ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 24.03.21
    ТЕКСТ: Шон Керролл
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Найбільша машина всіх часів: уривок з книжки «Частинка на краю Всесвіту»

    Як починався шлях до відкриття бозона Гіґґса і які перешкоди на ньому траплялися? Розповідає фізик Каліфорнійського технологічного інституту Шон Керролл. Переклад його книжки «Частинка на краю Всесвіту» опублікований у видавництві «Фабула».

    Ми відвідаємо Великий гадронний колайдер — символ тріумфу науки й техніки, що допоміг знайти Гіґґсів бозон. 

     

    10 вересня 2008 року почав своє життя Великий гадронний колайдер. На радість фізиків цілого світу перші протони успішно подолали
    весь шлях по кільцю. До стелі полетіли корки від шампанського, усі пообіймалися, виголосили промови, і нарешті почалася нова ера відкриттів.

     

    А дев’ять днів по тому колайдер вибухнув.

     

    Не весь, певна річ. ВГК розміщений у кільцевому тунелі на глибині 100 метрів. Довжина обводу становить приблизно 26,7 кілометра, і тунель перетинає франко-швейцарський кордон поруч Женеви. Щоб уся така машина вибухнула, потрібен якийсь неймовірний катаклізм. Однак окремі частини таки можуть ламатися.

     

    Щоб ВГК працював, усередині мусить бути дуже холодно. Машина ганяє протони по двох окремих трубах: в одній струмінь рухається за
    годинниковою стрілкою, в іншій — проти, тож струмені можуть зіштовхнутися у визначених місцях, де встановлені детектори. Обидві труби для струменів оточені надпотужними магнітами, завдання яких — викривляти траєкторію протонів так, щоб вони залишалися на правильному шляху.

     

    Створювати магнітні поля легко: просто пропустіть електричний струм через петлю з дроту. Щоб створити сильні поля, потрібно багато
    струму. Проте більшості матеріалів, навіть високоякісним дротам, властивий певний опір струму. Проблема в тому, що дріт починає нагріватися і зрештою плавиться. Щоб подолати цю проблему, дроти охолоджують до неймовірно низької температури і тоді вони стають надпровідні. Надпровідник взагалі не має опору, тож температура дротів не збільшується, коли через них проходить струм. ВГК — найбільший холодильник у світі (з великим відставанням конкурентів), і охолодження його магнітів відбувається за допомогою рідкого гелію, чию температуру підтримують на рівні мінус 271 градус за Цельсієм, що лише на 3,4 градуса вище за абсолютний нуль — найнижчу можливу температуру.

     

    Тут є один нюанс: за найменшого підвищення температури гелію дроти магнітів одразу перестануть бути надпровідними. Якщо це станеться, величезний електричний струм, що проходить через них, стикнеться з опором і в підсумку нагріє дроти ще більше. Це своєю чергою нагріє гелій, і процес вийде з-під контролю; водночас рідкий гелій закипить, перетворившись на газ, і вибухне у своїх контейнерах. Коли ВГК працює, магніти завжди на волосину від катастрофи.

     

    Такий перехід до неконтрольованого стану професійною мовою називають «квенч». 19 вересня 2008 року незначний перебій у струмі спричинив квенч в одному магніті, а потім процес швидко поширився на сусідні. Лін Еванс, тодішній голова ВГК, пригадує, як тоді сидів у офісі для персоналу й сперечався з якогось дріб’язкового питання, коли задзвонив його мобільний телефон. Еванса просили негайно прийти: сталося щось серйозне. «Коли я примчав туди,— згадував Еванс,— то побачив таке жахіття, якого навіть на екрані комп’ютера ще не бачив. Всюди світилося червоним».

