Вместе к истокам Вселенной
Ученые и специалисты Всероссийского ядерного центра давно и продуктивно сотрудничают с международной коллаборацией ALICE в ЦЕРН
Предыстория
История сотрудничества российских научных центров и университетов с ЦЕРН насчитывает уже более тридцати лет. Российские физики участвовали в экспериментах на всех поколениях ускорителей, созданных в ЦЕРН с начала его основания. В этом сотрудничестве были в разные годы задействованы Институт физики высоких энергий (г. Протвино), где также создан ускорительный комплекс, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна), РНЦ «Курчатовский институт» и другие. Такое сотрудничество осуществляется в рамках соглашений между
РФЯЦ-ВНИИЭФ был принят в состав коллаборации в конце 1996 года и внес свой весомый вклад в развитие мировой ядерной физики и физики высоких энергий.
— Физики считают, что Вселенная возникла в результате так называемого «Большого взрыва». И фундаментальная наука сейчас прикладывает очень большие усилия, чтобы получить то состояние вещества, которое существовало на тот момент, — рассказывает директор ИЯРФ Николай Валентинович Завьялов. — Это помогло бы ответить на многие вопросы и понять строение Вселенной и микромира. Суть экспериментов, которые сейчас проводятся на Большом адронном коллайдере, как раз и заключается в моделировании процессов, которые происходили во Вселенной, и их изучении при столкновении встречных пучков протонов и тяжелых ионов с энергией взаимодействия до 14ТэВ.
Теперь Большой адронный коллайдер (БАК) — самый крупный ускоритель в мире, основной мегапроект ЦЕРН, который был запущен в конце 2009 года. Огромное кольцо диаметром более 29 км расположилось глубоко под землей на территориях двух государств: Швейцарии и Франции. На БАК были построены четыре огромные детектирующие системы — ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, каждая — размером с многоэтажный дом и весом в тысячи тонн. В строительстве одной из детектирующих систем приняли участие конструкторы и ученые ИЯРФ и других подразделений нашего ядерного центра.
Но обо всем по порядку.
Как все начиналось
Сергей Тихонович Назаренко, начальник конструкторского отдела ИЯРФ:
— Начало сотрудничеству Российского федерального ядерного центра с ЦЕРН было положено в 1996 году, когда прежний директор ВНИИЭФ Радий Иванович Илькаев впервые посетил Европейскую организацию ядерных исследований. А чуть позже европейские коллеги нанесли нам ответный визит. В итоге была достигнута договоренность о совместной работе. Тогдашний директор ИЯРФ Валерий Тихонович Пунин также выступал очень активным инициатором этого сотрудничества и до настоящего времени является активным участником проводимых в ЦЕРН работ. Большую роль в становлении этих работ сыграл также главный инженер ИЯРФ Валерий Федорович Басманов. Работу было решено проводить по двум направлением: создание абсорбера мюонного спектрометра и проекта фотонного спектрометра. Вместе фотонный и мюонный спектрометры являлись элементами огромной детектирующей системы ALICE.
В чем было одно из основных предназначений эксперимента ALICE? Физики предполагают, что вскоре после «Большого взрыва» вещество находилось в совершенно другом состоянии — состоянии кварк-глюонной плазмы. Получение и изучение ее помогло бы современной фундаментальной науке продвинуться в понимании, как устроена материя. Воссоздать кварк-глюонную плазму на БАК в лабораторных условиях и изучить как раз помогла бы детектирующая система ALICE. Забегая вперед, на основе полученных данных на БАК, можно уже сказать, что в настоящий момент у ученых не возникает сомнения о существовании в момент зарождения Вселенной вещества в виде «супа» из кварков и глюонов. Но эксперименты показали, что это вовсе не плазма, а сверхтекучая жидкость.
— В состав ALICE вошли фотонный спектрометр PHOS и мюонный спектрометр, абсорбер для которого нам предстояло разработать в сотрудничестве с учеными других институтов из зарубежных стран, — продолжает Сергей Назаренко. — Особенность его конструкции заключалась в том, что она была огромных размеров и весила более 100 тонн. Непременным условием со стороны ЦЕРН было вести работу в системе автоматизированного проектирования. Это при том, что в те годы в конструкторском отделе ИЯРФ был всего несколько компьютеров на всех, зато много энтузиастов, которым не терпелось взяться за разработку и расчеты. Это прежде всего Сергей Александрович Путевской, Евгений Гаврилович Колокольников, Сергей Авангардович Железов. Свободно английским тоже никто не владел, а некоторым его пришлось учить практически с нуля.
Проект абсорбера
В 1997 году специалисты ИЯРФ приступили к разработке проекта абсорбера. Надо сказать, что с первого момента проекты, которые разрабатывались на базе ЦЕРН, создавались согласно европейским нормам проектирования и проходили аналогичные нашим стандартам стадии разработки: сначала проектные работы, включая расчеты, затем рабочий проект, изготовление и испытания экспериментальных образцов и изготовление конечного изделия.
— Проектирование и конструирование нужно было вести так же, как это принято в международном сообществе ЦЕРН, а для этого требовалось наладить информационный обмен в электронном виде. В те годы в ИЯРФ не было не то, что выделенной единой сети или связи через интернет, даже компьютеров было недостаточно. Так что нам очень помог первый заместитель министра по атомной энергии Лев Дмитриевич Рябев. Он неоднократно приезжал во ВНИИЭФ, видел разработки и понимал необходимость налаживания оперативного обмена информацией с иностранными партнерами в ЦЕРН в рамках существующей разрешительной системы.
Конструкторы ИЯРФ под руководством
Со всеми этими расчетами прекрасно справился физик-теоретик Александр Капитонович Хлебников и математики из отдела Александра Константиновича Житника, которые работали в тесном взаимодействии с учеными ЦЕРН.
Но когда подошло время реализации проекта, оказалось, что иностранные коллеги рассчитывали на наш ядерный центр не только в плане разработки, но и изготовления абсорбера. Однако рссчеты показали, что производить такое устройство в России будет дороже. Так что изготовление самой конструкции велось в ЦЕРН.
Однако вопросы сборки согласовывались со специалистами из ИЯРФ, которых пригласили участвовать в этом процессе.
— Когда все детали мюонного спектрометра были готовы, выяснилось, что не все собирается, т.к. не обеспечены необходимые точности изготовления. В частности, не устанавливались многотонные слои из свинца, изготовленные в Индии. Чтобы облегчить задачу, группа наших специалистов в ЦЕРН под руководством Владислава Николаевича Яновского нашла очень оригинальное решение: они предложили убрать определенное количество свинца (сотни килограмм) с внешней поверхности вручную. Иными словами, просто вооружились электрическими рубанками и сняли верхний слой. ЦЕРНовские специалисты по достоинству оценили способность работников ВНИИЭФ находить решения в сложных ситуациях. И это был не единственный случай, когда русской смекалке там открыто восхищались.
Мониторинг в режиме on-line
В 1997 году началась разработка фотонного спектрометра PHOS. Это единственный крупный (общая масса — около 30 тонн) физический проект в составе детектирующей системы ALICE, реализованный при доминирующем вкладе российских ученых и инженеров. Вместе с РФЯЦ-ВНИИЭФ им занимались ученые Курчатовского института, ОИЯИ и ИФВЭ, а также еще девять институтов из семи стран. Финансировали проект с российской стороны Росатом и Министерство науки и образования.
Саровских конструкторов и ученых привлекли для разработки самой конструкции и системы ее охлаждения.
— Основная сложность разработки спектрометра заключалась в обеспечении работоспособности конструкции при температуре -25 градусов при ее стабилизации в течение месяцев. Отклонение даже в 0,1 градуса не допускалось, — рассказывает Сергей Назаренко. — Для решения этой задачи были выполнены научные и экспериментальные исследования, проведены тепловые и прочностные расчеты различных вариантов конструкции. И в итоге изготовлены прототипы охлаждаемого модуля, которые успешно прошли испытания в тестовых экспериментах на пучках протонных ускорителей в ЦЕРН. Сложность конструкции была также в том, что физики выставили очень жесткие требования по расположению детектирующих элементов внутри спектрометра, и при этом практически не оставили места для расположения опорных структур, поддерживающих эти элементы общим весом более 10 тонн.
В дальнейшем к проекту подключилась и успешно продолжает работать группа специалистов ИЯРФ под руководством Юрия Ивановича Виноградова. Они имели большой опыт в разработке систем по контролю параметров и по управлению физическим экспериментом в разработке аппаратуры и программного обеспечения.
— В настоящее время спектрометр собран, запущен в работу и интегрирован в систему ALICE и вот уже два года позволяет проводить уникальные физические измерения вместе с другими детектирующими системами БАК — рассказывает начальник группы конструкторского отдела ИЯРФ Дмитрий Владимирович Будников. — Специалисты ИЯРФ продолжают контролировать технологические параметры спектрометра и управляют его работой по Интернету из Сарова. Это очень удобно: режим on-line позволяет производить мониторинг работоспособности детектора непрерывно. А проводить техническое обслуживание спектрометра мы можем в период плановых остановок в командировках в ЦЕРН. Кроме этого, уже сейчас имеются планы по модернизации и дальнейшему наращиванию количества модулей спектрометра.
В планах на будущее, по словам директора ИЯРФ Николая Завьялова, — создание кластера глобальной сети GRID в Сарове, что позволит улучшить условия управления спектрометром и получить интерактивный доступ к массиву данных, получаемых в ходе эксперимента.
— Не стоит забывать, что все, что мы в течение стольких лет создали в ЦЕРН, наши специалисты теперь обязаны обслуживать непрерывно, — отметил он. — Как долго — покажет время, но пока планируется до 2030 года. Для специалистов ИЯРФ сотрудничество с ЦЕРН стало окном в мир. Они получили возможность сравнить свой уровень с иностранными партнерами, перенять опыт, а также показать, на что способны сами. Отношение к российским ученым в ЦЕРН очень хорошее: конструкторские работы, технологии, изготовление, обработка данных, управление детектором — сегодня мы востребованы везде. Недавно на имя директора ВНИИЭФ
Наша справка
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — это крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. Он был основан в 1954 году и стал первым в Европе центром совместных международных учреждений, куда входит уже двадцать стран-участниц, подписавших конвенцию по ЦЕРН. Около семи тысячи ученых — половина всех физиков мира, изучающих частицы, — пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Центр располагается в окрестностях Женевы на границе Швейцарии и Франции, подземные туннели ускорителей занимают по площади более 100 га в Швейцарии и более 450 га во Франции.
Ольга РУКС, фото предоставлено сотрудниками ИЯРФ
