Фермилаб изнутри

Фермилаб изнутри

// Нейтрино, бизоны, гигантский теватрон и бескрайние американские прерии
Авторы: Надежда Афонькина

Надежда Афонькина

Физик, выпускница ­МГТУ им. Н. Э. Баумана и студентка исследовательского Университета Экс-Марсель (Франция).

Национальная ускорительная лаборатория ­имени Энрико Ферми (Фермилаб) — один из ­ведущих ми­ровых центров в области физики высоких энер­гий и ускорительных технологий. Здесь в 1983 ­году был создан ускоритель протонов и антипротонов — теватрон, который превзошёл по мощности ­знаменитый советский синхрофазотрон, построенный в Дубне. На те­ватроне были обнаружены «­кирпичики» ­Стандартной модели: красивый и истинный кварки (b‑кварк и t‑кварк), впервые зарегистрированы тау-нейтрино и сделано ещё множество важных открытий.

Успешно проработав 28 лет, теватрон уступил первенство Большому адронному коллайдеру. Но Фермилаб не стал от этого менее престижным. На его ­установках и сейчас проводят всевозможные эксперименты, он по-­прежнему считается лучшей в мире лабораторией по изучению нейтрино. Друг «Кота Шрёдингера», выпускница и сотрудница ­МГТУ им. Н. Э. Баумана, этим летом прошла стажировку в легендарной американской ускорительной лаборатории и поделилась своими дневниковыми заметками.

Заявку на стажировку в Фермилабе я подавала ещё в 2013 году. Но из-за событий на Украине американские власти закрыли российским учёным въезд в национальные лаборатории США, заморозили программы обмена. Эта новость была как гром среди ясного неба: я была так близка к цели, и вдруг всё сорвалось. Но я не унывала, продолжала учиться и работать. И нынешним летом набор специалистов из России возобновился — меня пригласили в знаменитую лабораторию имени Энрико Ферми.

Кстати, в Фермилабе работает много российских учёных. Например, глава отдела ­FAST/­IOTA — подразделения, где занимаются технологическими и научными разработками, — Александр Валишев, который проводил вступительное собеседование по скайпу, — выпускник физфака Новосибирского государственного университета.

04.06.16

В американском формате дата выглядела бы иначе: 06.04.16 — сначала месяц, потом число и год. В течение всего пребывания в США мне каждый раз приходилось задумываться, перед тем как написать дату на каком-нибудь документе.

В чикагский аэропорт О’Хара за мной приехал длинный чёрный лимузин. «Эх, Надя, что же будет дальше?» — подумала я. Лимузин привёз меня к аккуратным двух­этажным коттеджам — на пару месяцев эти апартаменты стали домом для меня и других стажёров. Вокруг чистота и идеально стриженные газоны — отличительная черта Америки, которая в первую очередь бросается в глаза русскому человеку.

06.06.2016

Первый день в Фермилабе.

Знакомство началось с экскурсии по территории научного комплекса. Его построили в 1967 году посреди диких прерий штата Иллинойс по особому проекту, призванному сохранить природу нетронутой. Эта зона и сейчас представляет собой что-то вроде заповедника.

На работу и обратно сотрудники ездят мимо степей, кукурузных полей, прудов. Вокруг цветы, яркие птицы, дикие животные — природа здесь восхищает и вдохновляет.

А ещё у Фермилаба есть неформальный талисман — бизоны. Их начали разводить тут в год основания лаборатории. Для учёных эти животные символизируют связь между великими творениями человека и природы — ядерной физикой и бескрайними американскими прериями. Местные учёные и инженеры очень любят этих зверей. Когда до сотрудников доходит весть, что в стаде бизонов родился очередной малыш, искренне радуется весь огромный коллектив национальной лаборатории.

07.06.16–12.06.16

Первые дни стажировки были насыщены организационными делами: надо было оформлять рабочие и визовые документы, проходить тренинги по безопасности.

Одним из самых важных был тренинг по защите от радиации. Стажёров, или, как нас тут называют, интернов, учили определять радиоактивность материалов с помощью специальных приборов, пользоваться радиационными датчиками.

Было забавно, когда обучавший нас специалист начал сравнивать урон здоровью от радиоактивного облучения и от холостяцкой жизни. Он поведал, что ежегодно получаемая в течение 70 лет доза в 100 мбэр сокращает наш век всего на 6 дней. А 70 лет, прожитые без второй половинки, — на 1 600 дней у женщин и 3 500 (!) у мужчин. Видимо, таким необычным способом в США пропагандируют институт брака.

13.06.16–19.06.16

По окончании тренингов нас, интернов, отправили на медкомиссию. Так как мне предстояло работать с лазерами, окулист досконально изучил мои глаза. Тщательное обследование проводится в начале и в конце стажировки. В случае ухудшения зрения лаборатория берёт на себя ответственность за расходы на лечение. Столь трепетное отношение к здоровью стажёров и сотрудников вызывает невероятное уважение.

20.06.16

Наконец мы приступили к работе над проектом. Сначала было непривычно, что научные руководители благодарят за любой, даже самый маленький шажок вперёд или помощь. Позже я заметила, что так общаются между собой все сотрудники, и меня поразило, насколько эффективно это мотивирует людей к слаженному труду.

Я попала в подразделение FAST/IOTA. Тут уже несколько лет строится 40-метровое накопительное кольцо ­IOTA (Integrable Optics Test Accelerator) — такая «игрушечная модель» для местных физиков. Благодаря специ­альным технологиям кольцо можно будет постоянно модифицировать, добавляя или убирая составные части. Учёные будут тестировать на нём инженерные новшества, проводя эксперименты с ускоренными электронами и протонами. Дальше эти тесты могут воспроизводиться, например, на мощностях Большого адронного коллайдера в ­ЦЕРНе. С ним Фермилаб тесно сотрудничает и регулярно поставляет элементы для экспериментов (детекторы, магниты, резонаторы).

Мне поручили создать детектор синхротронного излу­чения — с его помощью планируется получать информацию о поперечной форме и позиции ­ускоренного пучка электронов на каждом повороте в накопительном кольце ­IOTA. Такой прибор вряд ли принесёт пользу в быту. Зато позволит в дальнейшем проводить эксперименты с ускоренными электронами — точно контролировать траекторию их движения, чтобы они не врезались в стенки ускорителя и не теряли энергию, распространяя вредное ионизирующее излучение.

21.06.16

Работаю над созданием детектора. Когда прибор будет готов, займусь его тестированием. Энергия электронов в кольце ­IOTA может достигать 150 мегаэлектронвольт. Зная энергию электронов, движущихся с ускорением по окружности, можно рассчитать параметры синхротронного излучения, которое они будут создавать. Расчёт параметров детектируемого излучения — первый этап на пути создания детектора. Так как ­IOTA запустят лишь в 2019 году, мой детектор после изготовления придётся тестировать на различных источниках, симулирующих синхротронное излучение от электронов в накопительном кольце.

По сути, мой детектор представляет собой сверхчувствительный и супербыстрый фотоаппарат: он сможет делать снимки зелёного пятнышка света каждые 120 наносекунд — время одного оборота ускоренных электронов в кольце ­IOTA.

22.06.16

Я познакомилась с главным инженером отдела FAST/­IOTA Кермитом Карлсоном. Он быстро нашёл в своих запасах запчастей корпус для моего фотоаппарата, мы разметили входы-выходы, просверлили отверстия и принялись паять. Это был поистине захватывающий день, ведь я работала под руководством одного из ведущих сотрудников лаборатории — мы собрали детектор, и он готов к тестированию! Я дала своему фотоаппарату название ­BPSM (Beam Position and Shape Monitor — монитор для определения положения и формы пучка частиц).

24.06.16

Экспериментальная оптическая установка для тестирования ­BPSM готова. Чтобы восстановиться и с новыми силами приступить к работе, мы с соседкой по общежитию решили заняться йогой на поляне рядом с лабораторными корпусами. Монументальные постройки Фермилаба, простирающиеся за ними прерии как нельзя лучше способствуют умиротворению и приводят в равновесие эмоции.

27.06.16

Началась ежедневная и кропотливая работа над экспериментом. Во время манипуляций за оптическим столом устают глаза, ведь надо всё время напряжённо оценивать качество настройки установки. Но когда видишь прогресс, уже не можешь остановиться, и время проле­тает незаметно. Правда, мой научный руководитель ­китаец Чиньхао Жуань не давал мне задерживаться на работе. «Перегрузка вредит и неизбежно ведёт к снижению производительности», — поучал он меня.

28.06.16

До этой стажировки я не занималась ­экспериментами в области ускорительной физики. Для меня было открытием, что ускорители — это не только огромные машины в крупнейших лабораториях, что в мире их больше десятка тысяч. Чаще всего ускорители используют в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний (томография, радиационная терапия). Я же начала подумывать о применении своего ­BPSM в других сферах экспериментальной физики. Например, такой прибор мог бы быть полезен для настройки пикосекундных лазеров.

29.06.16

Прогуливаясь в перерыве по территории научного комплекса, я набрела на… огороды! Оказалось, что в Фермилабе есть кружок огородничества: за 50 долларов в год каждый может арендовать здесь участок и копать грядки в своё удовольствие — сажать салат или выращивать клубнику. У меня возникло ощущение, что я телепортировалась в Подмосковье: отовсюду слышалась русская речь. Видимо, американцы не испытывают к садоводству такую же страсть, как наши соотечественники.

30.06.16

Мой детектор ­BPSM был удачно протестирован c помощью пульсирующего диода, имитирующего синхротронное излучение.

Настало время двигаться дальше и начинать тесты на самом ускорителе, а точнее, на фотоинжекторе ­FAST с энергией в 50 мегаэлектронвольт. Именно ­FAST будет донором ускоренных электронов для накопительного кольца ­IOTA, когда его запустят. Фотоинжектор — это мощный пикосекундный лазер, освещающий катод, с которого по принципу фотоэффекта вылетают в туннель пучки ускоренных электронов. В туннеле формой и энергией пучка управляют увесистые магниты и сверхпроводящие ниобиевые резонаторы. Действие магнитов на электронный пучок можно сравнить с действием линзы на луч света, принцип тот же — фокусировка или рассеивание. После прохождения через резонаторы электроны ускоряются, так как получают дополнительную энергию.

Малейший дефект резонатора означает его полную непригодность. Здесь, в Фермилабе, он сразу превращается в арт-­объ­ект. Я сфотографировала один из таких резонаторов изнутри.

04.07.16–08.07.16

Дальше BPSM следовало настроить для работы на фотоинжекторе. Для этого мой прибор нужно было поместить в бокс, который местные учёные в шутку называли streaky hut, что на разговорном английском означает «скверная хижина». Ничего скверного, конечно, в этом боксе не было. Более того, streaky hut было его официальным наименованием — по той причине, что внутри бокса находилась streak camera, по-русски «фотохронограф». BPSM предстояло фиксировать тот же сигнал от ускоренного пучка, что и фотохронографу.

13.07.16

Самый грандиозный день стажировки — день запуска ускорителя специально для нашего эксперимента. С самого утра в комнате управления колдовали два инженера. На больших экранах мерцали бесчисленные окошки систем запуска, контроля и мониторинга работы каждой части ускорителя. Я внимательно наблюдала и записывала каждый шаг: как включают лазер фотоинжектора, как следят за стабильностью фаз резонаторов, за потерями в пучке и его центровкой на протяжении всего пути в ускорителе, как контролируют стабилизацию охлаждающих систем.

Когда всё было готово, я со своими наставниками спустилась вниз к туннелю. Мы начали тесты.

Фотоаппарат BPSM поймал сигнал. Научный руководитель ликовал, но я была настроена скептически. Да, сигнал был, и он точно исходил от пучка в ускорителе: количество импульсов совпадало, но амплитуда сигнала при этом не имела никакого смысла. Однако ради нашего эксперимента мы не могли глобально менять настройки на ускорителе и вынуждены были прекратить работу, довольствуясь достигнутым. Научный руководитель ещё раз напомнил, что в экспериментальной физике стоит радоваться даже незначительным успехам.

Учусь и начинаю писать отчёт.

14.07.16

Впереди ещё один важный тест ­BPSM с помощью луча от фотоинжекторного лазера и оцифровка сигналов.

На этот раз мне предстояло работать с лазером самого опасного, четвёртого класса. Работать с ним можно только в специальных затемнённых очках, получив разрешение центра безопасности Фермилаба и выполнив ещё целый ряд условий.

25.07.16

Эксперимент с лазером занял больше недели. Всё это время прошло во тьме — успех пришёл, но не сразу. По итогам тестов были сформулированы требования к эксплуатации и оцифровке сигналов моего фотоаппарата. По словам научных руководителей, я в несколько раз перевыполнила программу стажировки.

29.07.16

В конце стажировки интернам устроили экскурсию по подразделениям Фермилаба. Первым делом нам показали подземелья с тремя детекторами: ­MINERvA, ­NOvA и ­MINOS. С их помощью учёные ловят нейтрино, изучают их вибрации, массу, рассеивание, взаимодействие с разными веществами и так далее.

Далее визит в лабораторию Si­Det (Silicon Detectors) по производству чувствительных детекторов для исследования всевозможных распадов частиц. Эти приборы являются основой крупнейшего в мире детектора CMS (Compact Muon Solenoid) в составе Большого адронного коллайдера. CMS используется для изучения бозона Хиггса и тёмной энергии.

Во дворе лаборатории Si­Det стоит пузырьковая камера, функционировавшая в 1980-х годах. Теперь это памятник, а в прошлом на ней регистрировали следы некоторых ионизирующих частиц.

Ещё мы побывали на станции по производству криостатов и сверхпроводящих резонаторов. Там на стенах попадались советские плакаты на космическую тематику и даже стояло советское оборудование для вытягивания сверхпроводящих проволочек, произведённое в Институте физики высоких энергий, что находится в подмосковном наукограде Протвино.

Под конец нам дали немного прогуляться по теватрону — второму по мощности после БАК ускорителю заряженных частиц с подземным кольцом примерно в шесть с половиной километров.

01.08.16–12.08.16

Последние дни стажировки я провела за подготовкой отчёта. Я твёрдо решила, что, вернувшись в Москву, займусь развитием студенческой экспериментальной лаборатории физики в родном вузе — ­МГТУ имени Баумана. Мне захотелось помочь будущим инженерам влюбиться в экспериментальную физику так, как однажды влюбилась в неё я.

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №11 (25) за ноябрь 2016 г.

Подписаться на «Кота Шрёдингера»