Руководство ЦЕРНа стоит перед непростым выбором

Рис. 1. Схематичный вид соединения двух сверхпроводящих кабелей (показаны черным цветом). Бронзовым цветом показаны медные шины, скрепляющие место контакта, синим цветом показан припой. Картинка вверху отвечает контакту в норме, картинка внизу показывает один из возможных дефектов (отсутствие припоя на одном участке). В случае срыва сверхпроводимости ток будет течь через медные шины, и из-за такого дефекта сопротивление контакта может стать неприемлемо высоким. Изображение из доклада Do the splices limit us to reach 5TeV. Plans for 2010 run

Плохое качество электрических контактов в магнитах Большого адронного коллайдера по-прежнему остается головной болью специалистов. Не исключено, что по соображениям безопасности в течение 2010–2011 годов энергия протонов не будет поднята выше 3,5 ТэВ.

Успешный перезапуск Большого адронного коллайдера в конце 2009 года показал, что, несмотря на опасения скептиков, самая сложная экспериментальная установке в истории физики всё-таки будет работать. Сейчас полным ходом идет подготовка к началу первого длительного сеанса работы LHC (ориентировочно с марта по декабрь 2010 года).

Но насколько эффективно будет работать коллайдер? Сможет ли он достичь запланированной мощности? Какой стратегии следует придерживаться, чтобы достичь этого в максимально короткие сроки, но при этом не подвергать ускоритель техническим рискам? Эти и многие другие вопросы обсуждались с 25 по 29 января на очередной конференции из серии «Шамони» — Chamonix-2010. Несмотря на то что участие в конференции было строго по приглашениям, все зачитанные доклады находятся сейчас в открытом доступе на странице научной программы конференции. На ней прозвучали выступления, посвященные итогам работы коллайдера в 2009 году, текущей деятельности по запуску коллайдера на энергию протонов 3,5 ТэВ, а также перспективам на будущее. К этой конференции приковано особое внимание, поскольку ожидается, что по ее результатам директорату ЦЕРНа будут представлены рекомендации относительно работы коллайдера в ближайшие годы. Взвесив все «за» и «против», директорат должен будет утвердить расписание работы LHC и, в частности, решить, до какой энергии разгонять протоны в ближайшие годы.

Чем выше энергия сталкивающихся протонов, тем более тяжелые частицы смогут родиться на LHC, а также тем чаще будут рождаться умеренно тяжелые частицы (например, тот же хиггсовский бозон). Поднятие энергии в полтора-два раза резко увеличивает научную эффективность исследований на коллайдере. Именно поэтому значение энергии, на которой будет работать LHC в ближайшие годы, является одним из ключевых параметров.

Проблемы с электрическими контактами

Проектная энергия протонов в Большом адронном коллайдере — 7 ТэВ. Однако когда будет достигнуто это значение и будет ли оно достигнуто вообще — пока неизвестно. Сейчас главным препятствием для вывода LHC на проектную энергию по-прежнему остается плохое качество электрических контактов в сверхпроводящих магнитах. Чем выше энергия протонов, тем сильнее должно быть магнитное поле, удерживающее их в кольце ускорителя, а значит, тем более сильный ток должен циркулировать в обмотках сверхпроводящих поворотных магнитов. Необходимость удерживать сильный ток без потери сверхпроводимости и накладывает жесткие требования на качество электрических соединений.

Именно из-за дефектного контакта в одном из магнитов произошла авария 19 сентября 2008 года. После нее по новой методике были тщательно промерены сопротивления электрических контактов во всех магнитах коллайдера, что позволило выявить еще несколько плохих соединений. В некоторых случаях дефектные магниты были заменены, однако полностью проблему это не решило. Сейчас главная головная боль специалистов — плохое качество не самих контактов между сверхпроводящими кабелями (как показали измерения при криогенных температурах, они уже лежат в безопасных пределах), а медных шин, к которым в месте контакта припаяны сверхпроводящие кабели (см. рис. 1). При нормальной работе весь ток течет через сверхпроводник практически без сопротивления. Однако в случае срыва сверхпроводимости — который неизбежно будет время от времени происходить в магнитах — именно эти шины берут на себя весь ток. От сопротивления этого «мостика» из шины и припоя зависит то, сможет ли система безопасно справиться с такой ситуацией.

