Архив   Авторы  

Вначале было дело
Общество и наукаТехнология

Российские ученые внесли весомый вклад в международный мегапроект, призванный ответить на главный вопрос мироздания - как именно зарождалась наша Вселенная?

 

Недалеко от Женевы расположен самый мощный ускоритель в мире под названием Большой адронный коллайдер. Установку обещают запустить уже в этом году. Речь идет о ЦЕРНе, который прославил Дэн Браун в своем бестселлере «Ангелы и демоны». По каналам, проложенным внутри гигантского тоннеля, полетят с огромной скоростью навстречу друг другу пучки протонов. Когда эти потоки столкнутся, то, по мысли ученых, на миг возникнет состояние, в котором находилась Вселенная в первые доли секунды после ее рождения. Большой адронный коллайдер потребовал создания невиданных доселе приборов, материалов и конструкций. Для одной из таких разработок - детектора гамма-квантов высокой энергии, возникающих в результате столкновения, - российские ученые создали передовую технологию изготовления монокристаллов. И уже вырастили их более 90 тонн.

Четыре вопроса про это

Всего в Большом адронном коллайдере задумано четыре эксперимента, цель которых ответить на главные загадки Вселенной: что есть масса; почему в нашем мире есть материя и нет антиматерии; существуют ли дополнительные измерения окружающего нас пространства и из чего состояла Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.

Ясно, что ошибок при интерпретации результатов эксперимента быть не должно. Чтобы избежать их, нужно тщательно продумать конструкцию детекторов частиц и излучений. В частности, учесть, что энергия частиц в коллайдере будет в десятки раз больше, чем в существующих до сих пор ускорителях. Да и возникающие при этом состояния материи еще никому не удавалось наблюдать. В сущности, физикам придется ловить черную кошку в темной комнате: раз речь идет о проверке основных гипотез мироздания, нет никаких гарантий, что будут рождаться именно те частицы, появление которых предсказано теоретическими расчетами. А значит, нужно постараться собрать как можно более полную информацию о происходящих в коллайдере событиях. Например, стенка канала должна не поглощать кванты с малой энергией, а свободно пропускать их, квант же с высокой энергией не должен привести к зашкаливанию детектора - иначе важная информация потеряется. Поэтому так важно создать новые материалы для многочисленных узлов детекторов, начиная от трубы, в которой проходит поток протонов, до рабочего тела, регистрирующего события. Ученые из России с блеском справились с частью этой задачи.

Ловушка для квантов

В Большом адронном коллайдере сталкиваются пучки протонов по 14 ТэВ (миллион миллионов электронвольт) энергии. Это несравнимо больше, чем при термоядерном синтезе, который дает энергию звездам. Поэтому и энергия квантов возникающего при последующих событиях распада продуктов столкновения тоже будет огромна: десятки, а может быть, сотни ГэВ (миллиард электронвольт). Далеко не всякий материал способен без изменения своих свойств выдерживать столь сильное излучение. Кроме того, пойманный веществом квант энергии порождает засветку, возбуждая лавину электронов в окружающих слоях материала. Чем сильнее эта засветка, тем больше ошибка измерения. Эти два обстоятельства нужно учитывать при выборе материала для детектора возникших при столкновении излучений.

Как правило, для того чтобы поймать квант излучения, используют кристаллы-сцинтилляторы. При попадании гамма-кванта в кристалл электроны приобретают дополнительную энергию, а потом испускают вспышку видимого света. По ее интенсивности можно судить об энергии кванта. Когда ученые отбирали нужные сцинтилляторы, в конкурсе участвовало несколько кристаллов-претендентов - например, давно используемый для таких целей йодат цезия и флюорит церия. Однако внимание физиков из Курчатовского института и Института физики высоких энергий в Протвино, которые конструировали один из детекторов, сосредоточилось на совершенно новом материале - кристалле вольфрамата свинца с формулой PbWO4. Этот материал обладает высокой стойкостью к излучению, световой импульс у него возникает быстро и длится недолго, всего 25 наносекунд, после чего кристалл готов к фиксированию следующего события. Но главное - квант энергии, попав в него, очень быстро поглощается.

Пробные партии кристаллов вырастили в харьковском Институте монокристаллов Национальной академии наук Украины, главном в Советском Союзе центре по созданию технологий работы с монокристаллами. Однако оказалось, что светимость вольфрамата свинца, то есть величина возникающей в нем вспышки света, не очень велика. Ученые из Института физики высоких энергий в Протвино, Института ядерных проблем Белорусского государственного университета и черноголовского Института физики твердого тела РАН сумели устранить этот недостаток и увеличили светимость кристалла в пять раз. Этого уже вполне хватало для того, чтобы окончательно остановить выбор на кристаллах вольфрамата свинца, и ученые из Черноголовки получили специальный грант. Всего в Большом адронном коллайдере нужны два детектора излучения высокой энергии. Один предназначен для поиска бозона Хиггса в месте проведения эксперимента, другой - для изучения первичного состояния Вселенной, когда еще не было вещества.

Для первого детектора нужно 80 тысяч монокристаллов длиной четверть метра, для второго - 20 тысяч меньшего размера. Они объединены в крупные блоки, которые, подобно кружевному воротнику средневековых испанских грандов, охватывают канал коллайдера.

Лет до ста расти

Однако возникла еще одна проблема - огромное количество кристаллов, необходимое для создания детектора, невозможно вырастить в лабораторной установке. Ведь создать десятки тысяч одинаковых кристаллов совсем не то, что десяток лабораторных образцов. Кристаллы вольфрамата свинца выращивают методом, который придумал Ян Чохральский более века назад. В тигель с расплавом, который нагрет чуть выше температуры плавления, слегка окунают кристаллическую затравку. А потом ее медленно поднимают вверх. Новые атомы «прилипают» к затравке, повторяя ее кристаллическое строение. Вытягивание кристалла из расплава длится долго, несколько суток. При этом затравка вращается, чтобы расплав постоянно перемешивался. Это очень важно: как показали эксперименты, которые проходили во многих институтах с пробными монокристаллами вольфрамата, свойства этого материала сильно зависят от того, сколь хорошо соблюдено соотношение вольфрама и молибдена в нем. Там, где возникают отклонения от химической формулы соединения, кристалл при облучении быстро теряет прозрачность. Правильный подбор скорости вращения и теплового режима стали залогом успеха. Дополнительным способом улучшить свойства оказалась добавка в расплав легирующих соединений - оксидов иттрия, лантана и ниобия. «Нам удалось за считаные месяцы вырастить монокристаллы, которые прошли все необходимые испытания», - говорит один из создателей технологии массового производства кристаллов вольфрамата свинца кандидат технических наук Александр Анненков. В результате нашим ученым удалось доказать, что они справятся с задачей лучше конкурентов из Китая и Чехии. Российские исследователи сумели отладить технологию сразу на нескольких отечественных заводах. Теперь кристаллы уже смонтированы и ждут запуска коллайдера.

Впрочем, производство монокристаллов после того, как работы на коллайдере закончатся, не будет остановлено. «Работа с вольфраматом свинца нас многому научила, - говорит Александр Анненков. - Мы уже занялись разработкой другого кристалла - алюминий-лютециевого перовскита. Его можно использовать в детекторах для позитронных эмиссионных томографов. Наши партнеры из Германии уже сделали образец томографа для исследования мышей и крыс. Биологам важно знать подробности того, что происходит внутри этих подопытных животных, не убивая их. Кроме того, мы рассчитываем на национальный проект по здравоохранению, который предусматривает отечественное производство томографов. В частности, за их создание взялись наши коллеги из Сарова. Конечно, кристалл - сердце томографа, но есть еще его тело, которое требует точной механики, и душа - программное обеспечение. Кристаллы есть у нас, а два остальных компонента - у них». Удастся ли отечественным ученым совместить душу и тело сложного прибора? Опыт Большого адронного коллайдера показывает, что ничего невозможного в этом нет.

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера