Большой адронный коллайдер. Взгляд изнутри

Пишет aquatek-filips: Еще несколько лет назад я понятия не имел, что такое адронные коллайдеры, бозон Хиггса и для чего тысячи ученых всего мира трудятся в огромном физическом кампусе на границе Швейцарии и Франции, закапывая в землю миллиарды долларов.

Затем для меня, как и многих других жителей планеты, стали привычными выражение “Большой адронный коллайдер”, знание о сталкивающихся в нем на скорости света элементарных частицах и об одном из величайших открытий последнего времени – бозоне Хиггса.

И вот, в середине июня мне представилась возможность своими глазами увидеть то, о чем столько говорят и о чем бродит столько противоречивых слухов. И это была не просто короткая экскурсия, а полноценный день, проведенный в крупнейшей в мире лаборатории ядерной физики – Церне. Здесь нам удалось и пообщаться с самими учеными-физиками, и увидеть массу интересного в этом научном кампусе, спуститься в святая-святых – Большой адронный коллайдер (когда он запущен и в нем проводятся испытания, какой-либо доступ извне к нему невозможен).

Много лет назад эта картинка стала всемирно известной. Многие считают, что это и есть Большой адронный в разрезе. На самом деле, это разрез одного из самых больших детекторов – CMS. Его диаметр составляет около 15 метров. Это не самый большой детектор. Диаметр Atlas-а около 22 метров.


Чтобы примерно понимать, что это вообще такое и насколько коллайдер большой, посмотрим на спутниковую карту. Это предместье Женевы, совсем недалеко от Женевского озера. Именно здесь базируется огромный кампус ЦЕРНа, а под землей на различных глубинах располагается куча коллайдеров. Да-да. Он не один. Их десяток. Большой адронный просто венчает эту структуру, образно говоря, завершая цепочку коллайдеров, по которым разгоняются элементарные частицы. Диаметр кольца LHC составляет почти 27 километров и он залегает на глубине чуть более 100 метров. В LHC есть четыре детектора – Alice, Atlas, LHCb и CMS.


Помимо этих четырех детекторов, все остальное пространство под землей представляет из себя тоннель, в котором располагается беспрерывная кишка из вот таких синих сегментов. Это магниты. Гигантские магниты, в которых создается сумасшедшее магнитное поле, в котором и двигаются со скоростью света элементарные частицы.
Всего их 1734.


Внутри магнит представляет из себя вот такую сложную структуру. Здесь масса всего, но самое основное – это две полые трубки, в которых летают протонные пучки.
В четырех местах (в тех самых детекторах) эти трубки пересекаются и протонные пучки сталкиваются. В тех местах, где они сталкиваются, протоны разлетаются на различные частицы, что и фиксируют детекторы. Это если вкратце говорить о том, что это за ерунда и как она работает.


Итак, 14 июня, утро, ЦЕРН. Мы приезжаем к малозаметному заборчику с воротами и небольшим зданием на территории. Это вход в один из четырех детекторов Большого адронного коллайдера – CMS.
Знаете, что интересно? Это пропускной режим в Коллайдере и в ЦЕРНе вообще. Да, все по магнитной карте, но… сотрудник по своему пропуску имеет доступ на 95% территории и объектов. И только туда, где повышенный уровень радиационной опасности, нужен специальный доступ – это внутрь самого коллайдера. А так – без проблем сотрудники передвигаются по территории.


Так выглядит территория CMS. Никаких тебе понтов во внешней отделке и супер-тачек на парковке. А ведь могут себе позволить. Просто незачем.


ЦЕРН, как ведущий мировой научный центр в области физики, использует несколько различных направлений в части пиара. Один из них – так называемое “Tree”. В его рамках приглашаются школьные учителя по физике из разных стран и городов. Им здесь все показывают и рассказывают. Затем учителя возвращаются в свои школы и рассказывают об увиденном ученикам. Какое-то количество учеников, вдохновившись рассказом, начинают с большим интересом заниматься физикой, затем идут в ВУЗы на физические специальности и в будущем, возможно, даже попадут сюда работать.
Но пока дети еще учатся в школе, у них тоже есть возможность побывать в ЦЕРНе и, конечно же, спуститься в Большой адронный коллайдер.
Несколько раз в месяц здесь проводятся специальные “дни открытых дверей” для одаренных детей из разных стран, влюбленных в физику. Их отбирают те самые учителя, которые были в основе этого дерева.
Так совпало, что в день, когда мы приехали увидеть Большой адронный коллайдер, сюда приехала одна из таких групп из Украины. Вместе с ними мы спустились на 100-метровую глубину, в самое сердце Коллайдера.


