Поиск - новости науки и техники

Апгрейд с адреналином. Физики разрабатывают план модернизации Большого адронного коллайдера.

Недавно в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне состоялось важное научное событие – международное совещание руководства эксперимента CMS (одного из двух основных экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC), посвященное стратегии развития установки на ближайшие 10-15 лет и планам по ее модернизации. Характерно, что первое мероприятие такого уровня и с такой повесткой проходило именно в России. В Дубну из ЦЕРН приехала большая группа ученых во главе с руководителем коллаборации CMS Гуидо Тонелли (Guido Tonelli). В течение двух дней ученые и специалисты обсуждали возможные пути апгрейда Большого адронного коллайдера в ходе запланированной в 2013 году его первой продолжительной остановки, а также долговременный сценарий модернизации детектора CMS.

История вопроса.

В конце января на ежегодном совещании физиков ЦЕРН во французском альпийском местечке Шамони (Chamonix-2011) было объявлено об изменении ранее утвержденного графика работы Большого адронного коллайдера. Напомним: первоначально предполагалось, что LHC проработает на достигнутой энергии в 3,5 ТэВ на пучок до конца 2011 года и затем будет сделан годичный перерыв для апгрейда коллайдера и подготовки условий для подъема энергии столкновений протонов до проектного значения в 7 ТэВ на пучок. Январское решение заключалось в следующем: начало длительной остановки в работе LHC будет сдвинуто на 2013 год, а на протяжении двух ближайших лет (до конца 2012 года) коллайдер потрудится без перерыва.
Мы уже писали (“Поиск” №5, 2011) о том, что такое решение руководства ЦЕРН его директор Стив Майерс (Steve Myers) объяснил “успешной работой LHC в течение 2010 года и некоторыми вполне реальными возможностями получить яркие результаты в области новой физики уже в 2011 году”. Участники совещания в Дубне единодушно приветствовали такое решение, в котором явный приоритет был отдан не модернизации, а собственно физике. По мению ученых, стоит подольше поработать на имеющихся значениях энергии и светимости, чтобы полностью использовать уже достигнутый “потенциал открытий” и только после этого остановить машину для последующего увеличения параметров.
О том, что потенциал открытий сейчас действительно велик, говорят факты: набранная за несколько месяцев работы LHC в 2010 году статистика позволила получить важные научные результаты. Заново были переоткрыты некоторые основополагающие элементы Стандартной модели, выявлены ограничения на существование предполагаемой “новой физики”, обнаружены неожиданные новые эффекты – эффект “хребта” в pp-столкновениях и прямое наблюдение “гашения” струй (подробности – “Поиск” №8,  2011). По результатам первых наблюдений физиками эксперимента CMS уже опубликованы 28 статей в высокорейтинговых научных журналах (Journal of High Energy Physics, Physical Review Letters, Physics Letters B, European Physical Journal) и еще свыше 60 статей находятся в стадии подготовки.
И все же, несмотря на столь весомые результаты и большие ожидания, уже сегодня физики говорят о необходимости апгрейда коллайдера. Открывая совещание в Дубне, Гуидо Тонелли отметил, что в течение ближайшей длительной остановки в 2013 году необходимо будет “подготовить детектор CMS к тем временам, когда коллайдер начнет существенно увеличивать энергию и светимость”.

Работа над ошибками?
И все же, зачем вообще нужен апгрейд LHC? Почему спустя всего несколько месяцев после запуска Большого адронного коллайдера физики заговорили об усовершенствовании детекторов?
На эти вопросы корреспонденту “Поиска” отвечали многие участники совещания в Дубне, некоторые из них достаточно откровенно называли предстоящую модернизацию в значительной степени “работой над ошибками”.
Наверное, стоит напомнить, что детектор CMS (Compact Muon Solenoid) был задуман и начал проектироваться около 20 лет назад, в самом начале 1990-х. За это время установка была построена, запущена и в течение нескольких месяцев прошлого года успела продемонстрировать успешную работу.
Но CMS рассчитан на длительное функционирование и требует постоянного усовершенствования хотя бы из-за того, что технологии и методики, которые использовались при его создании, со временем устареют.
Чтобы эксперимент жил и развивался, детекторы Большого адронного коллайдера продолжали оставаться современными и лучшими в мире, необходимо заранее продумать пути модернизации оборудования. Только так, по мнению руководителя коллаборации физиков RDMS – CMS Игоря Голутвина, и имеет смысл работать: на лучшей установке и с лучшими результатами.
– Наряду с проведением физических экспериментов мы задумали заниматься еще и развитием CMS, – рассказывает Игорь Анатольевич. – Должен откровенно признать, что в процессе создания детектора мы многие вещи не сделали. Нам все время приходилось корректировать график и порядок работы, чтобы подойти к моменту запуска ускорителя оптимальным образом. Как только стало ясно, что поначалу интенсивность пучков протонов не будет очень высокой и СМS не придется работать при самых больших нагрузках, мы приняли решение отказаться от некоторых элементов детектора. Сейчас нам потребуется восстановить то, что было упущено.
Солидарен со своим коллегой и председатель совета коллаборации RDMS академик Виктор Матвеев:
– То, что вскоре после запуска LHC потребуется задуматься об апгрейде установок коллайдера, было ясно еще до начала его работы. Но главной нашей целью тогда (перед запуском. – С.Б.) было убедиться в том, что все конструкции детектора функционируют так, как было задумано. Теперь, когда именно эта цель достигнута, экспериментаторы подтверждают, что CMS работает как надо и в целом все коллаборации взаимодействуют, как хорошо отлаженный оркестр, мы можем говорить о конкретных мерах по апгрейду установки для постепенного наращивания чувствительности и выхода на проектные значения энергии и светимости.
Далекое и близкое
На совещание в Дубне участники коллаборации RDMS – CMS приехали не с пустыми руками. Была проделана большая работа по анализу текущей ситуации, изучены варианты оптимального соотношения стоимости и качества апгрейда для существенного повышения возможностей детектора. По словам Виктора Матвеева, по главным направлениям работ достигнут консенсус, но также есть ряд вопросов, где еще продолжается обсуждение выбора возможного пути. Это касается уменьшения масштабов детектирующих элементов, усиления их износостойкости.
В ходе совещания в Дубне были обозначены контуры долговременного проекта модернизации установки CMS, в котором выделено три этапа. Их на встрече охарактеризовал технический директор эксперимента CMS Остин Болл (Austin Ball).
Первый этап модернизации связан с окончанием набора статистики в 2012 году. В конце 2012 года начнется первая длительная остановка Большого адронного коллайдера (примерно на 15 месяцев), в ходе которой предстоит установить некоторые элементы детектора, которые существовали в первоначальном проекте, но в силу уже упоминавшихся причин не были созданы. Речь идет, например, об одной из мюонных камер. Затем ускоритель будет вновь запущен, и суммарная энергия пучков достигнет проектного значения в 14 ТэВ, светимость возрастет до 1034 см-2 с-1, а интегральная светимость составит
10-100 фб-1.
Вторая, 15-месячная, остановка, как ожидается, произойдет в 2017 году. К этому времени должны быть заново созданы многие элементы детектора, выработавшие свой ресурс из-за огромных перегрузок. Затем последует период “невероятной”, как говорят физики, интенсивности (около миллиарда столкновений в секунду). Светимость достигнет значений 2-3 х1034 см-2 с-1 , а интегральная светимость до 2020 года планируется на уровне 300-700 фб-1.
Следующая остановка коллайдера связана с предстоящим периодом еще большего увеличения интенсивности и светимости, когда все установки машины выйдут на беспрецедентно высокий уровень набора статистики. Ожидается, что будут достигнуты значения светимости: 4-6 х1034 см-2 с-1 и интегральной светимости 1000-3000 фб-1. Эта третья продолжительная пауза (длиной примерно в 19 месяцев) будет взята ориентировочно в 2020-2021 годах.
Впрочем, вышеуказанные даты носят сегодня ориентировочный характер.
Расширить “узкие” места
Самыми уязвимыми узлами детектора участники совещания в Дубне называли зоны наибольшей радиационной нагрузки. Одна из них – передняя мюонная станция детектора CMS.
Доклад о возможностях ее модернизации сделал на совещании официальный представитель ОИЯИ в ЦЕРН Владимир Каржавин. Передняя мюонная станция, по его словам, является одним из ключевых узлов в мюонной системе, она обеспечивает точность восстановления треков частиц. Поначалу по изложенным ранее причинам не была выполнена полная проектная конфигурация этой системы. Теперь потребуется устранить недоделки, в частности, создать и установить еще одну камеру передней мюонной станции, обеспечить ее соответствующей современной электроникой.
Сейчас рядом американских институтов разрабатывается проект “Электроника на передней мюонной станции”. Российские специалисты ведут работу по созданию интерфейсной платы низковольтного питания этой системы, которая будет рассчитана на питание новой конфигурации “проблемного” узла. Эта задача, по словам специалистов, “чисто интеллектуальная”, стоимость ее выполнения не слишком высока, и средства на ее выполнение непременно нужно найти.
Вообще, к разговору о финансировании ученые так или иначе возвращались в ходе совещания в Дубне, хотя конкретные цифры, как правило, не звучали. Понятно, что планы по модернизации установок Большого адронного коллайдера тесно связаны с необходимостью дальнейшего финансирования проекта, хотя его объемы только предстоит определить.
Если следовать известной формуле “скупой платит дважды”, то сейчас наступает время, когда потребуется вложить дополнительные средства для того, чтобы доделать те узлы детектора, которые пришлось “оптимизировать” несколькими годами раньше.
Ученые и специалисты и теперь стараются предлагать наименее затратные варианты модернизации. В частности, к работам по предстоящему апгрейду элементов детекторов Большого адронного коллайдера предлагается подключить те институты и предприятия, которые участвовали в их создании. Этот путь кажется специалистам наиболее разумным. Кому, как не разработчикам уникальных сиcтем, заниматься их усовершенствованием? Участники коллаборации RDMS – CMS создавали переднюю мюонную станцию, они по сей день несут полную ответственность за ее функционирование и вполне справедливо рассчитывают продлить эту ответственность на весь период существования CMS.
Во многом разделяют эту точку зрения и в руководстве эксперимента CMS. Возможно, потому, что “русские физики и инженеры имеют более ясное видение развития установки и эксперимента в целом”. По крайней мере, так отозвался о работе отечественных специалистов Остин Болл.
Сами физики и инженеры (помимо ученых на совещание в Дубну были приглашены представители российских предприятий – участников коллаборации RDMS – CMS, которые рассказали о сегодняшних возможностях своих предприятий) уже нетерпеливо потирают руки. Ведь наступает самое драгоценное и интересное время, когда у одержимых физикой людей адреналин зашкаливает: вновь формируется концепция будущего, реализовывать которую смогут не только они, но и следующие поколения ученых.

Светлана Беляева
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев