Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) нередко называют самой большой и самой дорогой в истории человечества экспериментальной установкой. Общая стоимость проекта оценивается сейчас в $10 млрд. Однако это не единственная столь дорогостоящая установка. Во Франции строится ненамного более дешевый международный токамак ITER, в Дубне скоро начнется сооружение

Международного линейного коллайдера (ILC), который обойдется правительствам стран-участниц в $6–8 млрд, а в подмосковном Протвине

уже 20 лет простаивает вырытый под последний советский ускоритель 22-километровый тоннель. Есть и американский пример подобной расточительности — в 1993 году был остановлен один из самых дорогих проектов, суперколлайдер (SSC), на который к тому моменту уже было потрачено более $2 млрд. Неужели же, едва только эксперимент завершен (так или иначе, успешно или так и не успев начаться), о потраченных на его проведение средствах можно забыть? Уникальное экспериментальное оборудование отправится в лом? А между тем истории известны случаи весьма эффективного вторичного использования старых установок.

 

 

Для того, чтобы установить в вырытом под Большой электрон-позитронный коллайдер LEP тоннеле новые детекторы, тоннель пришлось в некоторых местах значительно перестроить. Фото: Patrice Loiez/© CERN

Полет ядра в магнитном поле

Экспериментальное исследование атомной структуры материи, оказавшееся столь важным для науки и для человеческой цивилизации двадцатого столетия, началось с работ великого английского физика Эрнеста Резерфорда (Ernest Rutherford, 1871–1937). Одно из своих первых открытий в атомной физике — существование трех компонент у радиоактивного излучения (альфа-, бета- и гамма-) — Резерфорд сделал в «канадский» период своей научной биографии, будучи профессором Макгильского университета (McGill University). В начале 1902 года, помещая радиоактивные образцы в различные поля, он заметил расщепление единого излучения на три явно по-разному взаимодействующие с полями компоненты. Две из них, — альфа и гамма — как следовало из экспериментов, никак не отклонялись магнитным полем. С гамма-излучением было более или менее ясно — это электромагнитные волны. Но альфа-лучи представляли определенную загадку: основываясь на наблюдении, можно было заключить, либо что альфа-частицы не имеют заряда, либо что их масса очень велика. Интуиция не подвела Резерфорда: в статье, опубликованной в июле 1902 года, он вполне уверенно заявляет, что альфа-частицы, несомненно, заряжены, но магнит в его лаборатории слишком слаб, а потому обусловленное магнитным полем искривление траектории альфа-частиц было незначительным и выходило за пределы возможностей измерительных приборов.

Осенью того же года Резерфорд познакомился с молодым профессором Оуэнсом (R.?B. Owens), возглавлявшим электротехническую лабораторию Макгильского университета, и попросил его о содействии в организации эксперимента. Тот отдал соответствующие распоряжения и сотрудники лаборатории демонтировали самую большую в университете динамо-машину мощностью в 30 кВт — с тем, чтобы Резерфорд мог использовать её постоянный магнит. Поле магнита оказалось уже достаточно сильным, и альфа-частицы действительно начали двигаться по искривленным траекториям — Резерфорд смог в своей следующей статье написать: «…Благодаря доброте профессора Оуэнса … я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи». Эта история навсегда вписала имя профессора электротехники Оуэнса в историю атомной физики. Магнит же вернулся на свое законное место в динамо-машине.

Импульсный генератора переменного тока был запатентован Петром Леонидовичем Капицей в 1927 году, когда он работал в лаборатории Резерфорда

Спустя два с лишним десятилетия, уже в Кембридже, Резерфорд вновь столкнулся с проблемой мощных магнитов. Его молодой сотрудник Петр Капица (1894–1984) нуждался для своих экспериментов в сильных магнитных полях. Электромагниты, которые ему были нужны, не у кого было одолжить, их просто не существовало. Авторитет Резерфорда в Англии был к тому времени исключительно высок, ему удалось получить необходимое финансирование, и магниты изготовили специально для Петра Капицы. Размер (а также и стоимость) магнитов были существенно больше привычных для коллег Капицы параметров экспериментальных установок. Как уже позже заметил по этому поводу академик Исаак Халатников, «Капица был, по-видимому, первым физиком, который изменил масштаб эксперимента».