Слава с нашими бейджами-пропусками. Обязательные элементы работающих здесь физиков – шлем с фонарем и ботинки с металлической пластиной на носке (чтобы при падении груза уберечь пальцы ног).


Одаренные дети, увлеченные физикой. Через несколько минут сбудется их мечта – они спустятся в Большой адронный коллайдер.


Рабочие отдыхают перед очередной сменой под землей.


Контрольно-управляющий центр CMS. Сюда стекаются первичные данные от основных датчиков, характеризующих функционирование системы. Во время работы коллайдера здесь круглосуточно работает команда из 8 человек.


Нужно сказать, что в настоящий момент Большой адронный остановлен на два года для выполнения программы ремонта и модернизации коллайдера. Дело в том, что 4 года назад на нем произошла авария, после которой коллайдер так и не работал на полную мощность. После модернизации, которая закончится в 2014 году, он должен работать на еще большей мощности. Если бы коллайдер сейчас работал, побывать в нем нам бы точно не удалось.


На специальном техническом лифте мы спускаемся на глубину более 100 метров, где расположен коллайдер.
Лифт является единственным средством спасения персонала в случае чрезвычайной ситуации, т.к. лестниц здесь нет. То есть это самое безопасное место в CMS.
По инструкции, в случае тревоги, весь персонал должен немедленно направляться к лифту. Здесь создается избыточной давление, чтобы в случае задымления дым не попал внутрь и люди не получили отравление.


На глубине. Здесь все пронизано коммуникациями.


Бесконечные километры проводов и кабелей для передачи данных.


Здесь огромное количество труб. Так называемая криогеника. Дело в том, что внутри магнитов для охлаждения используется гелий. Также необходимо охлаждение других систем, а также гидравлика.


В залах обработки данных, расположенных в детекторе, находится огромное число серверов. Они объединены в так называемые триггеры невероятной производительности.
Например, первый триггер за 3 миллисекунды из 40 000 000 событий должен отобрать около 400 и передать их на второй триггер – высшего уровня.


Оптоволоконное безумие. Компьютерные залы расположены выше детектора, т.к. здесь совсем небольшое магнитное поле, не препятствующие работе электроники. В самом детекторе сбор данных осуществлять бы не удалось.


Глобальный триггер. Он состоит из 200 компьютеров.


В конце 2012 года в Большом адронном коллайдере в результате эксперимента таки был открыт бозон Хиггса, и это событие широко отмечалось работниками ЦЕРНа. Бутылки от шампанского после празднования не выбросили специально, считая, что это только начало великих дел.


На подходе к самому детектору везде таблички, предупреждающие о радиационной опасности.


У всех сотрудников коллайдера есть персональные дозиметры, которые они обязаны поднести к считывающему устройству и зафиксировать свое нахождение.
Дозиметр накапливает уровень радиации и в случае приближения к граничной дозе, информирует сотрудника, а также он-лайн передает данные на пост управления, предупреждая о том, что около коллайдера находится человек, который в опасности.


Перед самым детектором система доступа высшего уровня.
Войти можно, приложим персональную карту, дозиметр и пройдя сканирование сетчатки глаза.


И вот он – детектор. Небольшое жало внутри – это что-то похожее на патрон для дрели, в котором расположены те огромные магниты, которые сейчас казались бы совсем маленькими. В настоящий момент магниты отсутствуют, т.к. проходит модернизация.


В рабочем состоянии детектор соединен и выглядит единым целым. Вес детектора – 15 тысяч тонн. Здесь создается невероятное по силе магнитное поле.


Сравните размеры детектора с людьми и техникой, работающими внизу.


Во время работы Большой адронный потребляет в час 180 мегаватт электроэнергии.


Полтора часа под землей пролетает, как пять минут… Поднявшись обратно на бренную землю, невольно задумываешься… как это можно сделать. И зачем они это делают…