Непонятная проблема с вакуумом мешает работе коллайдера

Специальный защитный экран, находящийся внутри вакуумной трубы LHC. Прорези позволяют откачивать остаточный газ из трубы. Предполагается, что в секции 16L2 воздух натек в пространство между экраном и стенкой вакуумной трубы и через щели просочился внутрь. Изображение с сайта home.cern

Если вы иногда поглядываете на мониторы Большого адронного коллайдера и отслеживаете темп накопления данных в этом году, то наверняка обратили внимание, что в районе 10 августа на коллайдере что-то пошло не так. Набор данных остановился на несколько дней, а затем продолжился, но примерно вдвое медленнее. Если месяц назад в коллайдере циркулировало по 2556 сгустков, то сейчас их примерно вдвое меньше. Да и сами сеансы длятся порой всего по несколько часов и оканчиваются нештатным сбросом пучков.

29 августа ЦЕРН выпустил краткое пояснение, в чем тут дело. Оказывается, в ячейке ускорительного кольца с кодовым номером 16L2 (16 ячеек влево от точки 2) вот уже три недели случаются эпизоды, когда из пучков вдруг начинают выбывать протоны, из-за чего происходит резкое энерговыделение, и система безопасности коллайдера дает сигнал на сброс пучка. Причина этих потерь в точности пока неизвестна. Но поведение пучков наводит на мысль, что в этом месте есть участок вакуумной трубы с плохим вакуумом — и это несмотря на постоянно работающие вакуумные насосы. В нормальном состоянии остаточное давление в вакуумной трубе составляет примерно 10⁻¹³ атмосферы, благодаря чему пучки могут свободно циркулировать в трубе сутками. Но сейчас, как показывают оценки, в ячейке 16L2 вакуум время от времени резко ухудшается, и давление там подскакивает в миллион раз, до 10⁻⁷ атм.

В принципе, эту проблему техники обнаружили еще в самом начале 2017 года. Поскольку заглянуть в трубу не представляется возможным, рабочая гипотеза была такая: зимой, во время технической паузы, каким-то образом в эту секцию натек воздух и, замерзнув, осел на стенках специального защитного экрана (см. фото вверху). И сейчас, под действием мощного пучка протонов и вызванной им ионизации, молекулы снова уходят со стенок, в них втыкается протонный пучок и происходит опасное энерговыделение.

Тогда, в начале коллайдерного 2017 года, техники временно справились с этой проблемой, пропуская ток через специальный корректор. Но 10 августа они решились на более радикальные меры. Они прогрели защитный экран до 80 кельвинов, ожидая, что весь осевший на нем воздух испарится, а потом осядет на криогенной трубе и больше не будет никого беспокоить. Однако метод не сработал. Улучшения не наступило, и более того, трюк с пропусканием тока перестал приносить плоды. В целом, ситуация только ухудшилась.

В последующие дни методом проб и ошибок выяснилось, что, в принципе, работать можно, если интенсивность пучков понизить в несколько раз. Нащупав этот рабочий минимум, техники постепенно повышали интенсивность пучков. Однако стабильной работы достичь пока не удалось: иногда сеансы шли долго и хорошо, иногда быстро обрывались. Причем переход от нормальной ситуации к опасной происходил буквально в течение долей секунды. Что-то происходило в секции 16L2, примерно за 50–100 оборотов вырастали потери протонов и, что самое необычное, пучок начинал вихлять. Это поведение не похоже ни на одну из тех проблемных ситуаций, с которыми техники сталкивались в последние годы и которые научились преодолевать. Сейчас проверяется предположение о том, что на это способны положительно заряженные ионы. В электронных коллайдерах ионы действительно являются проблемой: они притягиваются к пучку и могут его «раскачивать», передавая колебания от одного сгустка к другому. Но в протонных коллайдерах, из-за отталкивания одноименных зарядов, такого не ожидалось. Сейчас физики выполняют моделирование этого эффекта, пытаясь понять его роль в поведении пучков на LHC.

Так или иначе, на решение этой проблемы были брошены дополнительные силы. В течение всего августа секция 16L2 оставалась главной темой в многочисленных встречах технических комитетов; подробности можно найти в одном из докладов за 28 августа. В сложившейся ситуации специалисты пытаются нащупать самый эффективный режим работы коллайдера и, параллельно с этим, пытаются выяснить суть явления с помощью детального численного моделирования и сравнения его результатов с реальностью.

Напомним, что план по набору светимости на этот год — 45 fb⁻¹. К настоящему моменту накоплено уже 20 fb⁻¹. При нынешних сдержанных темпах (примерно 7 fb⁻¹ в месяц) эта цель вряд ли будет достигнута. Остается надеяться, что в сентябре, в ходе давно намеченной 10-дневной технической паузы, проблема будет решена.