Через год в Европе стартует крупнейший физический эксперимент, цель которого – воссоздать материю ранней Вселенной. Петербургские физики в международной коллаборации заслужили статус «группы прорыва»
Сегодня Центр европейских ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) напоминает большой муравейник. Срочным ходом идет тестирование и монтаж оборудования для гигантского ускорителя, с помощью которого летом 2007 года здесь планируют смоделировать рождение нашей Вселенной.
Согласно современным научным данным, Вселенная возникла 12−15 млрд* лет назад в результате Большого взрыва. Физики считают, что в первые микросекунды после него температура и плотность энергии были настолько высоки, что вещество существовало в ином состоянии, нежели сейчас, – в виде так называемой кварк-глюонной плазмы – своеобразного супа из элементарных частиц. Затем, по мере охлаждения и расширения Вселенной, кварки и глюоны «склеились» друг с другом, сформировав более сложные частицы, которые известны нам сегодня.
Международному сообществу физиков понадобилось 20 лет, чтобы приблизиться к получению кварк-глюонной плазмы в лаборатории. Для этого требовалось на сверхкраткое время освободить кварки из «нуклонной тюрьмы», в которой они заперты с начала времен. Необходимые для «побега» условия (например, температуру, в тысячу раз превышающую температуру Солнца), по мысли физиков ЦЕРНа, должен обеспечить суперускоритель – большой адронный коллайдер, представляющий собой набор огромных сверхпроводящих магнитов, расположенных на глубине 100 м в подземном туннеле длиной 27 км. В рамках эксперимента «АЛИСА» (ALICE – A Large Ion Collider Experiment), объединившего 1000 ученых из 30 стран мира, физики намерены разогнать два потока ионов свинца до скоростей, близких к скорости света. В нужный момент ядра свинца в двух разных кольцах внутри ускорителя столкнутся друг с другом.
По предположениям теоретиков, на доли секунды это позволит воссоздать кварк-глюонную плазму в форме маленьких огненных шариков, обладающих фантастической температурой и плотностью. Детекторы экспериментальной установки ALICE смогут зафиксировать малый «Большой взрыв» и позволят физикам пронаблюдать, как остывающая кварк-глюонная плазма дала жизнь всему, что сегодня есть в нашей Вселенной. Однако в начале 1990−х, когда идея эксперимента только разрабатывалась, такие детекторы еще предстояло придумать и создать.
От хаоса к порядку
В 1992 году петербургский физик Григорий Феофилов искал возможность выехать на профильную конференцию в Вену, чтобы поделиться результатами испытаний нового детектора, созданного в Петербургском университете. За плечами у него были 20 лет работы в ядерной физике, несколько уникальных разработок и осознание начавшегося крушения науки в собственной стране.
Покупая на последние деньги билет на поезд, Феофилов еще не догадывался, что в итоге попадет в ЦЕРН. После доклада на Венской конференции и появления новых научных контактов последовало приглашение приехать в Женеву для более подробного разговора. Тогда в ЦЕРНе чуть ли не круглосуточно шло обсуждение новых экспериментов на будущем большом адронном коллайдере: требовались новые идеи и нестандартные подходы. Петербургской команде предложили взяться за разработку центральной части экспериментальной установки, требования к которой состояли из сплошных противоречий. Однако инженерные трудности были лишь началом препятствий.
«Это было фантастическое время, – вспоминает Феофилов. – Вокруг нас все рушилось, а мы, ни на что не обращая внимания, решали „нереальную“ задачу: 10 кв. м прецизионных координатночувствительных детекторов нужно было разместить с точностью в несколько микрон и небывалой стабильностью в сердце новой экспериментальной установки! При этом 10 млн каналов миниатюрнейшей электроники, обеспечивающих регистрацию всех сигналов, выделяли около 10 кВт тепла. Это требовало разработки сверхэффективных решений по охлаждению и термостабилизации, так как часть детекторов была чувствительна к колебаниям температуры в 0,1°C! Причем создаваемая система должна была быть практически невесомой».
Вокруг «нерешаемой» задачи сложилась петербургская команда суперспециалистов. Парадоксально, но их сплочению косвенно способствовал охвативший российскую науку хаос. Повсеместный развал привел к появлению некоторой организационной свободы, в том числе на оборонных предприятиях. Опытные инженеры, прежде полностью занятые выполнением госзаказов и получавшие за это зарплату, оказались перед необходимостью самостоятельно искать какие-то средства для жизни. Тогда проект «АЛИСА» не приносил никаких денег, но специалисты делали ставку на его уникальность: это был крупнейший в мире эксперимент по ядерным столкновениям при сверхвысоких энергиях.
