до конца, но, в общих словах, во время каждого цикла материал внутри магнита чуть смещается, зоны напряжения рассасываются, что и оптимизирует магнитное поле. Типичный пример эволюции магнитов показан на рис. 3 на примере сектора 6–7. За 20 циклов нагрузки и срыва максимальный ток поднялся примерно на 10% и достиг цели 11 кА, отвечающей пучкам 6,5 ТэВ.