Это гигантское устройство сможет объяснить тайну происхождения Вселенной. Если, конечно, европейские инженеры сумеют его правильно собрать
Знакомьтесь: Large Hadron Collider, он же Большой адронный коллайдер. Этот гигантский ускоритель частиц, сооружение которого вошло в‑финальную стадию, расположится в‑27-километровом закольцованном тоннеле у французско-швейцарской границы. По длине тоннеля будет установлено 1700 сверхпроводящих магнитов, каждый весом по 37 тонн, — они должны разогнать два пучка протонов в противоположных направлениях почти до скорости света. Протоны будут сталкиваться в четырех детекторах частиц, крупнейший из которых разместится в подземной пещере размером с собор Парижской Богоматери. При столкновении должна выделяться энергия, в миллионы раз превышающая ту, что образуется при термоядерном синтезе. А возникающие при этом облака частиц, как надеются ученые, помогут открыть тайну происхождения Вселенной и объяснить саму природу материи.
Современная физика очень сложна. Не менее сложна задача, которая стоит перед группой инженеров из проекта Европейского центра ядерных исследований (CERN, Женева), сооружающих крупнейший в мире синхрофазотрон. Получившийся объект, разработка и сооружение которого потребовали более десяти лет и $8 млрд, станет самой большой машиной в мире. Инженерам и строителям предстоит справиться с логистической проблемой, решать которую не доводилось до сих пор никому: им нужно собрать из миллиона компонентов циклопическую подземную лабораторию, запустить ее и при этом смонтировать все так, чтобы система работала как швейцарские часы. Немаловажная деталь: некоторые части системы должны будут работать при температуре чуть выше абсолютного нуля. Один раз сложнейшая криогенная техника уже ломалась, что задержало работы на шесть месяцев.
«Задача грандиозная», — признается один из инженеров португалец Педро Мартель. Он работает в CERN с 1995 года и возглавляет группу, пишущую программу, которая следит почти за каждым участком суперускорителя и планирует каждый шаг сборки. «Мы предвидим болезни роста, ведь подобного сооружения еще никогда не было».
CERN был основан в 1954 году, в нем участвуют 20 европейских стран. Об этом центре знает любой физик, но широкую известность он получил 15 лет назад, когда работавший здесь британский исследователь Тим Дж. Бернерс-Ли придумал World Wide Web — современный интернет. Сейчас команды сотрудников CERN усиленно готовятся к запуску ускорителя — он запланирован на лето 2007-го. (Россия, которая создала в 1950-х в пику CERN свой Международный проект в Дубне, имеет в европейской организации статус наблюдателя, так же как и США с Японией).
Тем временем в просторном ангаре у подножия швейцарских гор рабочие из Франции, Польши и еще 12 стран сооружают детектор весом 13‑000 тонн — Компактный мюонный соленоид, взбираются на леса, искрят сварочными аппаратами. Детектор собирается из 13 частей, самая крупная из них весит 2000 тонн. Кран опускает каждую часть в 90-метровую шахту с величайшей осторожностью, так что каждый спуск занимает сутки. У некоторых компонентов остается зазор лишь в 20 см. Когда все части будут спущены, их соберут вместе.
В восьми километрах отсюда другая команда собирает более крупный детектор высотой с пятиэтажный дом. В нем восемь тороидальных магнитов, каждый — 24 на 5 м. По другую сторону границы, во Франции, ученые испытывают сотни 15-метровых сверхпроводящих магнитных блоков, которые содержат компоненты столь мелкие, что для них критичны каждые несколько миллионных долей метра; 250 таких магнитов уже установлены в подземном тоннеле, по которому рабочие ездят на велосипедах и электрокарах, как в фильме о Джеймсе Бонде.
Тоннель строили еще для прежнего, менее мощного ускорителя частиц (проект был закрыт в 2000 году). Старая машина использовала не такие большие агрегаты, и рабочим хватало места для обслуживания системы. Более крупные магниты нового ускорителя и сопровождающие их криогенные системы полностью перекрывают тоннель и затрудняют доступ персонала. И если раньше неисправный магнит можно было легко извлечь, теперь, чтобы устранить дефект, потребуется снять десятки других магнитов, которые перекрывают путь к ближайшей точке доступа с поверхности земли.
Когда магниты будут установлены и пучки протонов начнут носиться по кольцу, физики всего мира получат возможность изучить данные о столкновениях. Каждую секунду 3000 пучков, каждый с 10 трлн протонов, будут совершать 11‑000 оборотов. Большинство протонов будут двигаться «вхолостую» — при оптимальных условиях каждую секунду в детекторе может происходить «только» 800 млн столкновений. Из них лишь малая часть даст ценную информацию — возможно, одно из десяти триллионов. Компьютерная сеть с распределенными вычислительными ресурсами, состоящая из тысяч небольших серверов, должна обрабатывать петабайты (квадрильоны байт) данных, чтобы обнаружить поддающиеся интерпретации столкновения. «Это все равно что искать крупицу золота на пляже», — комментирует Лучио Росси, итальянский физик, который контролирует сборку и установку магнитов.
Но ученые стараются не зря. Измеряя скопления частиц, образующиеся в результате столкновений протонов, физики надеются увидеть, в каком состоянии находилась Вселенная после Большого взрыва, и понять, в частности, почему вещество обладает массой. Ключом к этой проблеме может стать обнаружение частицы, названной бозоном Хиггса. На других синхрофазотронах обнаружить эту неуловимую частицу не удалось — лучшие западные ускорители примерно на порядок слабее проекта Atlas. А самый мощный российский синхрофазотрон, находящийся в Институте физики высоких энергий (Протвино, Московская область), имеет мощность в 200 раз меньшую. Впрочем, в 1980-е годы там же, в Протвино, начали строить действительно гигантский ускоритель — длина подземного кольца должна была составить 21‑км. Тоннель под него выкопали, но стройку так и не завершили.
Суперускоритель, который сооружают сейчас в горах Швейцарии, не может работать каждый день 24 часа в сутки. Инженеры запланировали три дня простоя в месяц для обслуживания оборудования. Но это в лучшем случае — если случатся неполадки, вынужденное бездействие может продлиться шесть недель: три недели на то, чтобы магниты нагрелись, и еще три — на охлаждение до рабочей температуры 1,9 Кельвина (–271,25°C). Такое выключение нежелательно, ведь тогда получится, что физики используют ускоритель лишь 140 дней в году (система потребляет столько электроэнергии, сколько нужно небольшому городу, поэтому CERN будет работать только летом, когда цены на электричество вдвое ниже, чем зимой). Как считает Мартель, «четыре остановки в год — и от физики ничего не останется».
Чтобы свести к минимуму возможность неполадок, группа Мартеля разработала программу, которая будет следить фактически за каждым узлом оборудования в ускорителе: от проводов и разъемов на сверхпроводящих магнитах до обшивки криогенной системы. В общей сложности оборудование поставляют 2000 подрядчиков из 80 стран. Если какая-то деталь будет забракована, инженеры смогут найти все точки, где она была установлена. Программу разработала американская компания Datastream, и внедрить ее в европейский проект было не так-то просто. Когда в 2000 году Мартель предложил программу, он столкнулся с сопротивлением специалистов по криогенным установкам и магнитам, которые сами контролировали свои данные и не собирались ни с кем делиться. «Вы не поверите, какая была трудная схватка», — говорит Мартель. После года препирательств в 2001 году руководство CERN все же одобрило его предложение.
Другой сложной задачей было адаптировать программу под нужды проекта. Мартель и еще два инженера сперва подогнали ее под свои задачи и добавили возможность соединения с базой данных Oracle и программой управления документооборотом. Потом они сделали так, чтобы информацию можно было вводить, используя лишь веб-браузер. Эта программа также помогает физикам правильно расположить магниты: среди них нет двух одинаковых, каждый обладает незначительными нерегулярностями магнитного поля. Чтобы оптимизировать производительность, надо найти магниты, нерегулярности которых гасят друг друга, и поместить их рядом. «Это как большой пазл», — объясняет Мартель.
Однажды программа Мартеля уже позволила решить проблему, которая могла обернуться крахом всего проекта. В декабре 2004 года инженеры обнаружили изъян в детали подвижного стола криогенной системы. Программа определила все точки, где установлена или должна была быть установлена дефектная деталь, и сборка была остановлена на то время, пока стол заново проектировался и изготавливались новые комплектующие. Представители CERN говорят, что им удалось наверстать время, что было потеряно из-за задержки, и они рассчитывают запустить ускоритель, как и планировалось, в следующем году. И тогда им останется всего ничего — узнать, как возникла Вселенная.