     

    Зрештою винуватця проблеми вистежили; ним виявився поганий контакт у надпровідному з’єднанні, внаслідок чого виникла електрична дуга, що пробила гелієвий корпус. Із 1232 магнітів, що спрямовують протони вздовж кільця ВГК, довелося замінити понад 50. Спочатку у звітах ЦЕРНу аварію характеризували як «витік» гелію, хоча тут більше пасує термін «вибух». За кілька хвилин понад шість тонн рідкого гелію вилилися в тунель і від різкого зростання тиску магніти, прикручені болтами до підлоги, просто вирвало. Техніка безпеки забороняє працівникам перебувати в тунелі ВГК, коли там циркулюють протони, але під час інциденту струмені були вимкнені; на щастя, нікого не було на пошкодженій ділянці й ніхто не постраждав.

     

    Подвоєні зусилля

     

    Принаймні фізично ніхто не постраждав. А от моральні збитки були чималі. Роберт Аймар — французький фізик, тодішній генеральний директор ЦЕРНу,— випустив прес-реліз із такою заявою: «Те, що сталося одразу після дуже успішного початку роботи ВКГ 10 вересня, безперечно, викликало психологічний шок». Нелегко було пережити те, що після стількох років важкої роботи нарешті вдалося наблизитися до омріяного запуску ВГК і тут же зазнати такого болючого удару.

     

    Однак це історія зі щасливим кінцем. Хай яке було розчарування, що охопило команду ЦЕРНу після вибуху 19 вересня, завдання відновити роботу ВГК лише всіх згуртувало. Інженери й фізики взялися перевіряти й посилювати кожен вузол машини, щоб вона витримала ті безпрецедентно високі енергії, яких науковці прагнули домогтися. Питання полягало не в тому, щоб міцніше закрутити кілька гайок,— потрібно було не лише відремонтувати пошкоджене обладнання, а й довести до вищих стандартів якості решту деталей машини. Це виявилося повільною та клопіткою роботою, тож пришвидшувач був готовий до повторного запуску лише через рік.

     

    Офіційно посада Майка Ламона називалася «координатор ВГК», але один із фанатів «Зоряного шляху» якось назвав його «містером Скоттом із ВГК». Він пропрацював у ЦЕРНі понад двадцять три роки, де його обов’язком було забезпечувати рух протонів, попри всі можливі перешкоди. Звичайно, крихітні збої трапляються постійно, проте з наближенням дня повторного запуску ВГК кожен горбок на дорозі видавався нездоланною горою. Протягом випробувань 3 листопада 2009 року на деяких магнітах почала зростати температура через електричну несправність на одній з електростанцій на поверхні. Ламон пояснив допитливим репортерам, що проблема виникла через крихітний шматочок хліба, що впав на електрошину. Очевидно, той шматочок випав із дзьоба якогось птаха. Ламон з інженерами швидко ліквідували несправність і відновили роботу пришвидшувача, але репортери вже встигли з цього роздути сенсацію. Газета «Телеграф» надрукувала світлину CMS (компактного мюонного соленоїда — одного з чотирьох основних детекторів ВГК) поруч зі світлиною голуба з підписом «Великий гадронний колайдер (ліворуч) і його запеклий ворог (праворуч)».

     

    20 листопада 2009 року по трубах ВГК уперше з часу аварії полетіли протони. Три дні по тому струмені спрямували назустріч один одному, щоб улаштувати перші зіткнення частинок у машині. Заледве через сім днів після цього енергію в пришвидшувачі збільшили до такого значення, що ВГК одразу сягнув рекордних показників за енергією зіткнень серед усіх коли-небудь збудованих пришвидшувачів. З міркувань економії за звичайним розкладом передбачали, що протягом більшої частини зими, коли електрика в Женеві найдорожча, ВГК не працюватиме. Однак у 2009–2010-х роках усіма керувала така нетерплячка, що команда пришвидшувача подвоїла зусилля, щоб машина працювала на всю потужність. Перші вагомі фізичні дані (на відміну від «впроваджувальних» даних для тестування машини) були одержані на початку 2010 року. У березні 2010-го енергія ВГК сягнула свого запланованого проміжного значення (половини максимального рівня енергії), установивши рекорд для зіткнень частинок високих енергій. Шампанське полилося знову.

     

    Озираючись у минуле, можна сказати, що аварія у вересні 2008 року допомогла фізикам і технікам ВГК значно ліпше вивчити свою машину, внаслідок чого, починаючи з 2010 року, фізичні дослідження на пришвидшувачі відбувалися практично безперервно. Зважаючи на те що до 2010 року серйозних експериментів не проводили, майже для всіх стало несподіванкою, коли до липня 2012 року зібрали й проаналізували досить даних для відкриття Гіґґсового бозона. Це так ніби ви купили дорогий автомобіль, що одразу зламався, а потім вам довелося витратити трохи часу, щоб повністю полагодити його. Та щойно ви виїдете на дорогу й натиснете на педаль газу, як вам від радості перехопить дух.

     

    Великий гадронний колайдер — це істинний прояв Великої науки. Кількість рухомих частин — і живих, і механічних — може налякати, а то й пригнітити. Як сказав був лауреат Нобелівської премії Джек Стейнберґер, «ВГК — це символ того, як важко за нашого часу добиватися прогресу. Яка величезна різниця, порівнюючи з моїми аспірантськими роками, коли 65 років тому я самотужки за півроку зміг провести експеримент, що виявився цікавим кроком уперед». ВГК — це найбільша й найскладніша машина, яку коли-небудь будували люди, й інколи дивуєшся, що вона взагалі працює.

     

    Та вона працює, і на диво добре. Ті фізики, з якими я спілкувався, коли писав цю книжку, знову й знову розповідали про приголомшливий розмах проєкту й водночас наголошували на тому, що ЦЕРН можна розглядати як модель великомасштабної міжнародної співпраці. Експериментатор Джо Інкандела якось сказав: «Мене вражає, що в нас спільно працюють люди з сімдесяти країн світу. Пліч-о-пліч працюють палестинці й ізраїльтяни, іранці й іракці; така співпраця в ім’я науки гідна наслідування». Джо Ліккен — американський фізик теоретик із Фермілаба — якось був сумно зауважив: «Якби тільки ООН могла працювати так, як ЦЕРН, світ
    став би набагато ліпший».

     

    Якщо ви вважаєте, що вивчення частинок на кшталт Гіґґсового бозона, які потребують для свого народження величезної кількості енергії,— це та мета, яка виправдовує витрати, то єдиний спосіб досягти цієї мети — це розвивати Велику науку. Є ще чимало наукових таємниць, що їх можна розгадувати, проводячи відносно недорогі лабораторні експерименти, однак відкриття нових важких частинок не належить до таких. На цю мить ВГК — найліпший варіант, і те, що він працює, свідчить про надзвичайну людську винахідливість і наполегливість.

     

    Роки планування

     

    ВГК — це диво планування й проєктування. Фізики в ЦЕРНі досить довго мріяли про гігантський протонний колайдер, але перші «офіційні» дискусії про те, чим у кінцевому підсумку має стати ВГК, відбулися на семінарі в Лозанні (Швейцарія) в березні 1984 року. Ті, кого залучили до розробки проєкту, знали, що в США розмірковують над схожим проєктом, який мав би завершитися створенням Надпровідного суперколайдера, тож їм треба було вирішити, чи є сенс витрачати обмежені ресурси на європейського конкурента. (Тоді ще ніхто не знав, що, зрештою, проєкт НСК скасують.) На відміну від НСК, що повинен був будуватися з нуля, ВГК планували розмістити в уже готовому тунелі для ВЕПК, а це накладало обмеження на його розмір і потужність. У підсумку гадане значення енергії для ВКГ становило 14 ТеВ, себто трохи більше за третину відповідного кінцевого показника (40 ТеВ) для НСК. Однак на ВГК планували
    щосекундно одержувати більше зіштовхувань; до того ж цей колайдер мав бути дешевшим. І цілком можливо, що всі цікаві фізичні явища відбуватимуться при енергіях менших, ніж 14 ТеВ, а отже, не буде потреби у вищих енергіях, які мав забезпечувати НСК.

     

    Значний поштовх для просування проєкту ВГК зробив італійський фізик Карло Руббіа, відважний і блискучий експериментатор, що був нагороджений 1984 року Нобелівською премією за відкриття W- і Z-бозонів. Руббіа був надзвичайно впливовою фігурою, відомий не лише своїми досягненнями в науці (дуже вагомими), але й вольовим характером. Саме він умовив керівництво ЦЕРНу побудувати перший протон-антипротонний колайдер у 1981 році, концепцію якого пізніше прийняли у Фермілабі під час будівництва Теватрона. (Проєктуючи ВГК, науковці повернулися до ідеї зіштовхування протонів між собою, адже занадто складно створювати достатню кількість антипротонів для одержання потрібної кількості зіштовхувань.) Спершу як голова групи стратегічного планування ЦЕРНу, а потім як генеральний директор лабораторії з 1989 до 1993 року Руббіа енергійно просував проєкт ВКГ ще тоді, коли ВЕПК не завершив свою роботу, а в США планували створити НСК. У Європі були свої фінансові проблеми, особливо в Німеччині, де возз’єднання ФРН і НДР потребувало значних коштів. Поступово Руббіа зміг переконати європейські уряди, що гадронний колайдер має стати наступним кроком у розвитку лабораторії ЦЕРНу незалежно від того, що робитимуть інші країни. Однак лише 1991 року Рада ЦЕРНу ухвалила резолюцію офіційно вивчити пропозицію щодо проєкту ВГК, а остаточно проєкт схвалили лише в грудні 1994 року (вже після скасування НСК). Ліна Еванса призначили директором ВГК, і почалося кропітке втілення ідеї в реальність.

     

    Головний архітектор

     

    У розрахованому на довгі роки проєкті, до якого було залучено так багато людей і країн і у якому було стільки важливих підпроєктів, все-таки несправедливо приписувати занадто важливу роль одній особі, тим самим применшуючи внесок незліченної кількості решти учасників. Хай там як, якщо когось і варто згадати серед творців ВГК, так це Ліна Еванса.

     

    Еванс справляє враження скромної людини. Сивий і поставний, але простий у спілкуванні. Він народився у валлійській шахтарській сім’ї.
    Його першим коханням була хімія, а особливу втіху йому давало виготовлення вибухівки. Можливо, саме з цього і повинна була починати людина, що одного дня спроєктує машину для зіштовхування частинок при найвищих енергіях, яких коли-небудь домагалося людство. В університеті він поміняв спеціалізацію на фізику, бо «фізика була цікавіша й легша». Коли проєкт ВГК затвердили, для його реалізації ЦЕРНу потрібна була людина з досвідом, проте водночас доволі молода й енергійна, щоб довести справу до кінця. Перед Евансом постало надскладне завдання: в умовах обмеженого бюджету збудувати машину визначених розмірів, добитися від неї максимальної наукової віддачі, та ще й упоратися з розв’язанням надскладних за всю історію людства технологічних проблем. Саме Еванс придумав, як модифікувати початкові плани конструкції ВГК, щоб вони відповідали фінансовим реаліям.

     

    У процесі реалізації інженерного проєкту такого масштабу хоч-не-хоч та й виникають непередбачувані перешкоди. Завдяки ВЕПК на ВГК уже чекав готовий тунель, але для чотирьох великих детекторів, необхідних для вимірювання результатів зіштовхувань, треба було викопати нові котловани. Один із детекторів, а саме CMS (компактний мюонний соленоїд), планували розмістити на протилежній від основної будівлі ЦЕРНу стороні кільця, недалеко від французького містечка Сессі. Коли робітники почали копати, то випадково натрапили на залишки римської вілли IX століття. Там знайшли коштовності й монети, що були в обігу на територіях сучасних Англії, Франції та Італії. Радість для археологів, але затримка для фізиків; будівництво пригальмували на шість місяців, доки науковці не дослідили руїни.

     

    Та це ще було не все. Виявилося, що над котлованом, де мав розташовуватися детектор CMS, протікала підземна річка. Потік води не перешкоджав би експерименту, але він заважав проведенню земельних робіт. Команда будівників знайшла «фізичний» розв’язок проблеми: вони опустили в яму труби, пустивши по них рідкий азот. Азот заморожував воду й копати тверду землю ставало значно легше. Еванс казав, що це «було доволі цікаво».

     

    Еванс і решта фізиків і працівників ЦЕРНу, що працювали над ВГК, не здавалися. Попри технічні проблеми, норовливі уряди постійно погрожували зменшити свої внески в ЦЕРН. На найвищих рівнях проєкти з фізики елементарних частинок потребують стільки ж дипломатії та політичної кмітливості, скільки й технічних і наукових знань. Важливим поштовхом для розвитку проєкту в 1997 році стало рішення США інвестувати у ВГК два мільярди доларів. Усі офіційні «держави-члени» ЦЕРНу — це європейські країни: Австрія, Бельгія, Болгарія, Чехія, Данія, Фінляндія, Франція, Німеччина, Греція, Угорщина, Італія, Нідерланди, Норвегія, Польща, Португалія, Словаччина, Іспанія, Швеція, Швейцарія й Велика Британія. США (а ще Індія, Японія, Росія й Туреччина) — це «держави-спостерігачі», що беруть участь у фізичних експериментах і засіданнях Ради ЦЕРНу, але офіційно їх не залучають до обговорення стратегічних планів. Багато інших країн теж підписали угоди, що дозволяють їхнім науковцям працювати в ЦЕРНі, але США тут стоять окремо, адже їхній внесок зіграв вагому роль в успіху ВГК, як і внески Японії та Росії. Понад тисячу американських фізиків невдовзі почали працювати на ВГК.

     

    Еванс має легку вдачу, йому простіше вовтузитися з якимось обладнанням, ніж вимагати від підлеглих, щоб вони ретельно вели записи виконуваних робіт. Хоч будівництво ВГК і відбувалося згідно з планом, крихітні перевитрати все-таки накопичувалися. Апогей настав 2001 року, коли стало зрозуміло, що пришвидшувач приблизно на 20% дорожчий, ніж запланували в бюджеті. На відкритому засіданні Ради ЦЕРНу генеральний директор Лучано Маяні всупереч пораді Еванса оголосив величину перевитрат і прямо заявив, що держави-члени повинні оплатити додаткові видатки.

     

    Певна річ, вони не зраділи цьому. Робертові Аймару, що 2004 року став наступним генеральним директором після Маяні, Рада ЦЕРНу доручила наглядати за менеджментом своєї унікальної машини. Деякі члени Ради сумнівалися, що Еванс найліпше підходить для цієї бюрократичної ролі, і розмірковували над тим, чи варто призначити суворішого кандидата. Проте Аймар збагнув, що унікальні знання Еванса про колайдер значно важливіші за м’якість його манери керівництва, і Еванса залишили на посаді директора проєкту. Пізніше сам Еванс описував цей період як не найприємніший час роботи над ВГК: «Мене тоді добряче помаринували. То був найгірший рік з усіх».

     

    Після інциденту 19 вересня, що стався після запуску машини, Еванс згадував: «Той перебій у струмі в останньому секторі став справжньою
    халепою. На щастя, я вже поставав перед труднощами в минулому».

    ТЕКСТ: Шон Керролл
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: