Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — самый масштабный проект в истории науки. После длительных подготовительных работ, запуска, поломки и восстановления коллайдер, наконец, работает, и весь мир с любопытством следит за новостями из Европейского Центра ядерных исследований (CERN). Задачи, стоящие перед коллаборацией ученых CERN, условно можно разделить на «технические» и «физические». Первые предназначены для того, чтобы обеспечивать функционирование и безопасность установки, вторые — чтобы работать непосредственно в области физики высоких энергий. Сегодня мы говорим с человеком, который имеет прямое отношение к решению задач первого типа, специалистом, который обеспечивает систему защиты магнитов LHC, сотрудником Института ядерной физики СО РАН им. Г. И. Будкера и CERN Александром Ерохиным.
— Александр Иванович, чем вы занимались в CERN?
— Моя работа вот уже тринадцать лет связана с CERN, и я отношусь как раз к тем, кто строил, запускал и испытывал коллайдер. У меня физическое образование, но моя работа сопряжена с инженерными задачами, в частности — системы защиты сверхпроводящих магнитов.
Все 27 километров кольца состоят из сверхпроводящих магнитов, есть только один небольшой прямолинейный участок без магнитов, где частицы ускоряются. Одни магниты нужны для того, чтобы задавать траекторию движения пучка по окружности, другие — чтобы фокусировать пучок, делать его «тонким». Наш институт поставлял в CERN обычные, так называемые «теплые» магниты, не сверхпроводящие, но и много деталей для сверхпроводящих. Иначе говоря, было очень много железа, сделанного в нашем институте для CERN.
В начале двухтысячных мы начали поставлять оборудование в Женеву и возить туда наших монтажников. А в 2006 году, поскольку испытания сводились к испытаниям магнитной системы, где одной из самых важных задач была именно защита магнитов, они позвали меня туда на несколько лет на процедуру запуска (commissioning). Commissioning — это устоявшийся термин для больших установок — процедура запуска, которая длится несколько лет. Запуск — это не просто нажать кнопку, а полный процесс отладки всей работы установки step by step, чтобы запустить ускоритель. Я пробыл там на позиции «team leader» по системам защиты магнитов до осени 2008 года, уехав за неделю до аварии.
— Почему так много российских сотрудников занимается подобной работой? Каков вклад ИЯФ СО РАН в работах в CERN?
— Во-первых, большинство западных институтов ничего не производят, они имеют штат либо физиков, либо эксплуатационщиков, но у них нет штата разработчиков и производственных мощностей. А ИЯФ в свое время, обзаведясь экспериментальным производством, заводом, где станочников в лучшие времена было порядка тысячи человек, производил для себя все сам. На заре физики высоких энергий, являясь одним из пионеров в этой науке, именно ИЯФ предложил сталкивать между собой пучки в циклических машинах. Это была идея Г. И. Будкера, и впервые её реализовали в 1963 году. Через несколько месяцев подобная маленькая машина, периметр которой составлял несколько метров, независимо была создана в Стэнфорде, в Штатах. Все основные принципы были заложены Г. И. Будкером, А. Н. Скринским, В. В. Пархомчуком, нашими физиками. Сейчас ими пользуется весь мир, в том числе и системами фокусировки и охлаждения протонных и ионных пучков. На сегодняшний день к институту прислушиваются в ускорительном сообществе. Он поставляет свои разработки во многие научные центры. К примеру, для LHC Россия поставила в CERN оборудования примерно на 150 миллионов швейцарских франков, из них на 130 миллионов поставил ИЯФ, то есть примерно 80% от всего российского вклада в LHC. А что касается детекторов, здесь уже поставляли оборудование и ИЯФ, и Дубна, и Курчатовский институт (у них нет своих детекторов, но они туда отправляли физиков), и Протвино, и Гатчина. Сюда же и Белоруссия что-то вложила, и Украина понемножку. Нельзя сказать о большем вкладе ИЯФ в части детекторов, но с точки зрения вклада в LHC — почти 5% его построено Россией, из которых бoльшая часть — ИЯФом. Это довольно заметный вклад.
Причиной аварии стал человеческий фактор: одно из соединений оказалось плохо пропаяно. Чтобы никто не обижался, не буду говорить, из какой страны была бригада монтажников (это были не российские монтажники), но они пропаяли в некоторых местах очень плохо. И на момент до запуска LHC считалось, что пайка — это очень простая вещь по сравнению с самими магнитами, к тому же это та область, в которой хорошо отработаны технологии.
— Как же допустили такую оплошность?
— Это оплошность только с точки зрения человеческого фактора. Проблема-то в чем? Это то, с чем мы сейчас и в России сталкиваемся. Любая организация, чтобы провести дорогостоящие работы (услуги) или купить дорогое оборудование, устраивает конкурс либо на работы, либо на оборудование. По этим же законам живут бюджетные организации за рубежом. Наш ИЯФ, кстати, тоже предлагал свое участие в этих работах. ИЯФ доверяли очень сложные вещи, но соединения между магнитами — это настолько большой объём ручного труда, что эту работу решили отдать в страну, которая является членом CERN (Россия такой не является). Как только прокручивались разово большие деньги, извиняюсь за жаргон, за «тупую» работу, такие деньги предпочитали оставлять в Европе, это с одной стороны. С другой стороны, конкурс всегда выигрывает компания, попросившая меньше денег за выполнение. После этого зачастую компания-победитель начинает на всем экономить: нанимают совершенно неквалифицированный персонал, который плохо выполняет свою работу.
— Очертите, пожалуйста, следующие этапы работы LHC.
— В 2012 году будет shutdown на год-полтора, техническая остановка. Тогда будут меняться все сомнительные контакты, вскрываться криогенная система, и они будут переделываться. Будут устраняться все недостатки. Сейчас работают на инжекционном комплексе, оставшемся от предыдущей протонной машины SPS, которая сейчас является поставщиком пучков для LHC. Но строится новый инжекционный комплекс, в 2014—2015 году он будет введен в эксплуатацию, это позволит улучшить параметры пучка. Более того, в 2014—15 году после технической остановки LHC будет запускаться на проектной энергии 7 ТэВ на пучок. Ничего другого, концептуально нового, нет. Какие-то мелочи будут меняться, но это рутина.
— Чем физика элементарных частиц может быть полезна в области космологии?
— Во Вселенной происходят и термоядерные реакции, и Землю бомбардируют частицы всех рангов, начиная от фотонов и кончая нейтрино. Более того, частицы, которые нас каждую секунду пронизывают, имеют в миллиарды раз большие энергии, чем те протоны, которые получают в LHC. Но нельзя взять «карманный» детектор и искать по всему земному шару места, где сталкиваются между собой эти частицы. Для этого и нужны коллайдеры, чтобы события были в известном месте, где можно уже поставить необходимый детектор. Тем не менее сами космические частицы детектируют, и когда LHC ещё не давал столкновений, а ATLAS и CMS уже были построены, первые несколько месяцев они калибровались на частицах, которые летят из космоса. По тому, какой след они оставляли, определялось, какие это частицы, с какими энергиями. Поэтому это примерно одна и та же наука. Более того, изначальная цель того же LHC — найти бозон Хиггса, который в свое время возник именно во время образования Вселенной и является частицей, ответственной за массу.
Существует предположение, что все частицы в первые мгновения после Большого Взрыва не обладали массой. С охлаждением Вселенной температура упала ниже некоторой критической величины, так что сформировалось так называемое поле Хиггса, ассоциированное с бозонами Хиггса. С распространением поля Хиггса во Вселенной любая частица, взаимодействуя с бозоном Хиггса, приобретала массу. Чем больше частица взаимодействовала в поле Хиггса, тем большей массой она наделялась. Эта теория приводит к решению, не противоречащему основным принципам Стандартной Модели. Проблема заключается только в том, что бозон Хиггса до сих пор не был найден, и масса его до сих пор неизвестна, что в свою очередь усложняет его идентификацию. Остается только последовательно рассматривать диапазон масс, которому предположительно принадлежит масса бозона Хиггса. Ожидается, что на Большом адронном коллайдере бозон Хиггса будет либо найден, либо будет показано, что его масса находится вне диапазона 14 ТэВ.
— Какие у вас есть профессиональные ожидания от LHC?
— Такие же, как у всех — чтобы нашли бозон Хиггса. Что именно найдут, подтвердят ли существование бозона Хиггса? Верной ли они идут дорогой? Но технически интересно и другое — представляете, что приобрел человек за последние пятьдесят лет? Сотовые телефоны, компьютеры, Интернет, языки программирования, новые технологии, материаловедение и многое другое! 80% из названного своим существованием обязано физике высоких энергий. Где Интернет родился, вы знаете. Всем этим мир обязан не только CERN, но и физике высоких энергий. Так что уже этого достаточно, чтобы окупить все проекты в будущем. К тому же CERN всегда был пионером с точки зрения компьютерной безопасности, построения сетевых архитектур. Стоит глобальная задача, к которой нужно идти. Чтобы построить LHC и поддерживать его работу, нужны прикладные науки, нужно искать, искать и искать. Поэтому мы не знаем, чем полезным нам это обернется в следующие 50 лет.
— Чем же ещё может обернуться?
— А вы думаете, сто лет назад, когда по телеграфу передавали информацию, человек не думал — «Куда уже дальше»? Чем именно обернётся, невозможно сказать, потому что мы пытаемся мыслить теми категориями, которые знаем. Но наши понятия лежат в другой плоскости, поэтому мы не можем сказать ничего определенного. У нас не хватает базисных векторов. Мы всё пытаемся натянуть на свои, знакомые нам векторы. А речь идет о том, что в следующие пятьдесят лет появятся новые, и наше технологическое пространство станет ещё богаче. Поэтому я в первую очередь жду результатов такого рода, а не бозон Хиггса.
