В феврале 1971 года в в Национальной ускорительной лаборатории США (NAL), известной сейчас как Фермилаб, начались испытания Тэватрона — самой большой экспериментальной установки в мире на тот момент. Он представлял из себя подземное кольцо длиной 6,3 км, в котором протоны и антипротоны должны были разогнаться до скорости, близкой к скорости света.
Ставки были высоки. Директор NAL Боб Уилсон обещал Министерству энергетики США запустить тэватрон в течение пяти лет. Через четыре года после старта проекта, на который было потрачено 250 миллионов долларов, физики столкнулись с непонятной проблемой: магниты, ускоряющие частицы, уже при разгоне до 0.2 ГэВ пачками выходили из строя. Однако, для решения этой высокотехнологичной проблемы было предложено элегантное низкотехнологичное решение — хорек по имени Фелиция.
Как работал тэватрон
Тэватрон, который служил науке до 2011 года, представлял собой цепочку ускорителей. Сначала молекулы водорода прогоняли через два линейных ускорителя, где они ионизировались, достигали 400 МэВ, отдавали электроны и превращались в протоны¹.
Протоны направлялись в бустерный синхротрон. Там они приобретали энергию в 8 ГэВ, после чего попадали в еще один вспомогательный ускоритель (так называемый главный инжектор), который доводил их энергию до 120 ГэВ или 150 ГэВ. Сгустки протонов с энергией 150 ГэВ немедленно инжектировались в главное кольцо километрового радиуса, окруженное как обычными, так и сверхпроводящими магнитами. Там они разгонялись до 980 ГэВ и приобретали скорость в 99,89% световой.
Часть протонов с энергией 120 ГэВ бомбардировали никелевую мишень и порождали антипротоны. Те собирались в отдельном кольце, а потом попадали в главное кольцо, где тоже разгонялись до 980 ГэВ.Таким образом в тэватроне формировалась энергия столкновения около 2 ТэВ. Этот рекорд держался почти четверть века до строительства БАК.
Первые испытания
Строительство тэватрона, 1969 год.
В далеком 1971 году Тэватрон выглядел иначе: главного инжектора и главного синхротрона еще не было, только кольцо ускорителя диаметром 4 мили. На нем располагались 774 дипольных магнита, которые управляли пучком частиц, и 240 четырехполюсных магнита, фокусировавших луч².
Это не магнитики на холодильник: каждый имел длину 20 футов и весил почти 13 тонн. При первых испытаниях у двух магнитов повредилась стекловолоконная изоляция катушек. Затем это начало повторяться несколько раз в день и за несколько месяцев исследователям пришлось менять 350 магнитов.
Несмотря на это, 30 июня 1971 года физикам удалось провести направленный поток частиц по всему кольцу. К августу им удалось прогнать поток по кругу около 10000 раз подряд. Но когда они попытались ускорить частицы выше 7 МэВ, магниты замкнули.
Физик Рюдзи Ямада, который разработал дипольный магнит, наконец понял причину: в вакуумной трубке оставалась металлическая пыль. «Когда магниты создавали сильное поле, — писал он, — фрагменты металла попадали в зазор магнита и остановили поток, так как являлись слабым магнитным материалом». Стало очевидным, что нужно убрать все лишние фрагменты, но как?
Решение от британских инженеров
Фелиция выходит из вакуумной трубы длиной 300 футов.
Для поиска «решений и идей, которые позволят сэкономить деньги» NAL пригласила британского инженера Роберта Шелдона. Он предположил, что обычный хорек может выполнить эту работу, пробежав сквозь вакуумные трубки также, как по кроличьей норе. «В его части Йоркшира хорьков использовали для охоты, — писал Фрэнк Бек³, бывший руководитель исследовательской службы в Фермилаб, — «Хорек легко пробежит внутри трубы, даже если это будет долгое путешествие в неизвестность».
Специальной доставкой с меховой фермы в Миннесоте ученым прислали самого маленького хорька, которого нашли. Фелиция была 15 дюймов в длину, у неё был бурый мех с белыми пятнами на мордочке, и она стоила 35 долларов.
Ученые остановили ускоритель, надели на шею и задние лапы Фелиции шлейку и с прикрепленной протяжкой. После того, как животное пройдет трубу, они хотели протянуть вал с чистящим средством.
Но Фелиция сразу поняла, что кроликами тут и не пахнет и отказалась лезть в главное кольцо вакуумной трубки. Возможно, её напугала узкая, неосвещенная металлическая петля длиной четыре мили.
Техник проверяет устройство, которое контролирует вакуумную систему в секции строящегося гигантского синхротона на 200 МэВ, около 1970 года.
Американцы не сдались. Они перенесли непокорного хорька в лабораторию, где дрессировали её бегать по трубкам испытательной установки, которая еще строилась. «Ее учили бегать по длинным туннелям, пока она не была готова попробовать одну из 300-футовых секций, из которых планировалось делать, вакуумные трубки в мезонной лаборатории», — написал Time⁴.
По словам Бека, после первой пробежки Фелиция выглядела немного уставшей и смущенной, но совершенно здоровой. Она протянула всю нить. Как и планировалось, рабочие протянули валик через трубку. Он вышел покрытый пятнами пыли.
Вскоре об отважной Фелиции написали СМИ. После того, как она сделала семь успешных забегов, журналисты Time поинтересовались, не нужен ли ей помощник. Неизвестный чиновник ответил: «Если Фелиция забеременеет, она может застрять в трубке».
По словам Валери Хиггинс — архивариуса и историка Fermilab — Фелиции ничего не угрожало. «Секции, через которые она пробежала, находились в процессе строительства, поэтому на них не могло быть никакого напряжения. Что касается застревания или удушья, то можно было положиться на природные инстинкты хорьков, которые бы просто не полезли по слишком узкому туннелю», — рассказала она.
Сотрудники NAL обожали Фелицию, кормили ее курицей, печенью, рыбными головами и её любимым блюдом — сырым гамбургером. Некоторые сотрудники даже носили Фелицию к себе домой на ночь.
Конец эксперимента
Фелиция исследует открытую вакуумную трубку в мезонной лаборатории.
Тем временем инженер Ханс Кауцки для борьбы с мусором в главном кольце создал «магнитного хорька». Он прикрепил дюжину майларовых дисков к стержню из нержавеющей стали вместе с гибким 700-метровым тросом из нержавеющей стали и притягивающим металл постоянным магнитом. Затем он выстрелил своим изобретением через секцию главного кольца с помощью сжатого воздуха. «С помощью двенадцати операций мы могли бы обойти все кольцо», — написал Ямада. «Таким образом, мы могли бы очистить всю вакуумную трубу, хотя и не идеально».
Но это сработало достаточно хорошо, потому что в течение следующих нескольких месяцев команда неуклонно увеличивала энергию, и не было ни одного замыкания системы. 1 марта 1972 года ученые разогнали ускоритель до 200 МэВ.
После дюжины пробежек по трубам мезонной лаборатории, которые после соединения становились для Фелиции слишком длинными, её отправили на пенсию. Большую часть времени она проводила в качестве домашнего питомца.
Весной следующего года в доме сотрудника NAL, Чарльза Круза, Фелиции стало плохо. Её отвезли к ветеринару, но 9 мая 1972 года она умерла от разрыва абсцесса в кишечном тракте.
После смерти
В некрологе, который опубликовала газета The Village Crier было написано, что из Фелиции планировалось сделать чучело, которое бы напоминало о раннем этапе развития NAL.
Портрет Фелиции
Если Фелиция и была таксидермирована, то об этом ничего не известно. «Я не находила никаких доказательств и никто не помнит, что это когда-либо происходило», — говорит Хиггинс, которая искала людей, которые работали с Фелицией или могли знать больше информации о ее судьбе после смерти. Увы, в живых осталось слишком мало свидетелей тех событий.
Большинство исторических артефактов, связанных с Фермилаб, находится в хранилище под управлением Хиггинс. Но есть ли шанс, что Фелиция до сих пор прячется где-то в глубине полок?
«Вряд ли, — говорит Валери, — «Я была бы рада, если бы нашла её, но сейчас в хранилище почти не осталось мест, куда никто давно не заглядывал».
Сегодня Фермилаб является одной из 17 национальных лабораторий, и в ней установлено несколько ускорителей частиц. Из 13 известных субатомных частиц в Стандартной модели Вселенной — шесть кварков, шесть лептонов и бозон Хиггса — там были обнаружены⁵ три: b-кварк в 1977 году, t-кварк в 1995 году и тау-нейтрино в 2000 году.
По словам представителя Фермилаб, Андреа Саллеса, ускорительный комплекс работает круглосуточно, за исключением нескольких периодов технического обслуживания. В это время также проводится очистка труб. Для коротких участков операторы ускорителя используют длинную палку с тряпкой. Если это длинный туннель, они используют метод, опробованный Фелицией: «Они обычно используют веревку, за которую протягивают чистящий валик».
P.S.
¹. Лобовое столкновение: элементарные гиганты
². Время главного кольца: самые темные и самые веселые дни Фермилаб
³. Пятьдесят лет истории Фермилаб
⁴. Архив Фермилаб
⁵. Ключевые открытия Фермилаб
