Как сделать маленький адронный коллайдер
div-dock › Блог › Андронный Коллайдер в домашних условиях…
Краткое руководство по постройке карманного адронного коллайдера для чайников.
(читать внимательно и до конца)
Итак, предупреждаю вас — свойства коллайдера до сих пор не полностью выяснены, и куда девается примерно половина энергии коллайдера, неизвестно. Из-за этого коллайдер был запрещен в 2034 Дартом Херохито. Так что стройте коллайдер на свой страх и риск.
Ну что ж, приступим.
Для начала надо кое-что разъяснить — адронные коллайдеры бывают нескольких видов:
Респерспективненькие — коллайдеры с последующей возможностью респерспективнизации
С подвыперизподвыпертом — новая модель коллайдера со встроенным подвыперизподвыпертом.
Марки «Siemens» — самые страшные коллайдеры, производство которых строжайше запрещено, так как этот вид коллайдеров, не нанося никаких внешних повреждений, напрямую разрушает мозг человека. Этот вид коллайдеров был изобретен Дартом Херохито в V веке нашей эры, во время его пребывания в Восточной Римской Империи. Соединив коробку из-под масла, требуху из огромного боевого робота и грязный платок Чака Норриса, он получил простейший коллайдер «Siemens». Попытавшись испробовать его, Дарт адронизировал мозги более чем 20 миллионам жителей Земли (приземленные смертные назвали это эпидемией чумы, и с тех пор у землян проходит вакцинация — процесс, безболезненно удаляющий мозг и позволяющий существовать без его помощи. Именно поэтому для большинства людей коллайдеры «Siemens» не опасны).
Технология производства в домашних условиях
Делается очень легко: берётся пластиковая бутылка 1.5 литра, в нижней части прожигается дырка, на верхнюю часть надевается фольга и протыкается иголкой. (Последнее действие необходимо повторять в цикле не менее 3000 раз.)
Технология производства экспрааприаторного колайдера немного сложнее технологии производства респерспективненького, вам понадобится ведро воды, ножницы, фольга и пластиковая 1.5 литровая бутылка. Отрезаем дно бутылки, одеваем сверху фольгу, протыкаем, и коллайдер готов.
Подвыперизподвыпертый коллайдер делается сложнее всех! Берется экспрааприаторный и респерспективненький коллайдер. Очищаем бутылки от всей ентой дряни, затыкаем дырки фольгой, берем сигарету, закуриваем и прожигаем дырочку в боковой поферхности корпуса нашего подвыперизподвыпертого коллайдера. Теперь при помощи гашишевого топлива мы можем разгонять свой мозг до скорости приближающейся к скорости света, где в последствии образуются черные дыры.
Топливо для коллайдера
Все перечисленные в данном обзоре коллайдеры работают на биотопливе. Как правило, поставщиком оного является Средняя Азия. Но правительство многих стран не дремлет, из-за запрета на “временные переходы в другие миры” (УК РФ) топливо для колайдеров под бооольшим запретом. Данный запрет был введён по предварительному сговору правительств многих стран с инопланетным разумом, так как представителей внеземного разума задолбали гастарбайтеры-земляне, появляющиеся в их параллельных мирах после применения адронного коллайдера.
Как сделать из подручных материалов небольшой андронный коллайдер?
Необходимо провести несколько экспериментов на дому.
Нет ничего проще. Адронные коллайдеры делятся на три типа.
1) Большой. Требуют огромных трудозатрат, и хороших навыков работы лопатой. Единственный экземпляр такого рода, безработные Французские энтузиасты с большим трудом собрали из отходов мусорной свалки, неподалеку от Женевы.
2) Средний. Его постройку и будем рассматривать.
3) Наладонный. К сожалению их выпуск для изготовлений в домашних условиях ещё не налажен в виду отсутствия в продаже необходимых нанониток и наноиголок.
Переходим к изготовлению.
Первым делом вам понадобится сварить из подручных материалов сам коллайдер. Схема прилагается:
Но сам коллайдер ничто без хорошего ускорителя адронов:
И главное, это крайне тонкая настройка ускорителя адронов, относительно самого коллайдера. Рекомендую заниматься этой настройкой только по утрам, не снимая ласт и водолазного костюма. :о)))
Все до безобразия просто.
Берете двух Андронов (можно просто двух человек мужского пола, но точность будет ниже).
Просите их разбежаться навстречу друг другу и сталкиваете их.
Адронный коллайдер! Андрон по гречески мужской, коллайдер сталкиватель, спихиватель. Так что у каждого мужчины свой коллайдер в штанах. Его и делать не нужно.
Что касается коллайдера для разгона частиц, то для начала нужно приобрести катод, насыщенный ионами водорода. Подвести к нему импульсное напряжение каких-то 750 Киловольт. И обеспечить инжекцию протонов. Далее эти протоны пустить по ускорителю с магнитами из сверхпрододника. Понадобиться криогенная машина с охлаждением до четырех градусов Кельвина.Короче миллиардов 10 понадобится для всех деталей на дому. Ну и участок нужен земли километров 80 на 80!
Большой адронный коллайдер закрыли для ремонта и переоборудования всего на два года. Снова его открытие намечается на 2012 год, после чего он должен заработать с большей мощностью. Следующее переоборудование намечается на 2026 год.
Завершить строительство коллайдера НИКИ планируют в 2020 году, во всяком случае, именно на этот год намечен ввод в эксплуатацию нашего коллайдера. Ну а там уж как получится, в нашей стране точно никто никакую дату вам не назовет.
Если перевести дословно сталкиватель протонов. Он представляет из себя многокилометровый подземный туннель, в котором вставлены огромные электромагниты, в центре которых труба с глубоким вакуумом. В трубе в магнитном поле за счет силы Лоренца разгоняются протоны до огромных скоростей, близких к скорости света, и затем сталкиваются на мишени. При этом происходят различные ядерные реакции, по которым ученые исследуют вещество. В частности намереваются открыть бозон Хигса. И вроде последние эксперименты были удачными.
Энергия на адронном коллайдере это не вполне кинетическая энергия протона. Там всё-таки встречные пучки, причём один пучок шустрее другого, и к тому же там закладывается такая мелочь, как энергия покоя протона, но если на эту мелочь плюнуть (одна семитысячная от общей энергии) и перейти для расчёта скорости в систему отсчёта одного из протонов, то получится, что второй протон приближается к нему со скоростью 0,999999989795918 с. С учётом того, что современные экспериментальные данные по определению скорости света дают погрешность плюс-минус пять метров в секунду, переводить полученное значение в единицы СИ я не стану. А то ещё и погрешность указывать придётся.
тем не менее приходится использовать формулы СТО
у меня получилось 0,861241018791062 с
можно и по стандартной mv^2/2, но раз уж у меня настучался алгоритм в СТО, то будем всё считать в одном формате
скорость 0,008943914160588 c
таким образом, по отношению к скорости на ускорителе Лоуренса
скорость на ускорителе Альвареса в 96,3 раза выше
на БАК (при вышеупомянутых оговорках) в 111,8 раз выше
Самое убойное: на БАК выше, чем в 46-м году прошлого века, всего-то на 16%.
Семь вопросов про российский коллайдер NICA
Рассказываем простым языком о сложных вещах
Многие уже знают, что коллайдер – это такая штука, в которой учёные сначала разгоняют, а потом сталкивают разные частицы и смотрят, что из этого получится. Но не все догадываются, что Большой адронный коллайдер* далеко не единственный в своём роде. Разобраться в тонкостях отечественного коллайдеростроения нам помог главный конструктор проекта NICA – MPD Николай Дмитриевич Топилин.
А что, у нас есть коллайдер?
Да. Его строят в Дубне (Подмосковье), на базе Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ). Носит он красивое имя “Ника” (NICA), что расшифровывается как Nuclotron-based Ion Collider fAcility – сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжёлых ионов. Строительство началось в 2013 году вокруг «Нуклотрона», запущенного ещё в 1993-м. Первый запуск запланирован на 2022 год.
