Самый крупный в мире ускоритель частиц готовится к старту

Гигиена труда

Работа на У. з. ч. связана с возможностью воздействия на персонал комплекса проф. факторов радиационной и нерадиационной природы. Состав и соотношение различных компонентов ионизирующих излучений, пространственное распределение потоков зависит от назначения и конструкции У. з. ч., здания, в к-ром он размещен, размеров и конфигурации средств специальной защиты. Основной пучок излучения (протоны, электроны) резко ограничен в пространстве; при взаимодействии его со специальными мишенями или элементами конструкции У. з. ч. формируется поле вторичных излучений, а при прохождении через массивы технологических и строительных конструкций создаются поля излучения третьего порядка. Наличие защитных устройств приводит к поглощению излучений, а также к деформации их начального спектра и углового распределения. На ускорителях тяжелых частиц (протонов и др.) в процессе ядерных реакций, кроме высокоэнергетических нуклонов, образуются И±- и П°-мезоны, К±- и К°-мезоны и гипероны с энергией от долей электрон-вольта до энергии, сравнимой с максимальной энергией ускоренных протонов. Основной вклад в эквивалентную дозу за защитой составляют частицы высоких энергий (>20 Мэв) и быстрые нейтроны. Так, при работе синхрофазотрона на 10 Гэв за пределами защиты 35— 50% суммарной эквивалентной дозы составляют нуклоны и я-мезоны высоких энергий, 40—55% быстрые нейтроны, а остальное — медленные нейтроны и у-кванты. Вокруг ускорителей электронов потоки нейтронов незначительны.

Под влиянием излучения активируются металлические детали и конструкции У. з. ч. (возникает так наз. наведенная активность), вследствие чего при проведении ремонтных работ эти детали и конструкции становятся источниками бета- и гамма-излучения, загрязнения рук и одежды радионуклидами. В зоне ускорителя вследствие активации воздуха образуются короткоживущие нуклиды 150, 13N, ПС, 41 Аг.

Ионизирующие излучения, образующиеся при работе У. з. ч., имеют высокую биол. эффективность. Протоны высоких энергий при воздействии на биол. системы приводят к развитию лучевых реакций, к-рые по направленности, характеру, срокам развития тождественны эффектам, возникающим под влиянием гамма-излучения (см.). Действие на биол. объекты ускоренных ионов гелия, бора, углерода и неона приводит к развитию в них более выраженных эффектов, значительно превышающих эффекты от воздействия у-излучения. На современных У. з. ч. уровни облучения персонала значительно ниже допустимых значений. К нерадиационным факторам проф. воздействия относятся: постоянное магнитное поле (см.), а также озон (см.) и окислы азота (см. Азот), образующиеся вследствие ионизации воздуха.

Обеспечение безопасных условий труда достигается отделением мест постоянного пребывания персонала от помещений, где расположены У. з. ч., мощными бетонными стенами, применением земляной обваловки помещений. В экспериментальных залах предусматриваются сборно-разборные защитные устройства. Двери в помещение, где размещены У. з. ч., снабжаются системой блокировки, звуковой и световой сигнализацией для предупреждения захода персонала в помещение во время работы У. з. ч. Вход в помещение разрешается только после включения специальной вентиляции, а ремонтные и другие работы с активированными деталями и мишенями — после снижения их активности.

За работой У. з. ч. осуществляется постоянный дозиметрический контроль (см.) с помощью стационарных систем и переносных приборов (см. Дозиметрия ионизирующих излучений). Системы дистанционного контроля позволяют определять уровни импульсного многокомпонентного излучения, генерируемого при работе У. з. ч., уровни наведенной радиоактивности устройств У. з. ч.? а также воздуха и аэрозолей в помещении. Используются методы индивидуальной дозиметрии персонала. Для лиц, обслуживающих У. з. ч., законодательством установлен сокращенный рабочий день, дополнительный отпуск, обязательные предварительные и периодические медицинские осмотры (см. Медицинский осмотр).

См. также Противолучевая защита, Радиационная безопасность.

Библиогр.: Глухих В. А. Ускорители заряженных частиц для промышленности и медицины, Л., 1977; Дозиметрический и радиометрический контроль при работе с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, под ред. В. И. Гришмановского, т. 2, с. 9, М., 1981; Капица С. П. и Мелехин В. Н. Микротрон, М., 1969; Князев В. А. и др. Радиационная безопасность на ускорителях протонов высокой энергии, Атомная энергия, т. 27, в. 3, с. 210, 1969; Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники, М.— Л., 1966.

С. Ф. Жулинский; Г. М. Пархоменко (гиг. труда).

Шаткая модель и одна частица

В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось

Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.

Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.

Почему люди боятся Большого адронного коллайдера

БАК и микроскопические черные дыры

Согласно одной из теорий, во время столкновения протонов на Большом адронном коллайдере могут появиться черные дыры. Если они окажутся стабильными и не распадутся, то попадут в центр Земли, поглотят ее материю и разрушат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Уолтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные тесты, чтобы доказать безопасность установки. После суда стали переживать и остальные. Так, группа неизвестных угрожала расправой ученым, которые работали над БАК.

Но устрашающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, также происходит в природе, только в гораздо больших масштабах и на огромных мощностях. А значит, микроскопические черные дыры уже давно бы возникли. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут возникнуть на БАК, потому что частицы, которые могли бы их образовывать, моментально распадаются.

Футурология

Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары

Анатолий Сидорин:

«Если микроскопические черные дыры найдут на Большом адронном коллайдере, это будет революция в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черной дыры: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — после появления она тут же испарится».

БАК и страпельки

Последователи другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — часть странной материи, которая состоит из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, то начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодный для жизни.

Осложняется все тем, что странная материя до сих пор плохо изучена и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и ее название).

Однако многолетние эксперименты показали, что за все время работы БАК в нем не возникло ни одной страпельки. Найти эти части пытались и физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке на другом коллайдере, но поиски, которые начались еще в 2000 году, на сегодняшний день не дали результатов.

БАК и магнитные монополи

Магнитные монополи — гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одних из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.

Люди опасаются, что в БАК могут производиться магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРН доказали, что если монополи и существуют, они имеют слишком большую массу — даже для БАК. Но даже имея подходящий для ускорителя вес, они уже давно бы появились: космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, произвели бы их намного раньше.

Футурология

Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах

Анатолий Сидорин:

«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие думают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.

Все ускорители, которые работают на текущий момент, производят в тысячи, если не в миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что делают коллайдеры, происходит со значительно большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности земли.

Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может возникнуть что-то, что уничтожит землю, — это просто переоценка возможностей человечества, оно не обладает такими способностями».

Воссоздание Большого Взрыва

БАК — это экспериментальная установка, похороненная глубоко под франко-швейцарской границей. Она расположена в 27-километровом туннеле, по которому ученые ездят на транспорте. Когда коллайдер начнет сталкивать частицы, протоны будут проходить 10-12-минутный круг менее чем за десятитысячную долю секунду, говорят инженеры БАК.

Коллайдер должен начать сталкивать протонные пучки в середине марта и начнет новые сеансы столкновений в мае. Но до тех пор ученые и инженеры внесут последние штрихи.

В мае ученые планируют воссоздать космические условия Вселенной, которые существовали в миллиардные доли секунды после Большого Взрыва. Согласно их теории, космос тогда был невероятно горячим, что позволяло материи распадаться на простейшие составляющие.

БАК должен проделать тот же фокус и помочь ученым заглянуть в текстуру нашей Вселенной.

Как работает Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер — это ускорительное кольцо окружностью 27 км, оборудованное огромным количеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Ускорительное кольцо можно условно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.

Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из предварительного ускорителя SPS — протонного суперсинхротрона, который их формирует, а затем впрыскивает в специальный отсек БАК. Внутри коллайдера протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях по двум вакуумным трубам. По мере своего движения они пролетают через следующие установки ускорительного кольца:

• Ускорительная секция. Протонные пучки впрыскиваются в БАК на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри коллайдера. С каждым новым оборотом через ускорительную секцию протоны получают дополнительную энергию.
• Система сброса пучка. Эта установка останавливает и выводит из БАК протонный пучок, если он отклоняется от заданной траектории.
• Чистка пучка. По мере движения протонного пучка по вакуумной трубе некоторые его частицы могут отклониться. Система очистки пучка отсекает их, не задевая основную часть пучка.
• Детекторы. Основная задача этих установок — зафиксировать результат взаимодействия частиц и передать соответствующую информацию в цифровом виде в центр управления ЦЕРН.

Устройство БАК (на схеме обозначен как LHC — Large Hadron Collider

Анатолий Сидорин:

«Детектор — это огромное количество электроники, по сигналам которой можно отследить сорта частиц, образованные при столкновении пучков протонов, а также их параметры: энергию, направление движения и так далее.

Все данные получаются в виде потока информации — около 20 Гб в секунду. Такой объем информации просто так сохранить невозможно, поэтому есть дополнительная сортировка. Из всего объема информации, которая идет от электроники детектора, отбираются только те сигналы, по которым можно реконструировать события — возникновение частиц.

Дальше вся информация записывается на диск. Полный объем данных, поступающий с Большого адронного коллайдера, хранится в вычислительном центре ЦЕРН. Есть еще 12 центров более низкого уровня, на которых размещены резервные фрагменты этих данных, например у нас, в Дубне. То есть данные распределяются по всему миру».

Для того чтобы удерживать протонные пучки внутри ускорителя, на них необходимо воздействовать магнитным полем. Для этого на Большом адронном коллайдере установлено несколько тысяч мощных магнитов.

Один из поворотных магнитов спускают в шахту для установки на БАК

(Фото: home.cern)

Кто обслуживает Большой адронный коллайдер

Все органы управления БАК находятся в центре управления ЦЕРН. В постоянном штате примерно 1,5 тыс. человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и так далее.

Другая категория сотрудников на БАК — приглашенные группы ученых, которые проводят эксперименты. Они приезжают на определенное время и изучают данные, полученные с детектора. Помимо этого, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: выходят на смены и следят за его приборами и системами.

Большой адронный коллайдер работает круглосуточно — выключать его нельзя. Это связано с тем, что он постоянно потребляет большое количество энергии, в основном на поддержание низкой температуры. Наблюдать за коллайдером тоже нужно постоянно, поэтому сутки разделены минимум на три рабочие смены.

«Демократия» в микромире

Продолжаем рассказ о том, что уже дали науке ускорители. Строить большое из малого, тяжелое из легкого — вот правило, которым всегда руководствовались ученые и которое неизменно приносило успех. Этот взгляд на вещи подсказывает человеку здравый смысл, весь опыт прошлого. Однако сейчас намечается кризис концепции слов «состоит из». Так, например, для физиков все чувствительнее становится нарушение закона сохранения массы: масса составной частицы, состоящей из других частиц, всегда меньше, чем сумма масс этих же частиц. Взаимная превращаемость микрочастиц, возможность рождения и уничтожения их — это совершенно новые черты, отличающие современный атомизм от атомизма прошлого.

Чтобы более прояснить ситуацию, приведем еще пример. Свободный нейтрон — частица нестабильная: вылетев из ядра, он примерно через 17 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но, с другой стороны, при столкновении двух протонов могут появиться среди прочих частиц и нейтроны. Иными словами, в равной мере можно считать, что протон «входит» в состав нейтрона и нейтрон «входит» в состав протона. Таким образом, каждая микрочастица как бы состоит из всех остальных, и в этом смысле все они одинаково элементарны. Эта введенная американским физиком-теоретиком Д. Чу концепция «ядерной демократии» утверждает: и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарны, чем уже известные.

Так в противовес старым взглядам современная ядерная физика практикой своих экспериментов формулирует радикально новый тезис, согласно которому в микромире все состоит из всего.

Мы со многим смирились. Математики объяснили нам, что вопреки здравому смыслу часть может быть равной целому (теория бесконечных множеств). Ну, хорошо, согласились мы, но уж часть-то никак не может превосходить целое! Однако физики и тут показали, как мы еще все-таки наивны.