Прецедент суперколлайдера

Последующая история атомной физики стала наглядной демонстрацией тех возможностей, которые скрывали в себе эксперименты Эрнеста Резерфорда. Перед учеными были открыты поистине безграничные источники финансирования. Гигантские и необычайно дорогие экспериментальные установки стали обычным инструментом в физике элементарных частиц и в первую очередь это касалось ускорителей. Неудивительно поэтому, что принятое в 1993 году американскими конгрессменами решение прекратить строительство протонного суперколлайдера проектной мощностью в 40 ТэВ стало для физического сообщества настоящим шоком.

Вскоре после этого пальма первенства в исследовании элементарных частиц оказалась в Европе. Действительно, постановление начать строительство Большого адронного коллайдера было принято ЦЕРНом осенью 1994 году, спустя всего-навсего год после упомянутого выше решения американского конгресса. Немаловажную роль при этом сыграло то обстоятельство, что в ходе строительстве LHC можно было задействовать уже имевшуюся инфраструктуру — 27-километровый тоннель, в котором на тот момент уже размещался менее мощный ускоритель ЦЕРНа — Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP).

На суперколлайдер, сооружение которого было остановлено конгрессом США, было потрачено около двух миллиардов долларов. Зная, как тщательно американцы обычно считают деньги, было бы странным, если все они осталась «закопанными в земле». И действительно, некоторые фрагменты коллайдера были выставлены на продажу; одну из покупок (на сумму в $4,6 млн) сделала маленькая компания «International Isotopes Inc.».

Через несколько месяцев после оформления сделки группа экспертов компании «International Isotopes» посетила помещение, в котором были складированы части коллайдера, чтобы изучить покупку. В отношении каждой детали приходилось принимать непростое решение: можно ли использовать её для целей компании или целесообразнее вести речь о её повторной продаже? Напомним, что суперколлайдер проектировался как система устройств, ускоряющих протоны до высоких энергий. «International Isotopes» приобрела первое звено этой системы, так называемый линейный ускоритель — по-английски linear accelerator, или, сокращенно, linac. Linac представлял собой стометровую металлическую трубу, состоящую из четырех секций, (в каждой из которых частицы ускоряются под действием электрического поля), системы поддержания вакуума, и системы электромагнитов для формирования траекторий протонов. «International Isotopes» предполагала использовать приобретенные части ускорителя для организации производства радиоизотопов, необходимых при диагностике раковых опухолей и выявлении повреждений сердечных и легочных тканей. Примером такого радиоизотопа является изотоп йод-123.

Экспериментальное вторсырье

Покупка линейного ускорителя была лишь первым шагом на пути реализации планов компании. Для организации коммерчески успешного производства радиоизотопов необходимо было и найти подходящий участок земли, и построить здание… А ещё, разумеется, сформировать квалифицированную команду специалистов.

При всем том приобретенное оборудование нуждалось в перенастройке. Первоначально предполагалось, что производительность ускорителя составит всего лишь 10 импульсов в секунду, и что он будет работать всего лишь один час в сутки. Столь щадящий режим работы необходим был для поддержания высокого качества пучка частиц на выходе из ускорителя. Прошло тринадцать лет, linac принадлежит уже другой компании — «Trace Life Sciences» — и эксплуатируется 24 часа в день, обеспечивая непрерывную генерацию протонных пучков. Протоны используются для получения искусственных радиоизотопов.