Чем он отличается от Большого?
Большой коллайдер (БАК) называется адронным, так как в нём сталкиваются частицы адроны. В нашем же приставки «адронный» нет, так как сталкивать будут другие вещи.
– В мире много коллайдеров – как готовых, так и в процессе строительства. И каждый из них рассчитан на разгон определённых частиц. Большой коллайдер был заточен на подтверждение существования частицы Хиггса. Он разгоняет протоны, наш будет разгонять ионы золота 57-й зарядности. Задачи у коллайдеров разные – это их основное отличие, – говорит Николай Топилин.
Непохожи NICA и БАК размерами. Большим наш коллайдер никак не назовёшь, скорее крошечным. Для сравнения: у БАКа длина кольца для разгона частиц равняется 27 км, у NICA – всего 500 метров.
А зачем нам такой маленький коллайдер?
Размер нашего коллайдера вовсе не умаляет его значимости для науки.
– Да, наверное, он у нас самый маленький в мире, но зато удаленький, – отвечает конструктор. – Как я уже говорил, решаются разные задачи. Допустим, если вам на огород нужно немного песка привезти, вы же не карьерный самосвал заказываете. Так и здесь. БАК работает на одних энергиях, наш на других – более низких. Ещё один пример: если вы плеснёте кружку воды на раскалённые камни, то увидите воду и пар, больше ничего. А если вы потихоньку нагреваете воду в кастрюльке на плите, то заметите образование пузырьков, их схлопывание, кипение и так далее. То есть вы видите переходные процессы. Для этого не нужна огромная энергия, а скорее наоборот. Вот и нашу «Нику» можно сравнить с кастрюлькой на плите, а БАК – с раскалёнными камнями.
Какая от него польза?
Главная задача, которая стоит сейчас перед NIСA, – изучение структуры Вселенной примерно на десятой микросекунде после Большого взрыва, произошедшего около 13 миллиардов лет назад. Но это не единственное предназначение отечественного коллайдера.
– Во-первых, это развитие фундаментальной науки, – отвечает инженер. – Когда мы строим коллайдер, мы работаем со сверхвысоким вакуумом. Вакуум, который недостижим на расстоянии ближайшей тысячи километров от Земли. Получить его на нашей планете можно только в специальных условиях, с NICA же мы создаём вселенную в лаборатории. Это неизученная часть физики, поэтому всем интересно, что же там будет происходить.
Пригодится коллайдер для изучения и освоения космоса, в медицине, при создании принципиально новых материалов и технологий и даже для утилизации радиоактивных отходов.
– У нас в лаборатории есть установка, которая уже десятки лет работает на медицину, здесь изучаются новые методы лечения раковых опухолей. В рамках подготовки полёта на Марс в нашей лаборатории проходят эксперименты, которые помогут понять влияние радиации на человека. Также у нас есть проект «Энергия трансплантации», где мы изучаем на пучках наших ускорителей процессы, которые потом позволят перерабатывать ядерные отходы в невредные и параллельно получать из них энергию. Всё это уже помогает изучать само строительство коллайдера, – продолжает учёный.
Коллайдер – это путь в неизведанное?
– Не совсем. Практически всё, что изучается, заранее предсказывается теоретически. Если вы загуглите, зайдёте на сайт проекта NICA, то там уже всё есть, даже диаграммы нарисованы. Непосвящённый человек подумает: зачем строить такую дорогостоящую штуку, вот уже всё написано, подсчитано и даже на картинках нарисовано. Ну а кто сказал, что это действительно верно?! Поэтому нужно всё проверить опытным путём, – говорит Николай Топилин.
Кстати, учёные уже давно рассчитали, что было в первые секунды Большого взрыва.
