Читать книгу "Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс"

1. В туннеле шириной 3,8 метра и длиной 27 километров располагаются два параллельных кольцевых канала для пучков, которые пересекаются в четырех точках по окружности. Вдоль кольца располагаются более тысячи шестисот сверхпроводящих магнитов, большинство из которых весит более двадцати семи тонн. Туннель настолько длинен, что его кривизна почти незаметна, если посмотреть вдоль.

2. Для того чтобы обеспечивать работу магнитов при температуре менее двух градусов над абсолютным нулем, то есть при температуре ниже, чем у космического микроволнового фона в глубинах межзвездного пространства, используется 96 тонн сверхтекучего 4He. Всего используется 120 тонн жидкого гелия, который сперва охлаждают при помощи примерно десяти тысяч тонн жидкого азота. Для этого пришлось изготовить около сорока тысяч герметичных трубных соединений. Объем используемого гелия делает БАК крупнейшей криогенной установкой в мире.

3. Вакуум в каналах, по которым движутся пучки, по техническим требованиям должен быть более разреженным, чем вакуум открытого космоса, с которым сталкиваются астронавты при выполнении задач на внешней поверхности МКС; давление в них должно быть в десять раз ниже атмосферного давления на Луне. Наибольший объем на БАКе, где поддерживается такой вакуум, составляет девять тысяч кубических метров, что сравнимо с внутренним объемом крупного собора.

4. После разгона по туннелю в том или ином направлении протоны движутся со скоростью 0,999999991 скорости света, или всего примерно на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Энергия, которой обладает каждый протон при столкновении, эквивалентна энергии летящего комара, но сконцентрированной в радиальном объеме, в миллион миллионов раз меньшем размера этого комара.

5. Каждый пучок протонов складывается из 2808 отдельных сгустков, стискиваемых в точке столкновения до толщины примерно в четверть толщины человеческого волоса; в каждом сгустке насчитывается 115 миллиардов протонов. Сгустки сталкиваются между собой каждую двадцатипятимиллиардную долю секунды, и всего за секунду происходит более 600 миллионов событий – столкновений частиц.

6. Распределенная компьютерная сеть, разработанная для обработки данных с БАКа, является крупнейшей в мире. Необработанных данных, получаемых с установки за секунду, хватило бы, чтобы заполнить более тысячи терабайтных жестких дисков. Для шести миллионов миллиардов протон-протонных столкновений, проанализированных в одном только в 2012 г., было обработано более двадцати пяти тысяч терабайт данных – больше, чем содержится информации во всех когда-либо написанных книгах; для хранения этой информации потребовалась бы стопка CD-дисков около двадцати километров высотой. Для этого была создана распределенная по миру компьютерная сеть с 170 компьютерными центрами в тридцати шести странах. Когда установка работает, она производит около семисот мегабайт данных в секунду.

7. От тысячи шестисот магнитов требуется сформировать пучки достаточной интенсивности для столкновения, что эквивалентно требованию выстрелить двумя иглами с расстояния в десять километров с такой точностью, чтобы они столкнулись ровно на полпути между двумя точками стрельбы.

8. Настройка пучков настолько точна, что в расчет необходимо брать даже приливные явления, связанные с притяжением Луны и изменением ее положения над Женевой; под действием этих сил окружность БАКа ежедневно меняется на один миллиметр.

9. Чтобы сгенерировать невероятно интенсивные магнитные поля, необходимые для разгона протонных пучков, через каждый из сверхпроводящих магнитов течет ток силой около двенадцати тысяч ампер – это примерно в тысячу раз превышает ток, текущий по проводам в обычном семейном доме.

10. Кабели, из которых намотаны магнитные катушки коллайдера, имеют длину около 270 тысяч километров, что более чем в шесть раз превосходит окружность Земли. А если эти кабели распустить на отдельные жилы, то они протянулись бы до Солнца и обратно более пяти раз.

11. Полная энергия каждого пучка примерно соответствует энергии четырехсоттонного поезда, несущегося со скоростью 150 километров в час. Этой энергии хватило бы, чтобы расплавить пятьсот килограммов меди. А энергия, запасенная в сверхпроводящих магнитах, в тридцать раз превосходит эту величину.

12. Даже с учетом сверхпроводящих магнитов – а именно они позволяют сделать энергопотребление установки приемлемым – во время работы коллайдер расходует примерно столько же электричества, сколько потребляют суммарно все жители Женевы.

Но достаточно рассказывать о самой установке. Для анализа столкновений на БАКе было построено несколько различных больших детекторов. Каждый из четырех функционирующих в настоящее время по размеру примерно соответствует изрядному офисному зданию, а по сложности – крупной лаборатории. Спускаясь под землю, чтобы посмотреть на детекторы, чувствуешь себя Гулливером в Бробдингнеге. Масштабы абсолютно всех компонентов детектора потрясают. Вот фотография детектора CMS, меньшего из двух больших детекторов БАКа.

Находясь возле детектора, трудно даже целиком охватить его взглядом; в этом можно убедиться на снимке детектора и автора, сделанном с меньшего расстояния.

Сложность этих устройств почти невообразима. Такому теоретику, как я, трудно представить, как одна-единственная группа физиков, какой бы она ни была, может следить за работой этого устройства, а тем более спроектировать и построить его в точном соответствии с техническими требованиями.

Каждый из двух крупнейших детекторов, ATLAS и CMS, был построен при сотрудничестве более чем двух тысяч ученых. Более десяти тысяч ученых и инженеров из ста с лишним стран участвовали в строительстве коллайдера вместе с детекторами. Рассмотрим меньший из двух детекторов, CMS. Его размеры составляют более двадцати метров в длину, пятнадцать метров в высоту и пятнадцать – в ширину. На его сооружение пошло около 12 500 тонн стали – больше, чем на Эйфелеву башню. Когда с детектором что-то делают, две его половинки разводят на несколько метров друг от друга. И хотя они не стоят на колесах, при включении мощного магнитного поля детектора их стянуло бы вместе.

Каждый детектор состоит из миллионов составных частей, в нем есть трекеры, способные измерять траектории частиц с точностью до десятимиллионных долей метра, есть калориметры, с высокой точностью регистрирующие энергию, передаваемую частицами детектору, есть и устройства для измерения скорости частиц по их излучению, испускаемому при прохождении через детектор. В каждом столкновении рождаются сотни или даже тысячи отдельных частиц, и детектор должен отследить почти все и дать ученым возможность реконструировать каждое событие.