Рассудку вопреки
«У нас были иллюзии, что если мы сейчас скажем свое слово, то сумеем выстроить и дальнейшее сотрудничество с Европой, сможем потом решать другие, не менее увлекательные задачи, – говорит Григорий Феофилов. – Кроме того, проблемы действительно были сверхинтересными. Узкие специалисты экстракласса – по ядерной физике и высоким энергиям, по углепластикам, температурным измерениям, оптике, микрокабелям и микроэлектронике, – собравшись вместе, образовали классную команду. Все работали в тесной взаимосвязи: если у каждой проблемы по отдельности могла существовать тысяча решений, то для задачи в целом годилось только одно».
Работа была чисто инициативной – с надеждой на то, что ситуация в России как-то изменится в лучшую сторону. В течение 10 лет питерские специалисты продолжали исследования без каких-либо гарантий и обещаний с российской или европейской стороны.
«Практически все нормальные команды в других странах сразу приступили к работе, получив финансирование от национальных университетов, – комментирует Феофилов. – Такова идея международного сотрудничества: ЦЕРН ставит задачу, а расходы по поддержке своих научно-исследовательских групп всегда несут страны – участницы проекта. Подписала подобное соглашение с ЦЕРНом и Россия, Петербургский университет вошел в число официальных участников проекта. Парадокс или нет, но никакой российской поддержки мы тогда так и не получили, продолжая трудиться на иссякающем энтузиазме – за короткие поездки в ЦЕРН и суточные. Там два доллара стоила чашка кофе, здесь на эти деньги люди жили, наверное, неделю. По сути дела, нашу работу по проекту „АЛИСА“ в Петербурге воспринимали чуть ли не как сумасбродное хобби. В итоге проектом мы были вынуждены заниматься в остававшееся от основной работы время, пропадая в лабораториях круглыми сутками. Только близким людям известна цена, которую нам пришлось заплатить, чтобы компенсировать российскую действительность и выполнить разработку на должном уровне».
Сердце ALICE
Команда, объединявшая тогда специалистов из Санкт-Петербургского университета, Центрального конструкторского бюро машиностроения, Всероссийского НИИ метрологии, НИИ «Гранит» и Санкт-Петербургского института ядерной физики, корпела над центральной частью экспериментальной установки. Коллаборации был предложен уникальный детектор, придуманный в университете и протестированный позднее в ЦЕРНе. В течение восьми лет этот стартовый детектор официально оставался базовой разработкой для установки ALICE.
В момент столкновения тяжелых ионов в области детектора оказывается около 20 тыс. элементарных частиц. Координаты их треков должны быть зарегистрированы с точностью в 30 микрон. При этом столкновения двух ядер происходят каждые 100 микросекунд. Детектор размером 70х80 мм содержит около тысячи чувствительных элементов и каналов электроники – создание одной такой пластинки кремния обходилось итальянской стороне примерно в 5 тыс. долларов. Но все эти каналы электроники оказались бы бесполезными, если бы вся установка ALICE оставалась «медленной», т.е. не могла бы прецизионно фиксировать время столкновения. Новый университетский детектор обладал временным разрешением на уровне 75 пикосекунд (1 пикосекунда = 10-12* секунды. Для сравнения: за 100 пикосекунд свет проходит расстояние около 3 см). Предложенный высокопрецизионный детектор позволял очень точно фиксировать момент встречи ионов, пространственное распределение вторичных элементарных частиц в той области, где ALICE уже не могла работать, а кроме того, с его помощью стало возможно отделять «лобовые» столкновения ионов от периферических.
«Это была новейшая разработка. Через восемь лет мы проиграли: наш стартовый детектор заменили разработкой московских ученых, хотя идея этого традиционного устройства была предложена нами еще в 1992 году в качестве запасного варианта. Наш сверхпрецизионный детектор все еще казался слишком новым. В 2001 году в ЦЕРНе решили не рисковать – не только мы не дождались российских денег под этот детектор», – рассказывает Феофилов.
Зато центральная система, разработанная петербургской командой, продолжала развиваться. Для того чтобы справиться с основными задачами регистрации частиц, кремниевые детекторы требовалось разместить на сверхлегкой и сверхпрочной механической конструкции. При этом она должна была обладать миниатюрной системой охлаждения и термостабилизации. Основой для системы стали монолитные фермы длиной 120 см и весом всего 24 грамма, разработанные в Петербурге по уникальной технологии с применением углепластика. Специальная конструкция была просчитана так, что каждый элемент (тоненькая углепластиковая иголочка) отвечал за нагрузки только в одном направлении.
«Если бы мы сделали эту штуку из стали, ее прочность была бы меньше и по весу она бы, естественно, сильно проиграла, – Феофилов вертит в руках невесомую конструкцию. – В ЦЕРНе нас за углепластик поначалу сильно трепали. Новое всегда вызывает сопротивление. „А почему вы думаете, что этот углепластик вообще будет что-то держать и не рассыплется? Почему это должно сработать? Кто еще применял подобные средства?“ Да никто! Когда мы с этой разработкой приехали на конференцию по новым материалам, представители швейцарских фирм, специально занимавшихся углепластиками, в один голос утверждали, что ничего подобного создать невозможно. Никто не верил, что эта ажурная ферма действительно монолитная, все думали, что иголочки мы как-то приклеивали.
Если мы сегодня останемся в стороне от международных научных процессов, то уже завтра окажемся на обочине научного мира
В какой-то момент, для того чтобы убедить наших западных коллег в надежности и прочности конструкции, мы провели шутливый эксперимент. В принципе каждая такая изящная система рассчитана на вполне определенные нагрузки. Для того чтобы показать ее потенциал, мы подвесили к ней бутылку водки весом в 2 кг. Наша метровая фермочка (при собственном весе около 20 грамм) даже не прогнулась! У нас потом появилась идея положить рядом несколько таких конструкций, а сверху на них поставить красивую девушку. Картина была бы еще та!»
Выполнить обязательства
К 1995 году концепцию центральной части экспериментальной установки проверили на практике. Были рассчитаны параметры всех материалов, промерены возможные прогибы и деформации, воздействие температурных полей – абсолютно все. Получилась сверхлегкая, сверхпрецизионная по механическим свойствам система с эффективным механизмом термостабилизации. Это был мощный интеллектуальный и инженерный вклад в общее дело коллаборации. Разработки петербургской команды вошли в очень важный для всех том «Технических предложений по подготовке эксперимента на сверхрелятивистских тяжелых ионах». Принятие «Технических предложений» международной экспертной комиссией и ученым советом ЦЕРНа стало большим политическим успехом коллаборации ALICE. Каждая картинка, каждое предложение в этой книге самым тщательным образом были проверены и подтверждены. Именно в 1995 году проект «АЛИСА» стал реальным.
«Стоимость работ по реализации наших идей мы оценили в 2,5 млн долларов, что вошло в официальные документы ALICE, – рассказывает Григорий Феофилов. – Российских денег нам, естественно, не дали. Для осуществления двух проектов удалось получить три международных гранта, которые позволили выполнить только часть запланированных работ. Самый крупный грант – 450 тыс. долларов под восемь институтов на два года. Этот грант дал возможность провести в 1998 году все основные исследования, создать работающие прототипы двух систем, а также выпустить отдельную книгу по центральной части экспериментальной установки, где были представлены основные результаты, со всеми расчетами и детальными промерами. После одобрения конструкции в ЦЕРНе итальянцы решили, что теперь смогут изготовить ее сами. Они попробовали, но у них ничего не получилось. Технологии-то мы никому не передавали!»
В итоге создание центральной части экспериментальной установки прошло в Петербурге полную цепь: идея – технология – изготовление – испытание. В 2003 году изготовленные компоненты протестировали и отправили в Женеву, все обязательства перед коллаборацией были выполнены.
Технологии двойного применения
Успешное завершение проекта по экспериментальным системам не стоит идеализировать. Уникальная команда, сумевшая в процессе работы над фундаментальной задачей разработать целый ряд новейших прикладных технологий, почти распалась в 2003−м, так и не встретив ни поддержки, ни интереса в собственной стране. Даже грант, позволивший закончить основную деятельность по проекту, был получен от итальянского, а не российского правительства.
«Идей по применению разработанных технологий напрашивается масса, но в нашей стране ими пока никто не интересуется, – сокрушается Феофилов. – Сверхлегкие, сверхпрочные и сверхстабильные конструкции из углепластика с интегрированными системами охлаждения электроники и сигнальными микрошлейфами расширяют возможности использования электронных систем в самых разных сферах, их можно отправлять хоть в космос. При подготовке эксперимента „АЛИСА“ были проверены оригинальные идеи по теплосъему и термостабилизации, испытаны системы прецизионного дистанционного контроля деформаций и вибраций, апробированы идеи по практическому использованию сверхбыстрых и радиационностойких координатночувствительных детекторов в радиографии и рентгенографии. Все эти разработки могут найти применение в авиации, электронике, астрономии, биологии, медицине».
Сегодня исследователи из Института физики СПбГУ по мере сил продолжают разработку новых идей для физической программы исследований ALICE. Ищут новое физическое явление – слияние кварк-глюонных струн, которое может служить процессом, ведущим к образованию кварк-глюонной плазмы.
ЦЕРН был создан энтузиастами для энтузиастов. Увлеченности, с которой работают российские физики, можно только позавидовать. Впрочем, сами они объясняют ее вполне рационально: если мы сейчас не вольемся в международное научное сообщество, то уже через несколько лет окажемся на обочине научного мира. Россия в ЦЕРНе имеет статус наблюдателя, и, пока она остается «над схваткой», команды отечественных ученых вроде коллектива Феофилова вынуждены преодолевать невероятное сопротивление, чтобы в прямом смысле прорваться на передний край науки.
Взято из: http://www.expert.ru/science/2006/05/fi ... speriment/
Другие источники:
http://www.vniief.ru/directions/researc ... ctrometer/