– Была барионная материя. Если сравнивать, то это как каша. На первых секундах (точнее – десять в минус шестой секунды) эта каша состояла из протонов и нейтронов. Насколько горячо? 10 в 13 степени градусов. Нарисуйте 10 и ещё 13 нулей добавьте. Сто градусов – уже кипяток, при одной – полутора тысячах градусов плавится металл, пять тысяч градусов – плазма; это всего три нуля, а здесь будет тринадцать. Через 3 минуты в этой каше уже шло образование лёгких ядер. Через триста тысяч лет станет попрохладнее. Всего лишь три тысячи градусов. А миллиард лет назад уже появилась комфортная «космическая» температура. Вселенная расширяется, плотность падает, температура падает, – делится с Metro конструктор проекта.
Сколько стоит коллайдер?
Понятно, что коллайдер – игрушка дорогая. Только та деталь, которую называют «сердце» коллайдера, стоит 17 млн долларов. Есть запчасти подешевле: например, магнитопровод стоит полтора миллиона евро.
– Стоимость всего проекта сейчас трудно озвучить. Начали 10 лет назад, он ещё не закончен, влияют колебания курса и так далее. В начале предполагалось, что проект будет стоить 147 млн долларов. Во сколько он реально обойдётся, трудно сказать. Наверняка больше, так как меньше не может быть по определению, – говорит профессор.
А вдруг иностранцы опередят наши открытия?
Как уже говорилось, коллайдеров в мире строят просто пруд пруди. В ЦЕРН (ребята, которые построили Большой адронный) уже анонсировали проект, по сравнению с которым сам БАК будет выглядеть детской игрушкой. Будущий кольцевой коллайдер FCC (Future Circular Collider) расположится на территории Франции и Швейцарии и будет иметь периметр 100 км (против 27 км Большого). Но оказывается, что в вопросах, связанных с коллайдерами, нет такого, как в «гонке вооружений».
– Это же практически всё международные проекты. Мы не конкурируем, а сотрудничаем, – делится Николай Дмитриевич. – Часто везде работают одни и те же люди. Наши работы дополняют друг друга. Если на каком-то коллайдере появились данные, то ими гордятся и делятся. В Германии сейчас строится аналогичный с NICA проект. И мы с ними будем одновременно заниматься одним и тем же. Если в двух научных центрах будут работать над одной тематикой, то можно сравнить результаты и убедиться в их правильности. Мы активно привлекаем, открыто приглашаем учёных, инженеров со всего мира, наши специалисты посещают другие конференции. И везде мы пропагандируем наш проект. Работы очень много, непочатый край.
* cамый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женевы. В своё время было очень много опасений, что его испытания могут привести к концу света.
Большой адронный коллайдер. Есть ли у него будущее?
Большой адронный коллайдер был запущен 10 сентября 2008 года и стал ключевым научным проектом начала 21 века. Сюда стекались лучшие умы и инвестировали миллиарды долларов. Но стоило ли оно того?
Давайте посмотрим на открытия, совершенные с использованием БАК.
Спустя год, в 2013 году, Питеру Хиггсу была присуждена Нобелевская премия по физике за «теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц».
И хотя Стандартная модель подтвердилась,ученые до сих пор находятся в тупике, ведь такая модель не может объяснить действие гравитации и идет вразрез со знаниями о темной материи. Есть вероятность, что удастся доказать суперсимметрию, но пока мощностей коллайдера на это не хватит.
О том, как эти знания пригодятся нам дальше можно только фантазировать. Впереди у ученых много лет работы по изучению свойств кварков и выявления топ-кварков (сверхтяжелых элементов).
За время своей работы до 2018 года БАК поставил больше вопросов, чем дал ответов. Сложнейшее устройство коллайдера требует постоянной технической поддержки и затратной модернизации.
В настоящее время работа БАК приостановлена ради модернизации: увеличения скорости разгона и “светимости” коллайдера в 2 раза. И есть вероятность, что апгрейд затянется до 2026 года, а возможно от проекта и вовсе откажутся в пользу циркулярного коллайдер (FCC). Радиус циркулярного коллайдера может составлять от 80 до 100 километров, что сильно увеличит интенсивность движения частиц частиц при температуре до 100 тераэлектронных вольт (ТэВ). В то время, как коллайдер в Церне работал при температуре 14 ТэВ.
