Малый адронный коллайдер. – Блог Антона Чубукова — LiveJournal
Напоминаю, что много забавных текстов на научную тематику можно найти в сообществе vesiolaya_nauka
Представляем новейшую совместную разработку отечественных и европейских ученых – бытовой малый адронный коллайдер МАК 001б.
Это многофункциональное устройство, впервые позволяющее использовать в офисе и дома уникальные свойства черных дыр, магнитных монополей и странных капелек. Изобретение удивительного аппарата стал возможен благодаря соединению новейших открытий мировой науки, опыта и традиций швейцарских мастеров из ЦЕРНа, а также народной мудрости наших пращуров.
Принцип работы МАК 001б основывается, как и у его старшего брата – большого адронного коллайдера – на эффектах, которые вызываются столкновениями элементарных частиц на больших скоростях. Самое широкое применение на работе и в быту получили КОМПАКТНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, которые с высокой надежностью проделывает во времени и пространстве МАК 001б.
Поглощая окружающую материю, черная дыра заменит вам:
Будьте осторожны! Не допускайте попадания черной дыры в кошелек или холодильник и размещайте черные дыры в местах, недоступных детям.
Приносим извинения – в силу независящих от нас причин, устройство будет бесполезно в ряде министерств и ведомств, занимающихся распределением бюджетных средств, на постах ДПС а также на всей территории Чеченской республики, т.
к. там уже действуют мощные стационарные черные дыры.
Черная дыра с паутинным креплением и подсветкой для ночного обнаружения.
Помимо черных дыр МАК 001б способен в большом количестве ВЫРАБАТЫВАТЬ СТРАПЕЛЬКИ – частицы странной материи, без которых вы, вскоре, уже не будете представлять своё домашнее хозяйство. В первую очередь, они служат экологически чистым и абсолютно безопасным чистящим средством.
Садоводы! Опрыскайте страпельками ваши грядки и плодовые деревья – они уничтожат вредителей, укрепят корневую систему, увеличат скорость протекания фотосинтеза и многократно повысят урожайность! Наши бабушки и дедушки со станции «Новодачная» советуют опрыскивать растения страпельками, пока растущая Луна находится в пятой четверти, и не рекомендуют производить обработку, если Луна обращается вокруг Земли.
Внимание! Не используйте страпельки для мытья волос или чистки шерстяных вещей, так как это может вызвать грозу.
Еще одна функция этого чудо-аппарата – ОБРАЗОВАНИЕ МОНОПОЛЕЙ. Издавна людям известно, что у любого магнита есть два полюса. Столь же давно были замечены лечебные свойства магнита, которые благотворно влияет на человеческие органы. Но разве кто-то скрывает тот факт, что разные недомогания излечиваются воздействием разных полюсов магнитов? Например, при растяжении к мышце следует приложить северный полюс, а при ушибе – южный. Во многих случаях, воздействие другого полюса магнита только вредит органу. С изобретением МАК 001б мы получили уникальную возможность использовать магниты лишь с одним полюсом. Отныне вам больше не нужно переплачивать за второй!!!
Использовать опытную версию МАКа Гусу Хиддинку посоветовали спортивные врачи национальной сборной по хоккею. Результат не заставил себя ждать!
Поделимся секретом – женщины из команды разработчиков стали носить монополи в качестве украшений и стали по-настоящему притягательны.
Ведь теперь у них есть «притягивающая» часть магнита, но нет «отталкивающей»!
Звоните по нашему телефону, приобретайте МАК 001б, и вы получите в подарок распылитель, дозиметр для страпелек, торшер для черной дыры и набор фирменных затычек. Это не всё. Мы подарим вам уникальное средство для борьбы с лишним весом – упаковку наноколлайдеров! Изобретение этих устройств стало следующим прорывом национального проекта после укладки нанослоя асфальта на трассу Москва – Санкт-Петербург.
После приёма во внутрь коллайдеры находят жировые клетки и безболезненно засасывают их в наноразмерные черные дыры. Выполнив свою службу, и черные дыры, и коллайдеры выводятся из организма естественным путем.
Запомните – настоящий адронный коллайдер можно купить только у нас. Устройства, которые продаются на рынке, являются грубыми китайскими подделками. Их черные дыры имеют хорошо различимый желтоватый оттенок.
Но и это еще не всё! Благодаря уникальным свойствам коллайдера изменять структуру времени, купив МАК 001б сегодня, вы получаете его еще вчера.
А если вы позвоните в наш офис и закажите коллайдер в течение этого часа, то станете обладателем новинки уже неделю назад!
Tags: весёлая наука, юмор
Коллайдер NICA: достать до нейтронных звезд
Портал «Научная Россия» опубликовал интервью директора Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Владимира Кекелидзе
В Дубне продолжается строительство коллайдера тяжелых ионов NICA, где будут изучать кваркглюонную материю — состояние вещества, которое находится в недрах нейтронных звезд. Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне уже получили из Италии ключевой элемент исследовательской установки MPD (Multi-Purpose Detector) строящегося ускорительного комплекса — катушку сверхпроводящего соленоидального магнита.
Об уникальной логистической операции и о том, зачем мировой науке нужен проект NICA, рассказал член-корреспондент РАН Владимир Димитриевич Кекелидзе, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им.
В.И. Векслера и А.М. Балдина
– Владимир Димитриевич, в Дубне состоялось уникальное событие: из Италии привезен главный элемент детектора будущего коллайдера NICA — сверхпроводящая катушка магнита. Сложно ли было организовать логистику операции доставки?
– Сам по себе магнит такого размера — уже исключительное инженерное сооружение. Причем мы должны не просто получить катушку с большим объемом магнитного поля, внутри которого будут располагаться детектирующие элементы, но нам необходимо будет создать поле очень высокой однородности; это позволит восстанавливать с высокой точностью процессы, которые мы будем изучать входе столкновения ионов на пучках коллайдера.
Ярмо самого магнита уже в нашем институте, это железо весом около 700 т. Катушка, создающая поле, проектировалась в России («Нева-Магнит»), но собиралась в Италии на известном предприятии ASG Superconductors. Компания уже имела опыт изготовления похожих катушек, в частности для одного из детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), поэтому мы выбрали именно эту фирму.
Процесс изготовления занял около пяти лет. Почему так долго? Потому что прежде чем создать магнит такого размера, обеспечивающий магнитное поле высокой однородности, причем из уникальных материалов, надо было спроектировать и сделать набор инструментов, с помощью которого изготавливаются основная и корректирующие катушки, криостат (вакуумный сосуд) и многие другие элементы магнита. Кстати, этот набор инструментов — намоточная машина, механическая оснастка, внушительных размеров печь для запекания обмотки — имеет гораздо большие размеры, чем сама катушка.
Несколько лет ушло на разработку и создание этого набора инструментов, с помощью которого надо было протестировать сверхпроводящий кабель для катушки, поскольку она работает при температуре, близкой к нулю по абсолютной шкале Кельвина, намотать основную и корректирующие катушки. Далее необходимо было изготовить криостат и поместить в него основную катушку — и это тоже очень непростая инженерная задача, — затем все собрать, обеспечить вакуум в криостате и испытать.
И, наконец, сегодня криостат со сверхпроводящей катушкой внутри прибыл к нам в Дубну! Крайне сложная логистическая операция завершилась успешно. Вся процедура доставки заняла чуть больше месяца, но волнений было очень много.
– Доставка была возможна только по воде?
– Да, из-за размера и веса криостата с катушкой. По пути из Генуи в Дубну груз побывал в красивейших местах России: в порту Санкт-Петербурга, на Ладожском, Онежском, Белом озерах и реке Волге.
Саркофаг с нашим инженерным сооружением внутри был погружен на корабль в Генуе 25 сентября. Ровно через месяц он прибыл в порт Северной столицы, где был разгружен и растаможен, а оттуда его перегрузили на баржу с буксиром и отправили к нам в Дубну.
5 ноября мы, собравшиеся у порта местные жители и журналисты стали свидетелями того, как долгожданная «посылка» перегружается с баржи на автомобильную платформу. Для этого был задействован самый мощный мобильный портовый кран в мире — Liebherr LHM 800. Затем автомобильная платформа должна была преодолеть последнюю дистанцию, перед тем как попасть к месту назначения.
— дорогу от порта Дубны до нашего института, около 3 км. Машина прошла этот путь за несколько часов. Из-за больших габаритов груза (высота — 7.6 м) в городе на это время даже пришлось отключить электричество: в двух местах нужно было проехать под высоковольтными линиями. Потребовалось их обесточить, согласно технике безопасности, заземлить и слегка приподнять, чтобы груз смог пройти.
Задача по перевозке криостата с катушкой из Италии усложнялась тем, что навигация обычно заканчивается в середине или в конце ноября. Поэтому мы переживали, успеем или нет, ведь кроме того, что груз нужно доставить в Россию, еще необходимо успеть его растаможить в порту Санкт-Петербурга. К счастью, благодаря серьезной подготовительной работе наших служб и согласованным действиям с таможней груз удалось провести через таможню в установленный срок.
Коллайдер
NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility)
Коллайдер NICA — новый ускорительный комплекс, который создается на базе ОИЯИ для изучения свойств плотной барионной материи.
– Правда ли, что NIСА будет работать с такими энергиями и состояниями вещества, которые недостижимы на других установках, например, на том же БАК?
– Вы правы. Каждая установка, коллайдер или просто ускоритель, детектор, нацелена на определенный круг задач. Задача БАК — приблизиться к максимально достижимым энергиям, которые вообще возможны на данном этапе технологического развития. Достигнутые энергии позволили открыть бозон Хиггса, ведь проект изначально и был на это ориентирован.
В нашем же случае задача — достичь максимальной возможной в лабораторных условиях и вообще во Вселенной плотности ядерной материи. Такое ядерное состояние вещества ожидается в недрах нейтронных звезд, там, где очень большая гравитация и где обычные ядра переходят не просто в свои составляющие — протоны и нейтроны, а где последние, сжимаясь, превращаются в «кашу» из кварков и глюонов.
Вот такую «кашу» из кварков и глюонов мы и будем создавать, но только не путем гравитационного сжатия, как в нейтронных звездах, а путем столкновения тяжелых ядер, например, двух ионов золота, при вполне определенной энергии. Причем если энергия будет ниже оптимальной — около 10 ГэВ на каждый нуклон иона, — то не удастся разрушить ядро и нуклоны, а если, напротив, выше, то не удастся создать большую ядерную плотность.
Хочу, кстати, отметить огромный вклад ученых и инженеров Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, без поддержки которых мы вряд ли решились бы на реализацию столь амбициозного проекта, как NICA.
– Что представляет собой ядерная материя, о которой вы упомянули?
– Ядерная материя — достаточно широкое определение. В нашем случае это барионная материя. Абарионы, барионная материя — это все, что нас окружает, из чего состоите вы, я и весь окружающий нас мир, потому что барион — это протон или нейтрон, а все ядра состоят из протонов и нейтронов. Так что материя — это в основном барионы, а антиматерия — антибарионы. Накопить максимальное количество барионов в единице объема и есть наша задача, то есть загнать в микроскопический объем максимальное количество ядер.
– Таким образом, вы получите состояния, схожие с теми, что существуют в недрах нейтронных звезд? А ведь предполагают, что внутри нейтронных звезд как раз н находятся кварки, а сверху — оболочка из нейтронов.
– Все верно. Ожидается, что внутри нейтронных звезд будет «каша», или «суп», из кварков и глюонов. И вот на какое-то мгновение в микроскопическом объеме мы надеемся получить с помощью коллайдера NICA то же самое состояние материи, а потом постараться понять, как она переходит из одной фазы в другую (из привычной нам фазы исходных ядер, сталкивающихся в коллайдере в кварк-глюонную материю) и, остывая, возвращается в начальную фазу, формируя уже новые частицы и ядра.
– Тогда я не могу не задать, наверное, самый популярный вопрос: а не создадим ли мы тем самым нейтронную звезду «в пробирке»? Помню, когда строился БАК, многие неспециалисты всерьез опасались, что там случайно родится черная дыра и всех нас погубит. Насколько правдоподобны такие сценарии?
– Никаких глобальных угроз в ускорительных экспериментах нет. Здесь, как и в любых технически сложных установках, есть риски механических повреждений плюс опасность облучения: например, если кто-то попадет под пучок заряженных частиц.
В отличие от реакторов, где сложно управлять ядерным процессом, в ускорителях заряженных частиц все устроено проще: вы выключили рубильник, отключили электричество — и у вас больше нет ни радиации, ни пучков элементарных частиц. Поэтому коллайдер — весьма безопасный прибор, но обращаться с ним нужно очень осторожно, как и с любым сложным инструментом.
Что же касается опасных природных явлений, которые якобы могут быть воспроизведены путем таких экспериментов, то это, конечно, полная глупость. Никакой угрозы эти опыты не несут, потому что все, что там происходит, это настолько микроскопические масштабы, что вы их даже не сможете увидеть ни под каким оптическим микроскопом.
Кстати, сам по себе детектор нашего коллайдера, MPD, и есть весьма сложный микроскоп, создаваемый для того, чтобы увидеть, распознать то, что происходит в масштабах порядка Ферми или нескольких Ферми, а Ферми — это 10-13 см.
– Есть такое необычное явление при фазовом переходе из одного состояния вещества в другое, скажем, из жидкости в пар, когда поведение физических величин становится универсальным. То есть кривая фазового перехода заканчивается некоей критической точкой, вблизи которой даже самые разные вещества (например, железо, вода) ведут себя совершенно одинаково, и это поистине удивительно! Планируется ли изучать это явление на уровне ядерной материи с помощью коллайдера NICA?
– Да, такое интересное явление действительно может существовать. Фазовая диаграмма ядерной материи наглядно показывает эти переходы. Скажем, если отложить по горизонтальной оси плотность барионов, а по вертикальной шкале — энергию или температуру (что фактически одно и то же), то при повышении температуры ожидается плавный фазовый переход в кварк-глюонное состояние в области минимальной плотности барионов; это уже было показано в экспериментах на БАК и на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Ожидается, что в эксперименте на коллайдере NICA, в условиях большой барионной плотности, должен существовать фазовый переход первого рода, при котором характерные параметры состояния материи изменяются скачком. Так вот сам по себе фазовый переход первого рода, если он будет обнаружен, станет важным открытием. А если есть фазовый переход первого рода и есть в какой-то части диаграммы плавный переход, то между ними должна быть критическая точка. Это уже фазовый переход второго рода.
Такое открытие может стать сенсацией и позволит глубже понять свойства кварковой материи.
– Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся зафиксировать свободные кварки?
– Многие знают из научно-популярной литературы, что каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков. Чтобы вырвать кварки оттуда, необходима огромная сила, поскольку кварки в нуклонах (нейтронах и протонах) связаны так называемым сильным взаимодействием, максимальной из известных сил природы. И кварки не могут существовать в природе самостоятельно. Если вырвать кварк из протона или нейтрона, то он мгновенно находит себе пару — антикварк — и образует частицу — мезон; или находит еще два кварка и образует опять же протон или нейтрон. Но если кварки сильно сблизить, то взаимодействие между ними ослабевает и кварки становятся квазисвободными.
– Но ранее их свободными ни разу не видели?
Верно. Свободными они могут быть лишь ничтожное мгновение и при определенных условиях. Чтобы получить свободные кварки, нужно невероятно плотно сжать материю, и вот в таком состоянии кварки становятся свободными и забывают своих «родителей»: кому они принадлежали, какому протону или нейтрону. Они перемешиваются, взаимодействуют и, объединяясь, воспроизводят новые частицы: новые протоны, нейтроны, более легкие частицы — мезоны, — словом, весь спектр элементарных частиц, который известен сегодня.
– Мы знаем, что кварки удерживаются между собой глюонами, справедливо получившими свое название от английского слова glue («клей»). Существует интересная гипотетическая частица глюбол, состоящая исключительно из этого клея. Как вы относитесь к подобной идее?
– Идея вполне здравая. Есть ряд экспериментов, в которых ищут так называемые глюболы, но сегодня, насколько мне известно, нет явных доказательств их существования. Глюбол теоретически может существовать и имеет право на жизнь. Глюоны — это переносчики сильного взаимодействия, так же как фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Электроны, позитроны или любые заряженные частицы могут излучать фотоны. Тепло и свет, которые нас согревают и освещают, — это тоже фотоны. В сильных взаимодействиях роль фотонов играют глюоны, только они переносят не электромагнитные, а сильные взаимодействия. Они как раз и связывают кварки между собой.
– Считается, что кварк — это фундаментальная частица, мельче которой ничего нет. Но можно ли предположить, что у кварка все же есть структура, то есть более мелкие элементы? Поможет ли NICA ответить на этот вопрос?
– Какой-то коллайдер, возможно, и поможет, но уж точно не наш. Даже Большой адронный коллайдер не проникнет в структуру кварков. Если там и есть структура, то для ее обнаружения нужны гораздо большие энергии, чем у того же БАК. Дело в том, что чем глубже и тоньше внутренняя структура, чем она мельче, тем более высокие требуются энергии для ее распознавания. На сегодня, конечно, кварки считаются точечной, то есть бесструктурной частицей, хотя они имеют массу и даже определенный размер. Не исключено, что на самом деле кварки могут иметь структуру, но это — и новые теоретические идеи, и эксперименты далекого будущего, а не нашего поколения.
– То есть там нужны принципиально новые ускорители?
Следующий ускоритель, который, возможно, построят в CERN, будет иметь периметр не 27 км, как сейчас, а уже 100 км. Но и этого, скорее всего, будет недостаточно для разрушения кварка и обнаружения его внутренней структуры, если таковая имеется.
Кстати, попытки сделать ускорители, коллайдеры масштаба БАК предпринимались неоднократно. Первая попытка была у нас — это Ускорительно-накопительный комплекс (УНК) в Протвине, вторая — SSC в Техасе, третья, оказавшаяся самой удачной, — БАК в CERN. Но, видимо, в будущем останется лишь одна международная организация, обладающая установкой столь глобального масштаба, потому что слишком уж расточительно делать несколько мощнейших коллайдеров. И именно международное сотрудничество и глобализация позволяют оптимизировать ресурсы и усилия, чтобы создавать такие мощные ускорители.
– Чем больше диаметр ускорителя, тем сильнее можно разогнать частицы?
Да. В целом, чем длиннее ускорительная установка, тем до больших энергий можно разогнать – частицы. В этом плане кольцевой ускоритель — наиболее выгодная конструкция, потому что частицы многократно пробегают ускоряющий блок и каждый раз ускоряются все сильнее.
В этом кольце будущего ускорителя, бустера, которое вы сейчас видите перед собой, для того чтобы разогнать частицы до заданной энергии, нужно сделать около 1 млн оборотов. Кольцевой ускоритель в этом отношении выгоден, так как вы можете гонять частицы по кругу сколько угодно и каждый раз, подталкивая, разгонять их. Но для того чтобы обеспечить движение заряженных частиц по кругу, необходимы магниты, ведь известно, что в магнитном поле заряженная частица летит по траектории окружности. Чем выше энергия частицы, тем больше радиус траектории в одном и том же магнитном поле. Поэтому радиус любого кольцевого ускорителя определяется энергией ускоряемых частиц и величиной магнитного поля.
Сегодня максимальное магнитное поле, которое применяется в ускорителях, — 8 Тесла. Именно на восьмитесловых сверхпроводящих магнитах и был построен БАК. Такие магниты позволили достичь энергии 14 ТэВ в существующем туннеле. Если же мы хотим увеличить в два раза энергию, то при том же магнитном поле нам необходимо в два раза увеличить радиус кольца или в два раза усилить магнитное поле в том же кольце. Новый коллайдер, скорее всего, будет создаваться на магнитах 16 Тл, но надежное производство таких магнитов пока не налажено и понадобится лет десять для того, чтобы научиться создавать подобные магниты.
– А это в принципе возможно?
Да. Прототипы таких магнитов уже изготавливают в CERN. CERN поставил задачу в течение десяти лет доработать технологию подобных магнитов и обеспечить их серийное производство.
Поэтому если вы просто увеличите магнитное поле в два раза в том же кольце, вы в два раза можете увеличить и энергию разгоняемых частиц. А если хотите получить еще большую энергию, то вам нужно пропорционально увеличивать и радиус кольца. Посчитайте сами: 100 км — в четыре раза больше, чем периметр Большого адронного коллайдера, и магниты с еще более обширным полем (в два раза), поэтому и энергия будет почти на порядок выше.
– До какой скорости будут разгоняться частицы в коллайдере NICA?
– Это уже так называемые релятивистские скорости. При энергиях коллайдера NICA частицы летят практически со скоростью света.
– Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся заглянуть в прошлое Вселенной. О каком отрезке времени идет речь?
Чем выше энергия, тем ближе к началу Большого взрыва вы можете заглянуть. В этом отношении, конечно, БАК наиболее близок к тому, чтобы разглядеть или понять то, что происходило в первые мгновения Вселенной. То, что мы будем воссоздавать на коллайдере NICA, — это более поздний период, когда возникла ядерная материя большой барионной плотности, которая существует в природе только в нейтронных звездах. Других объектов, в которых она могла бы быть, мы на сегодня не знаем.
По времени это тот период, когда уже были звезды и при их столкновениях образовывались в частности нейтронные звезды. Это происходило спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва.
– Мы много говорили о привычной для нас барионной материи, а занимается ли кто-либо всерьез поисками антивещества, антиматерии?
– Антивещество — вопрос очень интересный. Все мы знаем из научно-популярных книг, что в момент возникновения Вселенной был полный баланс вещества и антивещества. Но потом в силу разных причин, из-за нарушения СР-симметрии, несохранения барионного числа и нарушения теплового равновесия, стало доминировать вещество. Возникла небольшая разница превалирования вещества над антивеществом. Эта разница и есть Вселенная, которую мы сегодня знаем.
Поиск антивещества во Вселенной ведется, но оно до сих пор не найдено. Куда оно делось? Это одна из больших загадок. Проводится много экспериментов по поиску антиматерии. Кстати, искусственно синтезировать антивещество можно, и первые такие успехи уже были достигнуты в CERN, где на мгновение были синтезированы несколько атомов антиводорода. Они были удержаны в специальной ловушке. Но это всего лишь несколько атомов, притом на очень короткое время.
– Исследования на коллайдере NICA будут иметь сугубо фундаментальный характер или прикладная составляющая тоже присутствует?
В основном наши исследования нацелены на фундаментальные результаты, на получение новых знаний в той области, в которой их еще нет или они очень скудны. Пока никто не знает, какие открытия нас ждут. Но нашим приборам присущи большие масштабы и технологическая сложность, для их создания часто требуется решение новых инженерных задач, вот вам и первый практический аспект. В процессе таких решений возникают интересные инженерные и технологические результаты, которые можно будет применить в практических целях.
Кстати, хороший пример — интернет. Он не создавался в CERN целенаправленно, а понадобился для того, чтобы обмениваться большими объемами данных по специальному протоколу; он был создан для ученых, а впоследствии оказался неотъемлемой частью всей современной жизни. Таких примеров, когда инженерные сооружения, созданные для науки, нашли свое применение в народном хозяйстве, немало.
Кроме того, в рамках проекта NICA мы предусматриваем создание зоны для прикладных работ, где ученые и инженеры будут заниматься практическими исследованиями. Ускоритель — это уникальный инструмент, который позволяет не только проводить фундаментальные исследования, но и получать прикладные результаты.
Одно из наших традиционных направлений — изучение работы электроники в сложных радиационных условиях. Такие исследования необходимы не только для того, чтобы создавать электронику, работающую близко к реакторам, но и для космических полетов; ведь в космосе происходит интенсивное облучение всевозможными частицами, в том числе теми, которые будут доступны на нашем ускорителе. Поэтому для разработки радиационно стойкой электроники будет создана зона прикладных исследований.
С вводом комплекса NICA планируется продолжить испытание биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию, потому что, если мы хотим летать к далеким звездам, да что там к звездам — даже к Марсу, необходимо рассчитать, какая доза радиации будет получена космонавтами. Подобные исследования ведутся давно. В ОИЯИ есть лаборатория радиационной биологии, где ученые используют пучки уже существующих ускорителей для таких работ. На комплексе NICA мы хотим создать специальную зону, где биологические объекты будут облучаться, благодаря чему можно будет понять, как они меняют свои свойства под воздействием радиации.
В далеком космосе существует опасность облучения ионами, вплоть до железа. Все эти ионы мы сможем воспроизводить на нашем комплексе, чтобы облучать биологические объекты тем спектром частиц, который будет присутствовать при космических полетах.
Если говорить об ожиданиях в целом, прежде всего в области фундаментальных исследований, то мы нацелены на изучение фазовых переходов в ядерной материи — поиск фазового перехода первого рода, поиск критической точки, о чем вы сегодня уже спрашивали; а на пути к этим целям мы, надеюсь, узнаем много нового и интересного. Однако и прикладные исследования принесут ряд практически применимых результатов.
– В ваших исследованиях будут использоваться технологии искусственного интеллекта?
– Искусственный интеллект — настолько широкое понятие, что даже сложно ответить. Конечно, многие процессы нужно автоматизировать. Ведь автоматизация — тоже в каком-то смысле искусственный интеллект, вопрос только в том. насколько он интегрирован и требует вмешательства обычного, естественного интеллекта.
Для управления многими блоками детекторов и коллайдера NICA будут разработаны программы и системы управления, которые не представляют собой ИИ в узком смысле этого термина, но имеют важные элементы автоматизации, такие как система обратной связи, чтобы корректировать свои действия в зависимости от характера внешних условий. Подобные системы уже существуют на всех крупных современных высокотехнологичных установках. Понятно, что проводить экспериментальные исследования будут ученые, а не искусственный интеллект, ведь мы имеем дело с поиском и изучением неизведанных явлений и свойств природы.
– Какая судьба ждет коллайдер после того, как он отслужил свое? Их обычно как-то утилизируют или разбирают на запчасти?
– В мировой истории коллайдеров было не так много, и первые из них. кстати, были отнюдь не плохи. Есть классический пример — коллайдер ISR в CERN. По ряду параметров он был совершенен. хоть и запущен в 1970-е гг. Прослужил совсем немного, до средины 1980-х гг., и был разобран. Только недавно, в 2004 г., на коллайдере Тэватрон (США) были достигнуты параметры, характерные для того пионера из 70-х гг. прошлого столетия.
Конечно, каждый коллайдер нацелен на решение определенных задач. Когда задачи решены и нет других, подходящих для его профиля, коллайдер или разбирают, или утилизируют, или он частично входит в состав другого, более сложного комплекса ускорителей.
Беседовала Янина Хужина, портал «Научная Россия»
Большой мини-адронный коллайдер?
7 января физик доктор Сьюзи Шихи встала до восхода солнца.
В тот день на ступеньках Мельбурнского университета появились два грузовика с огромными деревянными ящиками на поддонах, привязанных к лотку.
Когда коробки прибыли, их нужно было распаковать в погрузочной площадке (они были слишком велики для дверей) и переместить с помощью крана в радиационно-защищенный бункер – когда-то в нем размещалась машина для фотоядерных исследований, но последние 40 лет в качестве хранилища.
Один из двух грузовиков, везущих ускоритель частиц в Мельбурнский университет. Фото: доктор Маттео Вольпи Коробки были наполнены тем, чего Шихи ждал больше года: половиной ускорителя частиц, доставленным прямо из Европейской организации ядерных исследований, также известной как ЦЕРН.
«Я действительно горжусь командой и их 10-летней работой, — объясняет Шихи.
«Для некоторых других, я мог бы сказать, было головокружительное чувство радости — почти неверие — что это наконец-то здесь: несмотря ни на что, это оборудование пересекло весь мир в разгар глобальной пандемии».
Шихи быстро упоминает, что не она начала это сотрудничество с ЦЕРН. Она жила в Великобритании, когда колеса начали вращаться, и вернулась в Мельбурн в 2019 году, чтобы управлять проектом, который на тот момент был «на горизонте».
Когда мы думаем об ускорителях частиц, первым (или единственным), который обычно приходит на ум, является Большой адронный коллайдер (БАК), чудовищная машина с туннелем длиной 27 километров, который измеряет свойства неизвестных частиц. и пытается ответить на нерешенные вопросы физики.
Но не все ускорители частиц должны быть гигантами научных открытий. Ускорители частиц (хотя и намного меньшего размера) существуют в повседневной жизни. Электронно-лучевые трубки в старых телевизорах — крошечные ускорители частиц, как и рентгеновские сканеры в аэропортах.
Более совершенные ускорители частиц в настоящее время используются в лечении рака, безопасности и высокотехнологичных отраслях.
«Есть всевозможные приложения, а это значит, что такие маленькие ускорители… есть действительно коммерческий рынок», — объясняет Шихи.
«С тех пор, как я переехал в Австралию, я даже обнаружил, что иногда в полевых условиях на участках добычи золота стоят машины, чтобы они могли сканировать камни».
Если вам не повезло, и у вас диагностировали рак, есть несколько способов, которыми вы можете столкнуться с ускорителем частиц.
«Одним из самых давних [применений] является лечение рака, лучевая терапия», — говорит Шихи.
«Итак, это использует небольшой метровый ускоритель частиц для генерации электронов, которые затем врезаются в цель, создавая рентгеновские лучи, и именно рентгеновские лучи мы используем для лечения рака примерно в 50% всех случаев рака».
Кроме того, существует протонная терапия, при которой рентгеновские лучи полностью отсутствуют, а используются протоны для уничтожения раковых клеток, что дает пациентам целевую дозу облучения опухоли.
В отличие от километров туннелей, необходимых для работы больших коллайдеров, эти ускорители могут быть относительно небольшими. Но лежащие в их основе технологии еще предстоит изучить, протестировать и даже в некоторых случаях «обкатать», прежде чем выпустить в мир.
«Вы не можете просто изготовить одну из этих вещей, а затем поместить ее в сканер безопасности, включить его и уйти — это должно пройти процесс, называемый кондиционированием», — говорит Шихи.
«Знаешь, когда ты покупаешь новые кожаные туфли и тебе приходится их разнашивать, прежде чем они станут удобными? Вроде того, но для ускорителя частиц».
Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.
Оборудование перемещено на место в Мельбурнском университете. Предоставлено: д-р Маттео Вольпи
Вот тут-то и появляется новая машина Melbourne. Когда она была в ЦЕРНе, ее прозвали XBOX-3 — испытательная установка X-диапазона. Это означает, что он работает в высокочастотном «X-диапазоне» на частоте около 12 ГГц.
XBOX-3 изначально был этапом исследований еще не построенного компактного линейного коллайдера (CLIC), но использовался для тестирования следующего поколения более тонких компактных высокочастотных ускорителей. Ученые из ЦЕРН разрабатывали технологию для CLIC более 20 лет, и исследователи обнаружили, что увеличение частоты в x-диапазоне, чтобы сделать ускоритель «тоньше», имело еще одно удивительное преимущество.
«Они обнаружили, что это также делает его более компактным в длину, потому что вы можете на самом деле увеличить электрические поля очень, очень сильно», — говорит Шихи.
Это означает потенциально меньшие, но более мощные ускорители и коллайдеры.
Состоящая из клистронов (тип микроволнового усилителя), модуляторов, компрессоров радиочастотных импульсов и многого другого, «компактная» XBOX-3 по-прежнему занимает целую большую комнату. Только один из четырех модуляторов весит 1,3 тонны.
В отличие от километров туннелей, необходимых для работы больших коллайдеров, эти ускорители могут быть относительно небольшими. Но лежащие в их основе технологии еще предстоит изучить, протестировать и даже в некоторых случаях «обкатать», прежде чем выпустить в мир.
Но Шихи и ее команда получили не весь XBOX-3, а только половину. Итак, что вы можете сделать с половиной испытательного стенда X-диапазона?
«Представьте, что вода поступает по четырем трубам, а затем вы соединяете эти трубы в одну, чтобы получить большую пропускную способность — чтобы получить больше энергии или воды», — объясняет Шихи.
«Есть некоторое преимущество в том, чтобы управлять четырьмя различными энергосистемами. Так что по сути четыре разных — по два и по два, а потом два из них нам прислали».
XBOX-3 имеет модульную конструкцию — с четырьмя импульсными компрессорами, клистронами и модуляторами, машину сравнительно легко разобрать пополам и отправить на другой конец света. Если у вас есть время, терпение, кран или два и много пузырчатой пленки.
«Это было похоже на момент рок-звезды, чтобы представить это», — признается Шихи.
Мельбурнскую половину XBOX-3 называют MelBOX, а исследователи, такие как выпускник ЦЕРН доктор Маттео Вольпи, усердно работают над запуском испытательного центра X-диапазона.
«Наличие единственного объекта X-диапазона по эту сторону экватора является огромным стимулом для растущего сообщества специалистов по физике ускорителей в Австралии», — говорит Шихи.
«Это позволит нам обучать специалистов, проводить новые исследования и создавать захватывающие возможности для взаимодействия с промышленностью».
Когда в конце этого года MelBOX будет запущен, он будет тестировать и разрушать основные «внутренности» или полости других ускорителей частиц.
Но даже когда это произойдет, это будет еще не ускоритель частиц. В нем отсутствует одна важная часть — частицы.
«Но мы планируем превратить его в один, добавив в начале источник электронов», — добавляет Шихи.
«Наши канадские и голландские сотрудники в настоящее время работают над подготовкой источников электронов, которые они планируют отправить нам, и мы их добавим».
Это не Большой адронный коллайдер, но наш новый ускоритель частиц размером с большую комнату. общеевропейский эксперимент может создать черную дыру, которая поглотит и уничтожит нашу планету. Как же, возмущались обозреватели, могли ученые оправдать такое опасное увлечение погоней за абстрактными теоретическими знаниями?
Но ускорители частиц — это гораздо больше, чем огромные игрушки для ученых. У них есть и практическое применение, хотя их размер до сих пор мешал их широкому использованию. Теперь, в рамках крупномасштабного европейского сотрудничества, моя команда опубликовала отчет, в котором подробно объясняется, как можно построить гораздо меньший ускоритель частиц — ближе к размеру большой комнаты, а не большого города.
Вдохновленный технологическими и научными ноу-хау таких машин, как LHC, наш ускоритель частиц спроектирован так, чтобы он был как можно меньше, чтобы его можно было сразу же использовать на практике в промышленности, здравоохранении и университетах.
Прицел коллайдера
Самый большой коллайдер в мире, LHC, использует ускорение частиц для достижения поразительных скоростей, с которыми он сталкивается. Эта система использовалась для измерения искомой частицы бозона Хиггса — одной из самых неуловимых частиц, предсказанных Стандартной моделью, которая является нашей текущей моделью для описания структуры и функционирования Вселенной.
Менее гигантские и гламурные ускорители частиц существуют с начала 1930-х годов, выполняя полезную работу, а также вызывая столкновения, помогая нашему пониманию фундаментальной науки. Ускоренные частицы используются для создания радиоактивных материалов и сильных всплесков радиации, которые имеют решающее значение для процессов здравоохранения, таких как лучевая терапия, ядерная медицина и компьютерная томография.
Читать далее: Пять способов, которыми ускорители частиц изменили мир (без бозона Хиггса в поле зрения)
Типичным недостатком ускорителей является то, что они, как правило, громоздки, сложны в эксплуатации и часто чрезмерно дороги. БАК представляет собой вершину экспериментальной физики, но его окружность составляет 27 километров (17 миль), а его строительство и испытания обошлись в 6,5 миллиардов швейцарских франков (5,2 миллиарда фунтов стерлингов). Ускорители, установленные в настоящее время в некоторых больницах, меньше и дешевле, но они по-прежнему стоят десятки миллионов фунтов стерлингов и требуют для установки площади 400×400 м. Таким образом, только крупные региональные больницы могут позволить себе деньги и помещение для размещения отделения лучевой терапии.
Почему ускорители должны быть такими большими? Простой ответ заключается в том, что если бы они были меньше, то сломались бы. Поскольку они основаны на твердых материалах, слишком сильное увеличение мощности разорвет систему на части, создав очень дорогой беспорядок.
Жажда скорости
Мы решили найти способ сделать меньшие по размеру и более дешевые ускорители частиц для использования в более широком диапазоне больниц — от крупных и региональных до небольших и провинциальных.
Наша команда исходила из того, что для ускорения частиц у вас есть два варианта: либо дать им сильное ускорение на коротком расстоянии, либо много маленьких толчков на длинном — так работает БАК.
Это немного похоже на разгон до 100 миль в час на автомобиле: вы можете либо медленно разгоняться на грузовике в течение длительного периода времени, либо вы можете нажать педаль газа в спортивном автомобиле и добраться до места за считанные секунды. Обычные акселераторы чем-то напоминают грузовики: надежные и послушные, но медленные. Мы искали альтернативу спортивному автомобилю.
Мы нашли эту альтернативу в плазме. Прелесть плазмы в том, что она просто состоит из ионизированного газа: газа, разложенного на мельчайшие компоненты. Таким образом, у него нет такого же ограничения на мощность, которая может быть применена к нему как к твердой системе. По сути, вы не можете сломать то, что уже сломано.
Исследователь держит часть нашего нового ускорителя частиц. Сзади находится соответствующий раздел в традиционном ускорителе. Отчет о концептуальном дизайне EuPRAXIA, предоставлен автором Именно в этом смысле плазма может выдерживать гораздо более высокие ускоряющие способности — до тысячи раз больше, чем у твердотельного ускорителя. Чем выше мощность, тем меньше времени и расстояния требуется для ускорения частиц, и это приводит к меньшим и более дешевым ускорителям.
Наш ускоритель использует мощные лазеры для «встряхивания» содержащейся в нем плазмы, перемещая ее частицы таким образом, что создаются волны. Это немного похоже на след, оставленный лодкой (лазер) на озере (плазма). Подобно серферу, луч, помещенный на одну из этих волн, может толкаться ею вперед, постоянно ускоряясь. Эти волны в плазме очень маленькие (субмиллиметровые) и очень мощные, что позволяет общему ускорителю быть чрезвычайно маленьким.
Плазменные привилегии
Плазменные ускорители частиц, такие как наш, будут занимать в 100 раз меньше места, чем существующие конструкции, уменьшая площадь, необходимую для установки, с 400×400 м до всего 40×40 м. Аппаратное обеспечение, необходимое для создания нашего ускорителя, дешевле в установке, эксплуатации и обслуживании. В целом, мы ожидаем, что наш плазменный ускоритель снизит стоимость установки ускорителя в больнице в десять раз.
Эмбрион мыши, отсканированный с помощью нашей машины (левый столбец) и традиционного сканирования (правый столбец).Помимо этих двух преимуществ, наш ускоритель может выполнять некоторые новые функции, недоступные существующим ускорителям. Например, ускорители на основе плазмы могут предоставить подробные рентгеновские снимки биологических образцов с гораздо большей четкостью, чем существующие сегодня. Предоставляя лучшее изображение внутренней части человеческого тела, это может помочь врачам обнаружить рак на гораздо более ранней стадии, что значительно повысит шансы на успешное лечение болезни.
То же изображение со сверхвысоким разрешением может также помочь обнаружить ранние признаки трещин и дефектов в оборудовании в нанометровом масштабе. Неисправности, связанные с такими дефектами, считаются одной из «шести больших потерь», хорошо известных производителям. Их раннее обнаружение нашим ускорителем может помочь продлить срок службы высокоточных и высококачественных компонентов в тяжелой промышленности и производстве.
Развертывание акселератора
Европейский стратегический форум по исследовательской инфраструктуре оценивает отчет о проекте, и решение ожидается летом 2021 года.