Данные по сопротивлениям этих шин имеются, но они не слишком точны. Одна из проблем тут состоит в том, что эти измерения надо делать при высокой температуре, а прогревать все сектора ускорителя до комнатной температуры в 2009 году не стали (это отложило бы запуск LHC еще на несколько месяцев). Измерения в некоторых секторах пришлось проводить при умеренно низких температурах, а затем экстраполировать эти данные на высокие температуры с некоторым запасом надежности. Эти результаты привели специалистов к выводу: поднимать энергию выше 3,5 ТэВ пока рискованно.

Рис. 2. Примеры снимков электрических контактов со слишком высоким сопротивлением. Изображение из доклада Minimum requirements for 13 kA splices

Минимальные усилия, которые следует предпринять для исправления ситуации, — провести более точные измерения сопротивлений по новым методикам, которые отрабатываются прямо сейчас (подробности см. в докладе Do the splices limit us to reach 5TeV. Plans for 2010 run). Такая процедура займет несколько недель, и если она подтвердит текущие оценки, то энергию можно будет слегка повысить (примерно до 4 ТэВ, возможно до 4,5 ТэВ). Для того чтобы выйти на энергию в 5 ТэВ — а именно таковы были до сих пор планы на 2010 год, — потребуется более серьезное вмешательство: прогрев нескольких секторов и замена наиболее плохих контактов. Однако на это уйдет 3–4 месяца. Наконец, чтобы достичь проектной энергии 7 ТэВ, необходимо (в дополнение к ряду других требований) полностью прогреть весь ускоритель и сделать профилактический ремонт всех сильноточных электрических контактов (см. подробности в докладе Minimum requirements for 13 kA splices). Такой ремонт потребует еще больше времени — порядка года.

Варианты расписания работы

В свете этих проблем перед руководством ЦЕРНа встает непростая задача — как организовать работу LHC в ближайшие годы, чтобы научная польза от работы коллайдера не вступала в противоречие с требованиями безопасности? В заключительном докладе на конференции были описаны два возможных варианта.

Первый вариант: работать до конца 2011 года на энергии 3,5 ТэВ, не пытаясь поднимать энергию, а лишь постепенно увеличивая интенсивность протонных пучков. Тем временем технические группы будут отрабатывать все технологии, необходимые для полноценного ремонта соединений. При достижении некоторой цели по накопленной статистике (в блоге Cosmic Variance утверждается, что речь идет про интегральную светимость порядка 1/fb) — остановить коллайдер на длительный срок (скажем, на весь 2012 год или даже больше), тщательно всё починить и в 2013 году запустить коллайдер уже на проектную энергию 7 ТэВ.

Второй вариант: ограничиться не слишком долгим сеансом работы в 2010 году, закрыть коллайдер на полгода-год, сделать минимальный ремонт контактов, а затем запустить его на энергии 5 ТэВ.

При первом сценарии работы научная продуктивность коллайдера в ближайшие три года будет еще ниже, чем ожидалось до сих пор. В частности, в течение этого времени LHC вряд ли сможет улучшить результаты Тэватрона по поиску хиггсовского бозона. Однако технологические риски в этом случае минимальны, да и в долгосрочной перспективе такой режим работы может даже оказаться выгоднее. При втором сценарии технические риски слегка повышаются, но научная отдача от LHC в ближайшие годы будет повыше. Однако тогда задерживается переход к энергии 7 ТэВ, и спустя несколько лет всё равно потребуется длительная остановка коллайдера.

Судя по слайдам заключительного доклада и по сообщению в блоге Cosmic Variance, специалисты сейчас склоняются к первому варианту. Впрочем, официального сообщения на этот счет пока не поступало, но, по-видимому, его можно ожидать в самое ближайшее время.

Источник: доклады на конференции Chamonix-2010.

Игорь Иванов