Большой адронный коллайдер оставил после себя много вопросов. Как в мире физики, так и в мире экономики. Стоили ли эти открытия 5,5 млрд. долларов?
Найдены возможные дубликаты
Лига Физиков
35 постов 377 подписчиков
Правила сообщества
Запрещено:
— Оскорблять участников сообщества, а так же пользователей Пикабу.
— Публиковать посты, которые не относятся к физике
— Рекламировать кого-либо, чего-либо
— Нарушать правила Пикабу.
Сейчас схема строения атома выглядит так: ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Ядро состоит из нейтронов и протонов. Эти частицы вместе называются барионами («тяжелые» по-гречески). Позже выяснилось, что барионы состоят из трех кварков, а еще один важный класс частиц — мезоны — состоит из кварка и антикварка.
Даёбанныйврот, кто так объясняет?! Ядро состоит из барионов (нейтронов и протонов), ОК.
Из трёх кварков состоит каждый из нейтронов и каждый из протонов? И что с их массами и размерами? И как заряд нейтрона нейтральный если составных частиц нечётное количество?
И самое главное, откуда в тексте объяснения строения атома взялись мезоны? Просто принимаем текст и едем дальше?
В физике высоких энергий совершенно нормально, когда установка уже лет 15 как разобрана, а данные от проведенного эксперимента все обрабатываются и обрабатываются. В данном случае, я думаю, предварительные [научные] итоги можно будет подвести лет через 15-20. Как никак, крупнейший ускоритель в мире. При этом не исключено, что к Этому Массиву Данных физики будут возвращаться и через 50, а может и через 100 лет, для проверки новых теорий и гипотез, которые будут возникать.
Разве теория что «электроны вращаются» не устарела лет 50 назад?
А так-то да, сколько ж картошки можно было вместо коллайдера купить!
Пифагор был немытый, а Архимед с голой жопой рассекал
Годовой военный бюджет США за 2019 год составил 716 миллиардов долларов. Только их одних. Стоит того, как вы считаете?
Учитывая затраты на рекламу только в сети за 2019 (порядка 32 лярдов баксов ), вопрос смешон.
В земных условиях практического применения нет. Как жгли уголь, как грели воду, так и будем дальше, хоть ядерным синтезом, хоть дровами.
Конечно стоит. Хохлам в долг дали столько же. А тут в науку вложили, с пользой потратили.
Этот коллайдер может сделать так что будущего не будет у нас
Модернизацию наших дорог можно прировнять к коллайдеру, принцип и затраты схожие.
Зачем нужен магнит, для доставки которого в Дубну обесточили полгорода
В прошлую пятницу многие жилые дома подмосковного города Дубны остались без электричества, воды и отопления. Закрылись некоторые магазины, перестал работать сайт местного Объединенного института ядерных исследований. Дубненский «конец света» не стал сюрпризом для тех, кто обратил внимание на листовки, которые появились в городе накануне. Те предупреждали, что с 10 до 12 часов «будет осуществляться перемещение магнита MPD для проекта NICA от причала на реке Дубна до площадки Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ».
Магнит для детектора MPD в путешествии по Дубне.
Дубненский коллайдер
Коллайдер — это один из типов ускорителей, в котором разогнанные заряженные частицы — электроны, протоны, ионы и так далее — сталкиваются с другими такими же частицами. Коллайдеров в мире много: прямо сейчас работает семь, а самый известный из них — Большой адронный коллайдер — использует в качестве снарядов протоны (на нем проводятся и эксперименты с ионами свинца, но это не основная часть его рабочего времени), и предназначен для поиска новых частиц и «новой физики».
