"Вторая жизнь" ускорителей

Вот что пишет "Борис Булюбаш" в журнале "Знание-Сила"

Экспериментально исследовать атомную структуру материи, как известно, впервые начал английский физик Эрнест Резерфорд. Тот факт, что радиоактивное излучение состоит из трех компонент (альфа-, бета- и гамма-), Резерфорд открыл летом 1902 года, будучи профессором Мак-Гиллского университета в Канаде. Изучая, как отклоняются все три компоненты в магнитном поле, он экспериментально установил, что альфа-лучи магнитное поле не отклоняет. Это давало основание сделать совсем разные выводы. Можно было предположить, что у альфа-частиц нет заряда; вполне допустимой также выглядела гипотеза, что их масса очень велика. Исключительная физическая интуиция всегда была сильной стороной Резерфорда: в статье, опубликованной в июле 1902 года, он уверенно пишет о том, что альфа-частицы, конечно же, заряжены, но из-за недостаточной силы лабораторного магнита искривление их траекторий крайне незначительно и находится за границами возможностей измерительных приборов.

Осенью того же 1902 года Резерфорд посещает электротехническую лабораторию Мак-Гиллского университета, рассчитывая получить у ее руководителя профессора Оуэнса<взаймы>мощный магнит. Его просьба встречает у Оуэнса полное понимание, и сотрудники лаборатории немедленно начинают демонтировать самую большую в университете динамо-машину мощностью в 30 киловатт. Именно в ней находился столь нужный Резерфорду постоянный магнит. Под его воздействием траектории альфа-частиц действительно начали искривляться В тексте же опубликованной вскоре новой статьи Резерфорда появилась фраза<благодаря доброте профессора Оуэнса я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи>. Отзывчивость Оуэнса навсегда вписала имя макгиллского профессора электротехники в историю атомной физики. Магнит же вскоре занял свое обычное место в динамо-машине.

Последующая история атомной физики, как известно, неоднократно демонстрировала ее исключительные возможности. В итоге перед учеными были открыты поистине безграничные источники финансирования.

В физике элементарных частиц гигантские и необычайно дорогие экспериментальные установки стали обычным явлением, и в первую очередь это касалось ускорителей. Рано или поздно денежный поток должен был приостановиться, однако решение прекратить строительство протонного суперколлайдера проектной мощностью в 40 ТэВ, принятое в 1993 году конгрессом США, стало настоящим шоком для физического сообщества.

Вскоре после этого активно исследовать элементарные частицы продолжили европейские физики. Так, спустя всего лишь год после решения американского конгресса, осенью 1994 года, ЦЕРН принял постановление о начале строительства Большого адронного коллайдера (БАК). Важное значение имело при этом то обстоятельство, что при строительстве БАКа можно было использовать уже имевшуюся инфраструктуру — тоннель длиной в 27 километров, в котором на момент принятия решения строить БАК уже находился менее мощный ускоритель ЦЕРНа — электрон-позитронный коллайдер.

На тот суперколлайдер, сооружение которого остановил американский конгресс, было израсходовано почти два миллиарда долларов. Зная, как тщательно в Америке считают деньги, было бы странным, если бы они осталась<закопанными в земле>. И действительно, некоторые детали коллайдера были выставлены на продажу; одна из покупок (размером в 4,6 миллиона долларов) была совершена компанией International Isotopes.

Напомним, что суперколлайдер был задуман как система устройств, ускоряющих протоны до высоких энергий. Компания приобрела первое звено этой системы — так называемый линейный ускоритель, или, сокращенно, Linac. В реальности Linac представлял собой стометровую металлическую трубу, систему поддержания вакуума и систему электромагнитов. International Isotopes планировала использовать приобретенные части ускорителя в производстве радиоизотопов, применяемых, в частности, при диагностике раковых опухолей.

Linac и сейчас используется 24 часа в сутки, обеспечивая непрерывную генерацию протонных пучков для получения искусственных радиоизотопов.

В настоящее время в стадии завершения находятся сразу несколько масштабных физических проектов, и тема<второй жизни>экспериментальных установок становится для их руководителей весьма актуальной. Так, в июне 2008 года был остановлен ускоритель HERA в Гамбурге. Вслед за проведенным в апреле 2008 года секвестром американского бюджета была прекращена работа коллайдера PEP-II в Стэнфордской национальной лаборатории в Калифорнии (SLAC). Та же судьба ожидает, судя по всему, и находящийся в Стэнфорде детектор мезонов BаBar.

Что касается PEP-II, то им заинтересовались итальянские физики; купив отдельные части коллайдера, они рассчитывают приблизить момент завершения национального проекта Super B — проекта создания электрон-позитронного ускорителя. А следовательно, у частей американского коллайдера есть немалый шанс начать<вторую жизнь>. Super B планируется разместить в подземном тоннеле под виллой Tor Vergata в Римском университете; именно там в ходе столкновения электронов и позитронов будут рождаться B-мезоны — так же, как это происходит сейчас в коллайдере PEP-II. Физики рассчитывают, что, исследуя B-мезоны, они смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с отличием вещества от антивещества.

Создатели Super B предполагают дополнить элементы американского коллайдера новыми технологиями и в итоге ускорять частицы до скоростей, на два порядка превышающих скорости, достигаемые в коллайдере PEP-II. Если Департамент по энергии США одобрит передачу Италии фрагментов коллайдера, то, согласно оценкам одного из руководителей Стэнфордской национальной лаборатории, итальянским физикам для перевозки этих фрагментов понадобиться по меньшей мере 500 контейнеров. Всего итальянские коллеги рассчитывают приобрести почти все используемые магниты, радиочастотные системы и значительную часть энергетических устройств. Не пропадет, судя по всему, и инфраструктура коллайдера PEP-II; так, одна из исследовательских групп калифорнийского Стэнфордского университета планирует — после окончательного завершения проекта PEP-II — разместить в освободившемся туннеле новый источник рентгеновского излучения.

Нельзя исключать и такое развитие событий, при котором почти все масштабные физические проекты будут заморожены. В этом случае ускорители станут, по-видимому, восприниматься исключительно как хранилища ценных металлов, стоимость которых стремительно растет на мировом рынке. Так, с 2000-го по 2006 год титан подорожал почти в пять раз, медь — в три с половиной раза, алюминий — более чем в полтора раза и так далее. С точки же зрения компаний, торгующих цветными металлами, самыми дорогими в коллайдере PEP-II являются двухкилометровые кольца. Движение заряженных частиц внутри колец по нужным траекториям обеспечивают почти две тысячи мощных электромагнитов, две тысячи стальных сердечников с медными или алюминиевыми обмотками

Уже подсчитано, что из электромагнитов коллайдера можно извлечь 4200 тонн стали, 448 тонн меди и 135 тонн алюминия. По приблизительным оценкам, весь этот металл стоит 2,5 миллиона долларов.

Следующий по ценности фрагмент ускорителя — это постоянные магниты общей массой в одну тонну. Сделаны магниты из сплава кобальта и самария, а стоимость каждого составляет по меньшей мере 300 000 долларов. Однако может оказаться, что за них не дадут и доллара, и причина тому — проблемы с демонтажем. Есть и еще одно обстоятельство, существенно понижающее их реальную стоимость: магниты ускорителя<чрезмерно опасны>. Заметим, что в коллайдере присутствует также электромагнит с обмоткой из сверхпроводника, в состав которой входят ниобий и титан, причем один только ниобий стоит 47 000 долларов.

Еще один чрезвычайно ценный элемент ускорителя — это детектор частиц, состоящий из 6500 четырехкилограммовых кристаллов высокочистого йодида цезия. Как утверждается, в среднем один кубический сантиметр кристаллической оболочки обошелся Стэнфордской лаборатории в 3 доллара; всего же на изготовление детектора было потрачено в 1999 году 20 миллионов долларов. Общая стоимость этих же кристаллов в 2008 году составила уже 125 миллионов долларов. Рост стоимости имеет самое непосредственное отношение к терактам 11 сентября 2001 года, после которых администрация США запретила ввозить на территорию страны радиоактивные материалы. Проверка на радиоактивность осуществляется с помощью специальных сканеров, ключевым же компонентом сканеров как раз и является йодид цезия.

В детекторе содержится также 1000 тонн стали (430 000 долларов в ценах 2008 года) и 100 тонн меди (350 000 долларов). Эти металлы оказались нерадиоактивными, а потому к детектору стали проявлять неподдельный интерес торговцы металлоломом. Пытаясь, впрочем, застраховать себя от возможных рисков, американские власти еще 13 сентября 2000 года объявили мораторий на коммерческую перепродажу любого металла, находившегося в контакте с ускорителем частиц — вне зависимости от того, что показали проверки этого металла на радиоактивность. Эти ограничения, впрочем. не коснулись лабораторий федерального подчинения. Так, экспериментальная установка для исследования нейтрино в лаборатории Ферми в Батавии (штат Иллинойс) почти целиком изготовлена из б/у компонентов американского происхождения, несколько частей были приобретены у японских коллег и несколько — у французских. Это сэкономило лаборатории Ферми в общей сложности 3,3 миллиона долларов.

При всем при том США оказались единственной страной, которая ввела подобный мораторий. Так, правительство Германии, после того как гамбургский коллайдер HERA завершил свою работу, а спектрометр ZEUS был демонтирован, специальным постановлением разрешило лаборатории по физике частиц DESY продать все материалы, удовлетворяющие национальным нормам радиационной безопасности. Речь шла о 50 тоннах кабелей, 100 тоннах стали и 70 тоннах алюминия, притом что наиболее выразительные части спектрометра ZEUS имеют шанс избежать продажи на металлолом; им предстоит превратиться в экспонаты научных музеев.

Все это говорит о том, что тема вторичного использования ресурсов перестает быть темой, волнующей исключительно экологов; финансовые ограничения, с которыми столкнулись исследователи микромира, заставили задуматься об этом даже физиков, работа которых совсем еще недавно финансировалась практически без ограничений. В контексте всего рассказанного история с профессором Оуэнсом, одолжившим магнит профессору Резерфорду, воспринимается как поистине романтический сюжет из юности физики прошлого столетия.