Может ли слон залететь в кастрюлю? Странный, казалось бы, вопрос! Но разве не столь же странно положение «толстых» кварков (полагают, что масса кварка во много раз превышает массу протона), втиснутых в чрево «худенького» протона? А ведь это в микромире не исключение, а правило, согласно которому по массе часть всегда превосходит целое.

Эти и многие другие примеры назойливо внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, снять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.

А если вернуться от эмоций к логике, надо отметить следующее: предположение о применимости нашей интуиции к сколь угодно малым масштабам глубоко ошибочно. Так, сейчас у физиков преобладает мнение, что среди наблюдавшихся до сих пор микрочастиц, по-видимому, нет «аристократов». Но стопроцентно утверждать это мы не можем. И одна из основных программ будущих исследований на ускорителях — прояснение дилеммы: «демократия» или «аристократия».

Структура ускорителя

Лю­бая ус­ко­рит. ус­та­нов­ка вклю­ча­ет 3 осн. струк­тур­ных эле­мен­та: 1) ис­точ­ник час­тиц с сис­те­мой фор­ми­ро­ва­ния пуч­ка; 2) соб­ст­вен­но ус­ко­ри­тель – уст­рой­ст­во (или це­поч­ка по­сле­до­ва­тель­но рас­по­ло­жен­ных уст­ройств), уве­ли­чи­ваю­щее энер­гию час­тиц, а так­же фор­ми­рую­щее их тра­ек­то­рию; 3) уст­рой­ст­ва, осу­ще­ст­в­ляю­щие вы­вод и транс­пор­ти­ров­ку пуч­ка на ми­шень или взаи­мо­дей­ст­вие пуч­ка с ми­ше­нью, или со­уда­ре­ние встреч­ных пуч­ков в ус­ко­ри­те­ле.

Уст­рой­ст­ва для по­лу­че­ния пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов, по­зи­тро­нов, про­то­нов, ан­ти­про­то­нов, мюо­нов, атом­ных ядер, ио­нов) мо­гут быть и от­но­си­тель­но про­сты­ми (напр., элек­трон­ная пуш­ка), и пред­став­лять со­бой слож­ный ком­плекс ус­ко­рит. уст­ройств, как, напр., ис­точ­ник ан­ти­про­то­нов Фер­ми­ев­ской на­цио­наль­ной ус­ко­ри­тель­ной ла­бо­ра­то­рии. В этой ус­та­нов­ке про­то­ны, пред­ва­ри­тель­но ус­ко­рен­ные до энер­гии 120 ГэВ, бом­бар­ди­ру­ют не­под­виж­ную ни­ке­ле­вую ми­шень. В ре­зуль­та­те ро­ж­да­ет­ся ог­ром­ное чис­ло час­тиц разл. ти­пов, вклю­чая ан­ти­про­то­ны. По­след­ние се­па­ри­ру­ют, а за­тем на­ка­п­ли­ва­ют и ох­ла­ж­да­ют в на­ко­пи­тель­ном коль­це. По­доб­ную струк­ту­ру име­ют и ис­точ­ни­ки по­зи­тро­нов, раз­ра­ба­ты­вае­мые для ли­ней­но­го кол­лай­де­ра.

По­ка­за­те­ля­ми ка­че­ст­ва пуч­ка, соз­да­вае­мо­го ис­точ­ни­ком, слу­жат его эмит­танс (про­из­ве­де­ние ра­диу­са пуч­ка на его уг­ло­вую рас­хо­ди­мость) и энер­ге­тич. раз­брос. Чем мень­ше эмит­танс, тем вы­ше ка­че­ст­во ко­неч­но­го пуч­ка час­тиц вы­со­кой энер­гии. По ана­ло­гии со све­то­вой оп­ти­кой вво­дят по­ня­тие яр­ко­сти пуч­ка (си­ла то­ка час­тиц, де­лён­ная на эмит­танс, что со­от­вет­ст­ву­ет плот­но­сти час­тиц, де­лён­ной на уг­ло­вую рас­хо­ди­мость). При прак­тич. при­ме­не­нии совр. У. з. ч. час­то тре­бу­ет­ся мак­си­маль­но воз­мож­ная яр­кость пуч­ков.

Ус­ко­ре­ние пуч­ка про­из­во­дит­ся в уст­рой­ст­вах разл. ти­пов с по­мо­щью элек­трич. по­ля (из­ме­няю­ще­го энер­гию за­ря­жен­ных час­тиц). Для фор­ми­ро­ва­ния тра­ек­то­рии час­тиц в У. з. ч. при­ме­ня­ют маг­нит­ное по­ле, ко­то­рое из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние дви­же­ния за­ря­жен­ных час­тиц, не ме­няя ве­ли­чи­ны их ско­ро­сти. Совр. У. з. ч. вы­со­ких энер­гий – ог­ром­ные слож­ные ком­плек­сы. Так, ус­ко­ре­ние про­то­нов для про­ве­де­ния экс­пе­ри­мен­тов на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (БАК) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся сна­ча­ла в ли­ней­ном ус­ко­ри­те­ле, за­тем в 4 по­сле­до­ва­тель­ных цик­лич. ус­ко­ри­те­лях, пе­ри­метр по­след­не­го из них (соб­ст­вен­но БАК) со­став­ля­ет 26659 м.

Осн. за­да­чи вы­во­да и транс­пор­ти­ров­ки пуч­ков ус­ко­рен­ных час­тиц – со­хра­не­ние ин­тен­сив­но­сти пуч­ка и фор­ми­ро­ва­ние его по­пе­реч­ных раз­ме­ров. Для пре­дот­вра­ще­ния ухуд­ше­ния ка­че­ст­ва пуч­ка и по­терь час­тиц из-за со­уда­ре­ний с мо­ле­ку­ла­ми га­за транс­пор­ти­ров­ка, как пра­ви­ло, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ва­куу­ме. Вдоль трак­та транс­пор­ти­ров­ки рас­по­ла­га­ют­ся элек­трич. или маг­нит­ные лин­зы, обес­пе­чи­ваю­щие фо­ку­си­ров­ку час­тиц. Здесь же раз­ме­ща­ют­ся уст­рой­ст­ва, по­во­ра­чи­ваю­щие пу­чок (как для из­ме­не­ния тра­ек­то­рии все­го пуч­ка, так и для вы­де­ле­ния час­тиц оп­ре­де­лён­но­го сор­та или энер­гии). Рас­пре­де­ле­ние час­тиц в по­пе­реч­ном на­прав­ле­нии не­од­но­род­но, и ино­гда бы­ва­ет не­об­хо­ди­мо умень­шить эту не­од­но­род­ность. Для это­го мо­гут при­ме­нять­ся кол­ли­ма­то­ры, вы­де­ляю­щие центр. часть пуч­ка та­ким об­ра­зом, что­бы раз­ни­ца в плот­но­сти по­то­ка в этой час­ти не пре­вы­ша­ла до­пус­ти­мую (при этом по­те­ри ин­тен­сив­но­сти пуч­ка бу­дут тем боль­ши­ми, чем жёст­че тре­бо­ва­ния к од­но­род­но­сти). Др. спо­соб по­вы­ше­ния од­но­род­но­сти пуч­ка – при­ме­не­ние уст­ройств раз­вёрт­ки пуч­ка.

Быстрее, сильнее, заново

Доктор Андре Дэвид, один из исследователей БАК, говорит, что БАК может выпускать более мощные пучки протонов с большей силой, чем было раньше, до закрытия. Доктор Дэвид также объяснил, что чем больше энергии несет столкновение, тем больше оно производит мелких частиц, которые могут раскрыть что-то новое.

Но самый крупный в мире коллайдер частиц был не только отремонтирован и обновлен, это полностью новая машина — как корабль, которому заменили все доски.

Инженеры сообщили, что модернизация и техническое обслуживание затронуло все магниты и криогенные и электрические системы. Весь процесс потребовал более двух лет и до 2 миллионов часов работы.