Коллайдер NICA, который уже давно строится в Дубне, будет сталкивать тяжелые ионы и изучать экстремальное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. Ее температура и плотность настолько высока, что осколки элементарных частиц, кварки, не «склеиваются» в адроны, частицы привычной для нас материи (глюоны, соответственно, это тот самый «клей», калибровочный бозон, который отвечает за сильное взаимодействие кварков друг с другом).
У кварк-глюонной плазмы, как у любого другого вещества, есть фазовая диаграмма. В случае воды эта диаграмма показывает, как на координатной плоскости «температура — давление» проходят границы между тремя агрегатными состояниями — жидкостью, газом (паром) и твердым состоянием (льдом). На этой плоскости есть критические точки, например, тройная точка воды, где все три ее состояния могут существовать одновременно. Ученые рассчитывают с помощью «Ники» выяснить, как выглядит фазовая диаграмма кварк-глюнной плазмы, и где на ней находятся критические точки.
Фазовая диаграмма адронного вещества. По оси x отложена плотность вещества, по оси y — температура. Источник: nica.jinr.ru
Для того, чтобы получить кварк-глюонную плазму и разобраться в том, что в ней происходит, недостаточно просто столкнуть ионы в коллайдере. Нужно еще собрать данные о результатах этого столкновения. Для этого, помимо ускорителя и источника частиц нужны детекторы в точках столкновения пучков ионов.
Зачем нужен магнит?
В сентябре 120-тонный саркофаг ярко желтого цвета погрузили в порту Генуи на корабль, который отправился в Петербург. 28-го октября его пересадили уже на речной транспорт, и неделю спустя баржа встала на рейд строго на границе между Тверской и Московской областью — на реке Дубна. На следующий день к ней подогнали плавучий кран, тот перегрузил итальянскую посылку с баржи на автомобильный тягач, и тот отправился с берега Дубны в Лабораторию физики высоких энергий. Под эту трехкилометровую поездку пришлось обесточить несколько районов города: саркофагу высотой семь метров надо было проехать под линиями электропередач, которые висели слишком низко — поэтому линию отключили а провода приподняли краном, чтобы пропустить под ними грузовик. Поскольку водоснабжение и вышки сотовой связи тоже нуждаются в электричестве, часть жителей города осталась без воды и связи.
Внутри «коробки», проделавшей этот путь — главный элемент детектора MPD (Multi-Purpose Detector). В центре этого детектора, похожего по форме на гигантскую металлическую бочку, и будут сталкиваться пучки тяжелых ионов. Детектор будет определять массу и скорость всех получившихся при столкновении осколков и новых частиц. А физики, анализируя эти данные, будут реконструировать физические процессы, возникающие при столкновениях. Точно так же данные о столкновениях собирают детекторы Большого адронного коллайдера CMS и ATLAS, которые почти десять лет назад засекли следы рождения бозона Хиггса, существование которого было предсказано за полвека до того.
«Если речь идет о столкновениях ядер [атомов] золота с прицельным параметром (максимальным отклонением от центра), скажем, пять фемтометров, то при каждом столкновении будет рождаться около двух тысяч заряженных частиц. Частота таких столкновений при проектной светимости коллайдера будет около 7 тысяч в секунду, то есть 7 килогерц. Детектор должен каждую из таких частиц зафиксировать, то есть определить, что это за частица, измерить ее траекторию», — объясняет Кекелидзе.
Сборка детектора MPD
Роль главного «чувствительного элемента» в MPD играет камера TPC (Time Projection Chamber — «времяпроекционная камера»). Это тоже бочка — диаметром 2,6 метра и длиной 3,4 метра, которую посередине пересекает «перепонка»-катод, подключенная к источнику высокого напряжения. «Дно» и «крышка» бочки — это аноды. Пространство в бочке заполнено инертным газом (90 процентов аргона и 10 процентов метана). Когда заряженная частица пролетает сквозь него, она ионизирует его и получившиеся электроны начинают дрейфовать к анодам, где их встречают позиционные детекторы, которые определяют не только точку прихода этих электронов, но и время их прихода.
«Точка определяет позицию X-Y, а время — если знать скорость дрейфа электронов с учетом напряжения — определяется расстоянием вдоль оси этого цилиндра», — говорит Кекелидзе.
Помимо TPC в детекторе есть еще несколько чувствительных элементов: времяпролетная камера (TOF), которая восстанавливает траекторию полета, калориметры, осевые детекторы — все они призваны собрать достаточно данных, чтобы восстановить трехмерную картину разлета «осколков» с помощью дубненского суперкомпьютера «Говорун».
Однако вся эта машинерия будет бесполезной, если не будет выполнено главное условие: в камере детектора должно было постоянное магнитное поле определенной конфигурации. Магнитное поле играет роль той «руководящей и направляющей силы», благодаря которой заряженные частицы летят не в случайных направлениях, а по траекториям, которые определяются их скоростью и массой.
TPC-камера в процессе сборки
В однородном магнитном поле заряженные частицы летят по криволинейной траектории, поворачивая поперек силовых линий. На этом эффекте построен принцип действия масс-спектрометров: чем круче поворачивает частица в магнитном поле, тем меньше ее масса.
«По радиусу траектории и величине магнитного поля можно однозначно определить импульс частицы. Если вы знаете импульс, вы можете измерить ее массу. Если у вас будет время пролета, оно даст вам скорость. Зная скорость и импульс, вы можете посчитать массу и восстановить всю кинематику миллионов рожденных при столкновении частиц», — говорит Кекелидзе.
Чтобы эта восстановленная картина была достаточно точной, нужно, чтобы магнитное поле было очень, очень однородным. «Перед разработчиками магнита была поставлена задача, чтобы во всем объеме TPC-камеры — 2,6 метра на 3,4 метра — поле было идеально, чтобы силовые линии были точно параллельны оси. Мы потребовали такой однородности, которой еще ни в одном эксперименте я не помню», — говорит ученый. Магнитное поле MPD не слишком велико — 0,5 теслы, максимум — 0,65 теслы. Похожий соленоид детектора CMS рассчитан на поле 4 теслы. Однако здесь самое важное не «сила» магнита, а его «точность».
Конфигурация магнитного поля в детекторе MPD
Отношение поперечной составляющей поля к осевой должно быть не более, чем 3*10⁻⁴ Любое отклонение будет означать, что вся установка будет бесполезна для ученых. Если поле будет неоднородным, у вас будет ошибка измерений параметров, а значит научный результат вы получить не сможете.
Как строили магнит
Итальянская компания ASG Superconductors специализируется на производстве мощных сверхпроводящих магнитов, именно здесь делали значительную часть магнитов как для Большого адронного коллайдера и его детекторов CMS и ATLAS, так и для его предшественника — электрон-позитронного коллайдера LEP.
Магнит для детектора MPD устроен примерно так же, как магнит детектора CMS. Это два вложенных друг в друга цилиндра из нержавеющей стали диаметром 5,4 метра и 4,6 метра. Торцы закрыты фланцами. В пространстве между ними — катушка с намотанным на нее сверхпроводящим кабелем общей длиной 27 километров и массой 6,4 тонны, и трубки системы охлаждения. В пространстве между цилиндрами должен поддерживаться вакуум (10−5 торр — примерно одна десятитысячная доля миллиметра ртутного столба).
Несмотря на сходство с магнитами для Большого адронного коллайдера, магнит для MPD — штучное изделие. По словам Кекелидзе, только для того, чтобы создать инструменты и оснастку для постройки, понадобилось два года. Пришлось повозиться и со сверхпроводящим кабелем. Первоначально планировалось заказать его компании из Бразилии, но кабель был забракован, потом из Америки — тоже не пошел. В конце концов японский вариант подошел. Только работа с кабелем заняла полтора года.