 

Технический сотрудник устраняет неполадку в детекторе «BaBar» на эксперименте PEP-II. Фото: SLAC National Accelerator Laboratory

Пример суперколлайдера не исключительный. В стадии завершения (или близкой к ней) находятся в настоящее время сразу несколько масштабных физических проектов, и для их руководителей тема «второй жизни» экспериментальных установок становится весьма актуальной. В июне 2008 года прекратил работу ускоритель HERA в немецком Гамбурге. Вслед за осуществленным в апреле 2008 года секвестром американского бюджета был остановлен коллайдер PEP-II в Стэнфордской ускорительной лаборатории (SLAC National Accelerator Laboratory). Их судьбу разделит, судя по всему, и находящийся тут же детектор мезонов «BaBar».

Что касается PEP-II, то им заинтересовались итальянские физики; покупкой отдельных частей коллайдера они рассчитывают вывести из стадии проектирования национальный проект создания электронно-позитронного ускорителя, известный под именем «SuperB». Это означает, что у частей американского коллайдера есть немалый шанс в своей «второй жизни» быть использованными по назначению. Разместить «SuperB» планируется в подземном туннеле под Римским университетом Tor Vergata; именно там в столкновении электронов и позитронов будут рождаться B-мезоны — так же, как это происходит сейчас в коллайдере PEP-II. Предполагается, что исследование B-мезонов прояснит некоторые вопросы, связанные с отличиями частиц и античастиц.

Создатели «SuperB» предполагают дополнить элементы американского коллайдера новыми технологиями, в результате чего станет возможным ускорять частицы до энергий, на два порядка больше чем энергии в коллайдере PEP-II. Если министерство энергетики США (US Department of Energy) одобрит передачу Италии фрагментов коллайдера, то, согласно оценкам Джона Зеемана (John Seeman) — одного из руководителей Стэнфордской ускорительной лаборатории — итальянским физикам для перевозки этих фрагментов понадобится по меньшей мере 500 контейнеров. Всего, по словам Зеемана, итальянские коллеги рассчитывают приобрести 90% используемых в установке магнитов, радиочастотные системы и большую часть энергетических устройств. Но и инфраструктура коллайдера PEP-II, судя по всему, не пропадет: одна из исследовательских групп Стэнфордского университете в Калифорнии планирует — по завершении проекта PEP-II — построить в освободившемся туннеле новый источник рентгеновского излучения.

Заторможенные ускорители

Вполне возможным — хотя и крайне нежелательным — является такое развитие событий, при котором масштабные физические проекты будут остановлены почти всюду. В этой ситуации ускорители будут, по-видимому, восприниматься в первую очередь как хранилища ценных металлов, стоимость которых на мировом рынке стремительно растет. Достаточно сказать, что с 2000 по 2006 год титан стал почти в пять раз дороже, медь — в три с половиной раза, алюминий — более чем в полтора раза.

С точки зрения торговца цветными металлами, наиболее ценной частью коллайдера PEP-II являются ускоряющие двухкилометровые кольца для электронов и позитронов. Почти две тысячи мощных электромагнитов обеспечивают движение заряженных частиц внутри колец по нужным траекториям. Две тысячи стальных сердечников с медными или алюминиевыми обмотками… Потенциально только из электромагнитов коллайдера можно извлечь 4200 т стали, 448 т меди и 135 т алюминия общей стоимость в $2,5 млн.

Следующим по ценности фрагментом ускорителя являются четыре постоянных магнита, обеспечивающие перемещение электронов и позитронов из зоны ускоряющих колец в так называемую «зону столкновений». Эти магниты изготовлены из сплава кобальта и самария. Каждый из магнитов (их общая масса составляет одну тонну) стоит по меньшей мере $300 тыс. В реальности же за них не дадут и одного доллара из-за неразрешимых проблем с демонтажем. Есть и ещё одно обстоятельство, снижающее их стоимость. Так, по словам Кима Джонстона (Kim Jonston) — представляющего изготовителя магнитов компанию «Master Magnetics» — магниты из ускорителя «чрезмерно опасны». Заметим, что в «зоне столкновений» имеется также электромагнит со сверхпроводящей обмоткой, в состав которой входят ниобий и титан, причем стоимость только ниобия составляет $47 тыс.

Последний из 3280 магнитных диполей, использовавшихся в тоннеле Большого электрон-позитронного коллайдера, был поднят на поверхность 12 февраля 2002 года. Фото: Maximilien Brice/© CERN

«Зона столкновений» окружена детектором частиц «BaBar» — оболочкой из высокочистого йодида цезия, кристаллы которого испускают световые вспышки при попадании в них заряженных частиц. В общей сложности оболочка состоит из 65 000 4-килограммовых кристаллов. По словам технического координатора детектора «BaBar» Билла Вишневски (Bill Wisnievski), в среднем один кубический сантиметр кристаллической оболочки обошелся ускорительной лаборатории в $3; всего же на изготовление детектора было потрачено в 1999 году $20 млн. В 2008 году общая стоимость этих же кристаллов достигла $125 млн (такую оценку представила поставляющая материалы для научных экспериментов компания «Sigma Aldrich»). Рост стоимости непосредственно связан с терактами 11 сентября 2001 года, после которых правительство США запретила ввоз радиоактивных материалов на территорию страны. Проверка же на радиоактивность осуществляется с помощью специальных сканеров, а ключевым компонентом сканеров как раз и является йодид цезия.

Кристаллы йодида цезия — безусловно, самая дорогая часть детектора. Но кроме того, там содержится также 1000 т стали ($430 тыс. в ценах 2008 года) и 100 т меди ($350 тыс). По словам Вишневски, специальные проверки признаков радиоактивности у этих металлов не выявили, а потому и ускоритель PEP-II и детектор «BaBar» становятся настоящим кладом для торговцев металлическим ломом.

Пытаясь застраховаться от возможных рисков, министерство энергетики США ещё 13 сентября 2000 года объявило мораторий на коммерческую перепродажу металла, находившегося в контакте с ускорителем частиц — вне зависимости от того, что показали проверки этого металла на радиоактивность. Мораторий, однако, не распространяется на лаборатории, находящиеся в юрисдикции федерального правительства. Так, экспериментальная установка для исследования нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Fermilab) была почти полностью построена с использованием уже однажды использованных компонентов: несколько частей были приобретены у японских коллег, и несколько — у французских. Такая политика сберегла Фермилабу в общей сложности $3,3 млн.

Однако такое вторичное использование старого оборудования может привести к весьма неприятным сюрпризам. Специалист по связям с общественностью нейтринного эксперимента SciBoone Морган Васко (Morgan Wascko) как-то посетовал журналистам, что «работавшие на установке студенты обнаружили в старых силовых кабелях крысиные норы … крысам, впрочем, удалось убежать». Сразу же после этого была осуществлена тщательная проверка, которая не выявила в кабелей никаких повреждений.

Заметим, что мораторий на продажу металла ввели только американцы. А правительство Германии сразу после завершения работы гамбургского коллайдера HERA и демонтажа спектрометра ZEUS разрешило лаборатории по физике частиц DESY продать все те материалы, которые соответствуют принятым в Германии нормам радиационной безопасности. Речь шла ни много ни мало о 50 т кабелей, 100 т стали, и 70 т алюминия. Впрочем, несколько частей спектрометра ZEUS имеют шанс стать экспонатами научно-технических музеев.

Среди немецких физиков есть и такие, для кого спектрометр ZEUS остается уникальным техническим устройством, на создание которого потребовались значительные интеллектуальные усилия сотен физиков и инженеров. Предстоящее «расчленение» их детища воспринимается ими очень болезненно. Но делать нечего: большая часть его узлов изготавливалась специально для спектрометра, и перспектив дальнейшего использования у них нет. Романтические истории вроде той, что случилась у профессора Резерфорда с профессором Оуэнсом и его магнитами, навсегда остались в прошлом.

Борис Булюбаш, Телеграф «Вокруг Света»: Коллайдер после жизни