Когда погасли огни

Второй по мощности в мире ускоритель прекратил работу

30 сентября 2011 года ускоритель Тэватрон официально завершил свою работу - в аппарат перестали поступать протоны и антипротоны для столкновений. На то, чтобы сверхпроводниковые магниты ускорителя разогрелись от "привычных" им 4,8 кельвинов до нормальных температур, уйдет неделя, а отключать детекторы (для этого, среди прочего, из них необходимо удалить охлаждающую жидкость) будут до конца декабря.

В 70-х годах прошлого века Стандартная модель, описывающая элементарные (и не очень) частицы, чувствовала себя не столь уверенно, как сейчас. Одной из основных задач было обнаружение важных частиц, существование которых предсказывалось теоретически, однако на практике их зарегистрировать не удавалось - речь идет о t-кварке (существование остальных пяти ароматов на тот момент было уже подтверждено), тау-нейтрино (ее существование было подтверждено косвенно), Z- и W-бозонах (которые являются переносчиками слабого взаимодействия).

За право дополнить (или опровергнуть, кому что интереснее) сошлись две организации - американский Фермилаб и европейский CERN. Не стоит недооценивать дух соперничества между физиками - это была настоящая война идей. Европейцы сделали ставку на скорость строительства и сравнительную простоту - их Протонный суперсинхротрон (SPS) с длиной кольца 6,9 километра вышел на полную энергию в 500 гигаэлектронвольт уже в 1976 году. В 1981-м, после небольших усовершенствований, в нем начались столкновения пучков протонов и антипротонов, которые в 1983 позволили зарегистрировать Z- и W-бозоны.

Американцы из Фермилаб, что рядом с Чикаго, в свою очередь, решили сделать ставки на инновации. Их проект был больше (правда, не по длине - кольцо у Тэватрона "всего" 6,3 километра), стоил дороже и требовал создания технологий, которых на тот момент не существовало в природе, однако он обещал почти десятикратное превосходство по мощности в сравнении с Протонным суперсинхротоном.

Главной особенностью нового проекта должно было стать практическое использование сверхпроводящих проводов и магнитов. Это был очень рисковый шаг по многим причинам. Во-первых, на тот момент физики понимали это явление хуже, чем сейчас. Во-вторых, никто не пробовал использовать сверхпроводимость для каких-либо практических целей. Однако проект был принят.

Строительство ускорителя заняло несколько лет, потребовав создания крупнейшего на тот момент в мире криогенного комплекса, единственной целью которого было поддерживать низкую температуру 774 магнитов и миллионов километров кабелей, сплетенных из тончайшей проволоки, выполненной из сплава ниобия и титана. В какой-то момент во время строительства 95 процентов от всех материалов, пригодных для получения сверхпроводимости, в мире находилось в Фермилаб. Созданная для строительства ускорителя инфраструктура после завершения этого самого строительства никуда не делась - технологии, разработанные для Теватрона, используются, например, в современных томографах (прекрасный пример "бесполезности" фундаментальных исследований).

Первые протоны прошли по кольцу коллайдера 2 июля 1983 года, и сразу ускоритель установил рекорд - энергия пучка составила 512 гигаэлектронвольт. В августе этого же года началось строительство источника антипротонов, пучки которых предполагалось сталкивать с пучками протонов. Пока велись работы, физики не сидели сложа руки, доводя работу Тэватрона до необходимого уровня эффективности. Первые столкновения частиц и античастиц на ускорителе состоялись 13 октября 1985 года.

Следующие десять лет коллайдер продолжал работать и получать данные. Основными его детекторами стали CDF и D0 (еще встречается написание DZero). Такие же имена получили коллаборации ученых со всего мира - примерно 600 и 550 человек соответственно, - которые участвовали в анализе собранных ускорителем данных.

Звездный час инструмента наступил в марте 1995 года. Сразу обе коллаборации представили в журнал Physical Review Letters свои статьи (тут и тут), в которых говорилось, что ученым удалось зарегистрировать недостающий t-кварк. На настоящий момент это самая массивная из известных нам элементарных частиц - ее масса составляет примерно 173 гигаэлектронвольта на с2 (согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2, массу вполне можно измерять в единицах энергии, поделенных на с2). Он в 100 тысяч раз тяжелее своего самого легкого родственника - u-кварка, и по массе вполне может сравниться с атомом вольфрама. Именно большая масса стала причиной того, что потребовались высокие энергии для получения этой частицы. Надо отметить, что в Европе в это время вовсю уже работал Большой электрон-позитронный коллайдер, который располагался как раз в том тоннеле, где ныне работает Большой адронный коллайдер (ученые надеялись найти на этом ускорителе бозон Хиггса, однако, сделать это за 11 лет работы ускорителя так и не получилось).

Еще раз Тэватрон показал себя в 2000 году. Именно тогда детекторам удалось впервые напрямую зарегистрировать тау-нейтрино - косвенные доказательства существования этой частицы были получены еще в 70-х годах прошлого века. Этими двумя эпизодами, однако, открытия, сделанные при помощи ускорителя, конечно, не исчерпываются - были обнаружены два разных механизма производства t-кварка, частица Y(4140) (она была найдена в 2009 году и ее существование не предсказывается Стандартной Моделью), пять B-барионов и многое другое. Физики стали лучше понимать причины того, почему, например, в видимой Вселенной доминирует обычная, а не антиматерия. Вообще за время работы коллайдера было защищено порядка 1000 кандидатских диссертаций по данным столкновений пучков и 400 кандидатских по результатам бомбардировок фиксированных мишеней.

Главным достижением, однако, можно считать то, что за 28 лет работы ускоритель убедил физиков в истинности Стандартной Модели как таковой. Единственное, что ему не удалось сделать, - это завершить теорию, найдя единственную недостающую с 60-х годов прошлого века частицу - бозон Хиггса (хоть аппарат и позволил получить на массу этой частицы, которая, скорее всего, будет тяжелее самого t-кварка, довольно хорошие ограничения). Вместе с тем только от БАК зависит, пройдет ли Стандартная Модель окончательное испытание - многие физики, работавшие с Тэватроном, в будущем вполне могут присоединиться (правда, от ускорителя еще осталось данных на несколько лет работы) к коллаборациям CERN.

Надо думать, Фермилаб найдет, как использовать освободившиеся ресурсы. На фоне обнаружения итальянским детектором OPERA сверхсветовых нейтрино внимание мирового научного сообщества обратилось к MINOS - эксперименту в Фермилаб, в рамках которого протоны из Главного инжектора (один из ускорителей, который подготавливал пучки для Тэватрона) бомбят графитовую цель, а получившиеся нейтрино летят сквозь Землю в Миннесоту. По мнению многих ученых, это единственный аппарат, который способен проверить данные OPERA. По данным New Scientist, если задача проверки будет поставлена, то первые данные можно будет получить уже в 2014 году.

Также известно, что после разборки ускорителя часть кольца превратят в музей. "Это будет стоить несколько миллионов долларов, и эти деньги мы уже получили. Примерно через год мы сможем принять первых гостей", - приводит РИА Новости слова руководителя коллаборации D0 Дмитрия Денисова. Наконец, уже давно ходят слухи, что Фермилаб вынашивает планы строительства нового ускорителя.

Наука и техника00:01Сегодня

«Мы получим новый Чернобыль»

Главную русскую реку превратили в ядовитую помойку. Это угрожает всей России