У CERN, найбільшій у світі дослідницькій лабораторії фізики елементарних частинок, тисячі вчених наполегливо працюють, щоб з’ясувати нерозгадані таємниці фізики. Їхні цінні наукові дослідження підтримуються розумним і гнучким застосуванням технологій автоматизації. Пневмоострів VTSA від Festo керує процесами аналізу повітря у внутрішньому експериментальному просторі і просторі каверни детектора "Компактного мюонного соленоїда" (CMS).
Глибоко під землею, недалеко від Женевського озера, на великому адронному колайдері (LHC) прискорювача частинок в CERN, Європейської організації з ядерних досліджень, величезні детектори просіюють потік субатомних частинок і збирають гігантські обсяги даних, які аналізуються за допомогою потужних алгоритмів. Сучасні технології роблять крихітні частинки, які утримують космос разом, видимими у більшому масштабі.
У 2012 році в CERN віхою у фізиці елементарних частинок стало відкриття бозона Хіггса. Вчені Роберт Браут, Франсуа Енглер і Пітер Хіггс вперше передбачили його існування ще в 1960-х роках. Власне кажучи, відповідно до тогочасної стандартної моделі фізики елементарних частинок, ніякої маси бути не могло. Передбачається, що субатомні частинки рухаються зі швидкістю світла. Але, як зазначалося раніше, це означало б, що вони не повинні мати маси. Тим не менш, троє дослідників розробили теорію поля Хіггса. Згідно з цією теорією, поле Хіггса уповільнює найдрібніші частинки – порівнянно з крихітними кульками, що летять крізь мед, – надаючи їм інерцію, а отже, масу. І через 50 років нарешті відбувся великий прорив: в експериментах на LHC протони розганяли майже до швидкості світла, щоб дозволити їм зіткнутися один з одним. У цьому процесі бозони Хіггса вивільнялися з поля Хіггса, і таким чином можна було виміряти їх і довести, що вони насправді існують. Так було доведено існування матерії. Хіггс і Енглер отримали Нобелівську премію з фізики за свою теорію в 2013 році, а Браут помер у 2011 році.
Дослідження, проведені в CERN, включають наукову роботу в захоплюючих масштабах. Створена в 1954 році, дослідницька організація щороку отримує майже один мільярд євро від 22 країн-членів і наразі у ній працюють понад 2500 науковців. Над експериментами CERN працюють понад 12 000 запрошених науковців з усього світу. Найбільша в світі лабораторія фізики елементарних частинок керує мережею з кількох прискорювачів, які забезпечують різні типи частинок для різноманітних експериментів. До них належать мюони для дослідження структури протона, важкі іони для створення нових станів речовини та радіоактивні пучки іонів для спостереження за екзотичними ядрами.
Найбільшим і найпотужнішим у світі прискорювачем частинок є LHC. Він розташований приблизно в 100 метрах під землею в круглому тунелі довжиною окружності близько 27 кілометрів. LHC використовує сильні електричні поля для передачі енергії пучкам частинок і направляє промені через систему за допомогою магнітних полів. Частинки набувають все більшу і більшу енергію прискорення, поки не обертаються навколо LHC майже зі швидкістю світла – 11 245 разів на секунду. Коли вони стикаються, чотири величезних детектора – CMS, ATLAS, ALICE та LHCb – реєструють, що відбувається.
Прискорювач частинок LHC розташований недалеко від кордону між Францією та Швейцарією і знаходиться на глибині близько 100 метрів.
Детектор CMS – це технологічно вдосконалений детектор довжиною 21 метр, діаметром 15 метрів і вагою 12 500 тонн. Він складається зі 100 мільйонів окремих вимірювальних елементів і виконує до 40 мільйонів вимірювань в секунду і вважається одним із найскладніших і точних наукових інструментів, коли-небудь створених. Щоб уникнути похибок вимірювань, усі фактори, що впливають, повинні бути в межах визначених допусків.
Ці фактори впливу також включають склад навколишнього середовища та вентиляційного повітря в підземних експериментальних печерах. Щоб забезпечити стабільно правильну роботу, повітря безперервно відбирається та аналізується в більш ніж 100 точках вимірювання всередині та зовні детектора. Це особливо важливо, що слово "компактний", яке міститься в назві експерименту CMS, також означає, що не можна швидко втручатися скрізь і в будь-який час. Оскільки в разі критичної ситуації, наприклад, витоку газу або пожежі всередині детектора, щоб дістатися до аварійних отворів для доступу до внутрішніх областей, потрібно до двох тижнів.
У минулому кожна окрема точка подачі повітря мала окремий аналітичний пристрій, що призводило до високих витрат. Крім того, витрати на технічне обслуговування та можливий відсоток збоїв також були занадто високими для стандартів CERN. З початку 2016 року пневмоострови типу VTSA гарантують, що повітряні потоки спрямовуються до аналітичних пристроїв найшвидшим шляхом. Нове рішення зменшує кількість необхідних аналітичних пристроїв у 10 разів. Потоки повітря тепер об’єднуються централізовано і розподіляються на наступні аналітичні пристрої. Основні клапани VTSA, які керуються стисненим повітрям, мають перевагу в тому, що вони нечутливі до магнетизму детектора CMS. Пневмоострів був налаштований відповідно до індивідуальних вимог CERN. Найбільш важливою технічною адаптацією є оборотна експлуатація.
У нормальному режимі повітря, що підлягає аналізу, направляється з вимірювального проводу через пневмоострів до нижньої аналітичної станції. При цьому всі інші вимірювальні проводи постійно заряджаються при низькому тиску. Таким чином, при переході на наступний вимірювальний провід поточне атмосферне повітря знаходиться безпосередньо на відповідному клапані. Ця гнучка програма показує, що високоякісні стандартні компоненти VTSA можуть забезпечити інтелектуальне технічне рішення, яке забезпечує довгострокове підвищення ефективності для CMS як з точки зору продуктивності, так і вартості.
Спільний проект з автоматизованого аналізу повітря розпочався у серпні 2015 року, а установки були поставлені наприкінці жовтня. Нова система була введена в експлуатацію на початку 2016 року. "Ми обрали Festo як постачальника цієї технології, враховуючи, що ми використовуємо продукти Festo в CERN і CMS протягом багатьох років і дуже задоволені ними", — пояснює Герд Фетхенгауер, співробітник з питань газової безпеки CMS в CERN.
До цього часу закуповувалися переважно окремі компоненти, але готове до встановлення системне рішення є першим у своєму роді за багаторічну співпрацю між Festo та CERN і може стати основою для подібних застосувань в інших детекторах Великого адронного колайдера. Так що маленькі кроки продовжуватимуть призводити до нових великих наукових відкриттів у майбутньому.