Стартовал последний этап подготовки коллайдера к новому сеансу работы

Рис. 1. Первые шаги протонного пучка в ускорителе. Схема с сайта run2firstbeam.web.cern.ch

В воскресенье 5 апреля, в первой половине дня, специалисты наконец-то запустили пучок в главное кольцо Большого адронного коллайдера. Двухлетний период модернизации коллайдера и последующей его проверки на «холостом ходу» завершился, пусть и с опозданием в несколько месяцев по сравнению с первоначальным планом (см. подробности на страничке Расписание на 2013–2015 годы). Теперь начинается последний этап подготовки коллайдера к новому сеансу полноценной научной работы — отладка с циркулирующими пучками.

Сайт ЦЕРНа вел репортаж о запуске пучка в реальном времени, а по его окончании разместил официальное информационное сообщение, которое прошло по многим СМИ. Из этих кратких сообщений может сложиться впечатление, что, раз коллайдер заработал, всё уже готово к столкновениям и новым открытиям. Это совсем не так. Большой адронный коллайдер — исключительно сложная система, в которой, к тому же, на пике интенсивности запасена большая энергия — многие мегаджоули в пучке и гигаджоули в электромагнитах. Поэтому для такой, казалось бы, банальной задачи, как устойчивая и безопасная циркуляция пучков, физикам-ускорительщикам требуется наладить слаженную работу огромного числа подсистем. Ближайшие два месяца как раз и уйдут на то, чтобы постепенно, одну за другой, настроить все эти системы.

Рис. 2. Отклонение пучка от идеальной траектории по горизонтали и по вертикали, в миллиметрах, на самом первом этапе запуска пучка. Данные из презентации, посвященной отладке коллайдера, с сайта indico.cern.ch

Вот краткий список манипуляций, которые уже были выполнены в первые сутки отладки пучка.

1) Инжекция пучка из предварительного ускорителя и его проводка (threading) по всему кольцу (рис. 1). Не стоит думать, что первый же сгусток протонов, впрыснутый в LHC, сразу ляжет на идеальную орбиту и начнет стабильно циркулировать. Траекторию сгустка направляют многочисленные магниты, и, если бы не системы безопасности, они самый первый сгусток направили бы куда-нибудь в стенку вакуумной трубы. По этой причине работа ведется со сгустком минимальной интенсивности (так называемый «пилотный пучок»), и проходит он вначале только один сектор ускорителя, а затем поглощается заслонкой (рис. 2). Положение пятна на заслонке показывает, насколько реальная траектория близка к идеальной (рис. 3).

Рис 3. Место попадания пучка на заслонку отслеживается системой контроля и показывает техникам, как надо скорректировать орбиту. Изображение из презентации, посвященной отладке коллайдера, с сайта indico.cern.ch

На основании этой информации техники корректируют магнитные системы и пропускают следующий «выстрел протонами» дальше. Там снова производится корректировка орбиты, и следующая заслонка тоже убирается. Этот этап завершается, когда пучок делает полный оборот и готов выйти в свободный полет.

2) Теперь заслонок больше нет, но орбита пучка нестабильна (рис. 4). Сделав несколько оборотов, он опасно отклоняется от расчетной траектории и устраняется системой безопасности ускорителя. Коррекция магнитной системы позволяет уменьшить колебания, и пучок теперь делает десятки оборотов до того, как потеряет стабильность.

Рис 4. Отклонения пучка от идеальной траектории по замкнутой орбите. Данные из презентации, посвященной отладке коллайдера, с сайта indico.cern.ch

3) Синхронизация и захват пучка ускоряющей секцией. Система ускорения в циклическом коллайдере устроена так, что она чуть-чуть подталкивает пролетающий сгусток на каждом кругу. Этот толчок должен всегда приходиться на нужный момент времени. Поэтому частота колебания электрического поля в ускоряющем резонаторе (а она в LHC составляет примерно 400 МГц) должна быть очень точно, в пределах считаных герц, подстроена под кратную частоту циркуляции пучка.

4) Попутно техники дают возможности детекторам «почувствовать дыхание пучка». При поглощении пучка заслонкой, находящейся перед детектором, в него попадают многочисленные частицы, родившиеся в столкновении (рис. 5). Эта информация помогает физикам выровнять друг относительно друга различные подсистемы в своих детекторах.

Рис. 5. Детектор CMS зарегистрировал частицы, родившиеся при поглощении пучка заслонкой. Рисунок из презентации, посвященной отладке коллайдера, с сайта indico.cern.ch

5) Проверка стабильности орбиты: в каком-то месте по пучку наносится «удар» специальным отклоняющим магнитом, а затем отслеживаются колебания вдоль траектории пучка.

В дальнейшем планируется: полностью скорректировать магнитную систему так, чтобы сгустки могли совершать миллионы оборотов и циркулировать в ускорителе часами; добиться одновременной циркуляции двух пучков и обеспечить их захват ускорительной секцией; отладить все системы контроля и безопасности; разогнать пучки с энергии инжекции (0,45 ТэВ) до расчетной энергии (6,5 ТэВ); увеличить интенсивность пучков; провести первые тестовые столкновения.

Все этапы этой технической работы можно отслеживать по ежедневным техническим отчетам, а также в реальном времени, через мониторы OP Vistars. Расшифровку многих акронимов, которыми пестрит техническая документация, можно найти на отдельной страничке.