Сверхпроводящий кабель сделан из собственно сверхпроводящего провода (сплав ниобия и титана), и матрицы из сверхчистого алюминия, в которую он внедрен. Для того, чтобы намотать получившийся кабель на катушку, потребовалась построить намоточную машину высотой с трехэтажный дом, — сложное инженерное сооружение, с электромоторами, точной подачей, с контролем намотки. После намотки катушку залили густой жидкостью на базе эпоксидной смолы и запекли в специально построенной печи. Нельзя было допустить, чтобы даже один пузырек воздуха остался в этой смоле. Пришлось бы все делать заново.
Соленоид с системой труб системы охлаждения поместили в вакуумный криостат и примерно год испытывали и проверяли. Затем магнит уложили в специально построенный семиметровый саркофаг, оснащенный датчиками ускорений, и 18 сентября отправили морем из Генуи в Петербург. Всего постройка магнита заняла почти пять лет — переговоры российских физиков с подрядчиками начались еще в 2014 году, а формальный контракт подписан в 2016 году.
Пока саркофаг будет стоять на специальных опорах в экспериментальном зале детектора MPD. Вскроют его только после того, как в Дубну приедут итальянские специалисты. Те должны будут, в частности, проверить датчики ускорений: нужно убедиться, что в процессе перевозки магнит нигде не «приложили». «Надеюсь, что пандемия не задержит их приезд», — говорит Кекелидзе.
После того, как саркофаг будет вскрыт, криостат установят в железное «ярмо» детектора. Оно собрано пока что лишь наполовину и стоит в экспериментальном зале на рельсах, в стороне от линии, по которой в будущем будет лететь поток тяжелых ионов. Когда коллайдер начнет работать, детектор нужно будет просто подкатить к этой линии.
Сборка ярма детектора MPD
Сложность заключается в том, что точность размещения криостата, точность самого ярма должна быть очень высокой. Несмотря на большие размеры и вес, речь идет о «сотках», то есть точность позиционирования составляет 300-400 микрон. От этого зависит качество магнитного поля.
Потом начнется процедура подключения. «Туда надо вести криогенные линии с гелием, с азотом, коммуникации, и все это надо подключить к большой криогенно-компрессорной станции, которая сейчас еще строится. Это крупнейшая в России криогенно-компрессорная станция по сжижению жидкого гелия наработке жидкого азота. Туда подключаются все силовые линии, источники питания, коммуникации. Мы надеемся, что все это будет закончено где-то к весне», — говорит ученый.
Криостат с магнитом после установки в ярмо детектора MPD
Когда все линии будут подключены, специалисты начнут тестировать магнит, чтобы убедиться в устойчивости магнитного поля, что все сооружение в целом выдерживает нагрузки. Начнутся измерения магнитного поля. Для этого в ЦЕРНе специально по заказу ОИЯИ изготовили измеритель магнитного поля. Похожий измеритель на базе датчиков Холла использовался для измерения поля на детекторах Большого адронного коллайдера.
По словам Кекелидзе, специально для измерений в Дубну приедут специалисты ЦЕРНа. «Часть из этих ребят из ЦЕРНа уже вышла на пенсию в этом году, мы должны будем извлечь их из пенсионного отдыха во Франции и Швейцарии. Но они сами переживают за нас и готовы помочь, приехать. Месяц-два будем измерять магнитное поле. Когда магнитное поле будет измерено, только тогда закончится наш контракт с итальянцами, потому что они отвечают за параметры магнитного поля, которые там должны быть достигнуты».
Углепластиковая ферма для детектора MPD, желтым показаны гнезда для калориметров
Только после этого сборка детектора продолжится: внутрь криостата будет установлена углепластиковая ферма, которую создают в подмосковном ЦНИИ специального машиностроения. В эту раму будут помещены электронные калориметры, TPC-камера и другие «чувствительные элементы» детектора.
«Мы надеемся, что сборка закончится в середине 2022 года, — говорит Кекелидзе. — Тогда начнется калибровка и тесты, подключится весь компьютинг и онлайн-системы, все кабели, коммуникации. Начнем испытывать это все на космиках (частицах космических лучей) и проводить калибровки с тем, чтобы к концу 2022 года, когда появятся первые пучки, закатить на место и начать набор данных. Такой план».