Большой адронный коллайдер

Запуск Большого адронного коллайдера, состоявшийся 20 ноября после более чем годового перерыва, вызвал ожидаемый интерес и естественные опасения. Настороженность связана с тем, что в прессе этот проект часто связывают с "концом света" или планетарной катастрофой .

История строительства

Коллайдер (от англ. collide - сталкиваться) - это одна из разновидностей ускорителя, в котором частицы разгоняют в противоположных направлениях и сталкивают друг с другом, чтобы изучить продукты их соударений. Строить ускорители для подобных целей начали еще в первой половине 20-го века. В 1932 году английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор, позволявший получить потоки ускоренных частиц большой энергии. Со временем появлялись новые технологии и материалы (установки для получения сверхнизких температур, сверхпроводящие магниты и многое другое). Ускорители становились все больше и мощнее. Осенью 1983 года на границе Швейцарии и Франции на территории Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) приступили к строительству самого большого ускорителя в мире - Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP). Для этого на глубине 100 метров был прорыт кольцевой тоннель длиной 26 км 659 метров и сечением 3 метра. Точность подземных работ была такой высокой, что в 1988 году когда два конца туннеля соединились, расхождение между ними равнялось всего одному сантиметру. Проработал этот ускоритель с 1989 до 2000 года, после чего эксперименты на нем были завершены, а сам он демонтирован. Освободившийся же подземный туннель стал местом размещения новой установки - Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC).

Особенности и устройство LHC

От своего предшественника, а также от других больших ускорителей частиц (расположенные в США коллайдеры Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, RHIC в Брукхейвенской лаборатории и другие) Большой адронный коллайдер отличается своей мощностью. Она на порядок выше, чем у конкурентов. Пучок протонов массой меньше пылинки LHC сможет разогнать до энергии, сопоставимой с кинетической энергией летящего самолета или со 100 килограммами тротила. В год коллайдер будет потреблять столько же энергии, сколько за то же время потребляет город Женева с населением в 185 тысяч человек. Таким образом, на данный момент LHC это самая большая и самая сложная научная машина, из когда-либо созданных человеком. Главные детали этой громадины - ускорительное кольцо, смонтированное в подземном туннеле, и несколько очень массивных детекторов. Ускорительное кольцо состоит двух труб диаметром около 10 сантиметров внутри которых вакуум. По ним в противоположных направлениях с огромной скоростью будут мчаться потоки частиц. Чтобы удерживать их на круговой траектории и препятствовать падению вниз под действием силы тяжести, на частицы будет воздействовать магнитное поле огромной силы. Его будут вырабатывать несколько тысяч сверхпроводящих магнитов (ток в 10 тысяч ампер они проводят практически без сопротивления). Сверхпроводимость магнитов обеспечит криогенная система, которая охладит магниты до температуры -271,25°C. Это лишь на 1,9 градуса выше абсолютного нуля - самой низкой температуры, которая может быть у физического тела. Вся система охлаждения LHC вмещает в себя 10 тысяч тонн жидкого азота и 60 тонн жидкого гелия. Однако сам ускоритель выполняет только полдела - сталкивает частицы. Результаты же этих столкновений будут фиксироваться ("фотографироваться") в детекторах. Это огромные агрегаты, собранные вокруг четырех точек, где вакуумные трубы ускорителя пересекаются между собой. Основных детекторов четыре - ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Еще два - TOTEM и LHCf - вспомогательные. Для установки самых крупных из них в грунте были вырыты гигантские каверны, ставшие самыми большими искусственными пещерами в мире. Только котлован для CMS потребовал выемки 200 тысяч кубометров породы. Самый габаритный детектор - ATLAS. Его длина 43 метра, а диаметр - 22 метра. На его бетонном фундаменте пятиметровой толщины поместится Собор Парижской Богоматери. Самый тяжелый - CMS. При весьма скромных размерах (длина 20 метров, диаметр -15) он весит 15 тысяч тонн, что вдвое больше, чем у ATLAS. Ключевой элемент CMS - массивный сверхпроводящий магнит весом 12 тысяч тонн - самый крупный из всех созданных ранее. Энергии, сконцентрированной в нем, хватит, чтобы расплавить десяток тонн металла, а железа в нем вдвое больше чем в в Эйфелевой башне. На каждом из этих детекторов работают тысячи ученых из сотен научных организаций со всех стран мира. В общем здесь работают более половины физиков мира, изучающих элементарные частицы.

Принцип работы

Главными объектами эксперимента в коллайдере станут протоны (в частности, ядра водорода и тяжелые ядра свинца), на которые можно воздействовать электромагнитным полем. Протоны относятся к одному из классов элементарных частиц под названием адроны. Отсюда и слово "адронный" в названии коллайдера. На первом этапе протоны с помощью линейного ускорителя разгонят до скорости равной 1\3 от световой (скорость света - 300 тысяч км\с). Затем их направят в так называемый бустер - четырехуровневое кольцо окружностью 157 метров. В бустере на частицы будут воздействовать пульсирующим электрическим полем, что придаст протонам еще большую скорость (91 процент от световой) и увеличит плотность пучка частиц. После этого, протоны направят в кольцо длиной 628 метров, где их скорость почти достигнет световой (если точнее, то до 99,9 процента от световой), а масса начнет расти и станет в 25 раз большей, чем в состоянии покоя. Далее пучок частиц попадет в 7 километровый кольцевой ускоритель ( суперсинхротрон SPS), где увеличение массы протонов продолжится. И, наконец, на последнем этапе порции протонов начнут поступать в кольцо Большого адронного коллайдера. Здесь пучки несущихся частиц должны достигнуть пиковой энергии в 7ТэВ (тераэлектронвольт - единица для измерения кинетической энергии частиц), а их масса увеличится в 7 тысяч раз по сравнению с нормальной. За одну секунду каждый протон пролетит по 27-километровому кольцу 11 тысяч раз. При этом, примерно 800 раз в секунду встречные пучки частиц будут сталкиваться в центре детекторов, где будут рождаться новые частицы. Принимая во внимание большую энергию протонного пучка, на коллайдере предусмотрены все возможные меры безопасности. К примеру, специальный "аварийный выход": в случае дестабилизации пучка мощные магниты за доли миллисекунд отведут его по длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромным графитовым буфером. Если цикл, описанный выше пройдет гладко, то LHC начнет выдавать экспериментальные данные гигантских объемов: 10 миллионов Гб ежегодно или грубо говоря по одному DVD-диску в несколько секунд. Чтобы переварить такое количество информации в ЦЕРНе спроектировали специальный вычислительный центр. Используя GRID-технологию, он будет обрабатывать весь поток информации с коллайдера и передавать ее в компьютерные центры университетов по всему миру, где тысячи ученых приступят к изучению этих данных и будут сообщать о полученных результатах широкой публике.

На благо фундаментальной науке

Какую же "пользу" может принести Большой адронный коллайдер? Выгоды здесь две - теоретическая и практическая. Причем вторая вытекает из первой. Вспомним, что человек издавна стремится познать окружающий его мир. В макромире он изучает Землю, наблюдает за небесными телами, пытается объяснить происхождение звезд и Вселенной. На микроуровне человек все дальше проникает вглубь вещества: обнаружил, что живые организмы состоят из клеток, а клетки из молекул, открыл атомы и более мелкие частицы. В прошлом веке ученые выяснили, что все наблюдающиеся в макро- и микромире явления подчиняются четырем взаимодействиям - гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Мечтой физиков стало объединение этих взаимодействий в Единую Теорию. К слову, Альберт Эйнштейн, создатель специальной и общей теории относительности безуспешно потратил на это 20 лет жизни. Три из этих взаимодействий (электромагнитное, сильное и слабое) удалось объединить в конце 20 века в теории, названной Стандартная модель (СМ). Однако, довольно точно описывая мир элементарных частиц, на некоторые вопросы ответить она не может. К примеру, объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие ее лишены. В 1960 году шотландский физик Питер Хиггс в рамках Стандартной модели предсказал существование особой частицы, ответственной за массу - бозона Хиггса. Ее то и попытаются обнаружить ученые, сталкивая пучки протонов в Большом адронном коллайдере. На других ускорителях "поймать" эту частицу не удавалось из-за недостаточно большой энергии разгона. При этом важен не столько сам хиггсовский бозон, сколько то, что его изучение может натолкнуть физиков на новую теорию, более глубокую, чем Стандартная модель. А это станет еще одним шагом на пути к созданию Единой Теории. Другим амбициозным экспериментом можно назвать попытку получить так называемую кварк-глюонную плазму - вещество, появившееся через мгновение после Большого взрыва, породившего Вселенную. Спустя сотую долю микросекунды после взрыва кварки в ней объединились по три и образовали протоны и нейтроны. Ни в одном эксперименте прошлого не удавалось "расколоть" протон и выбить из него отдельные кварки. Возможно с этим справится LHC, внутри которого для этих целей планируют разгонять тяжелые ядра свинца. Причем при столкновении этих ядер предполагается достичь температуры, в 100 тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца. Кроме этого, ускоритель LHC поможет экспериментально проверить ряд гипотез, претендующих на роль Единой Теории. Одна из них - теория суперсимметрии, неподтвержденная экспериментально. Она гласит, что для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер, который должен обладать очень тяжелой массой по сравнению с обычными частицами. Интересно, что теория суперсимметрии может обосновать наличие таинственной "темной" материи, которая существует и создает гравитацию, и на которую, как считают астрофизики, приходится более 95 процентов всего вещества во Вселенной. Существуют также множество других "экзотических теорий", не противоречащих тем экспериментальным данным об элементарных частицах, которые имеются у физиков в настоящее время. Например, ряд ученых полагают, что кварки и лептоны (самые мелкие частицы, открытые на сегодняшний день) не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных, еще не открытых частиц. Ученые надеются, что в ближайшие годы LHC сумеет разгадать эти и другие тайны Природы. Что касается практической выгоды от коллайдера, то предугадать ее на этом этапе довольно трудно. Ясно одно, что как и от любых достижений в фундаментальной науке польза от них появится - если не сейчас, то в будущем. Действительно, предполагали ли Максвелл и Фарадей, изучавшие электричество в 19 веке, что через какое-то время все люди на Земле будут пользоваться светом. А английский физик Джозеф Джон Томсон, открывший электрон (в 1897 году), что это поможет появлению телевизоров и массы других приборов. Рассчитывали ли разработчики полупроводников, что на их основе будут созданы современные компьютеры и разовьется Всемирная сеть Интернет. Скорее всего нет. В принципе вся нынешняя техника основана на достижениях в физике и химии сделанных за последние 100 лет. Так что ценность научных экспериментов трудно переоценить.

Ящик Пандоры или Новая эра

Наиболее обсуждаемой темой в связи с началом работы Большого адронного коллайдера стали сообщения о черных дырах, которые, как говорят, могут появиться во время экспериментов, став угрозой всему человечеству. В марте 2008 года в США рассматривался иск, в котором американцы Уолтер Вагнер (изучавший космическое излучение в Калифорнийском университете в Беркли) и Луис Санчо (говорит о себе как об авторе теории времени) обвинили CERN в попытке устроить конец света и потребовали запретить запуск коллайдера. В том же году немецкий профессор химии из Университета Тюбингена Отто Ресслер выступил с аналогичным требованием в Европейском суде по правам человека в Страсбурге. По мнению сторонников "катастрофического" сценария, черные дыры возникнут в результате столкновений частиц и поглотят ускоритель, затем Женеву, а после - и всю планету. Большинство же ученых уверяют, что беспокоиться не стоит. В течение миллиардов лет Земля непрерывно бомбардируется космическими частицами с энергией на порядок выше той, которую планируется достичь на LHC. И ничего страшного не происходит, говорят физики. Кроме того, приводятся примеры успешной работы других мощных ускорителей, ввод в строй которых в свое время также сопровождался слухами о вселенских бедах. Генеральный директор ЦЕРНа, нобелевский лауреат Робер Аймар официально заявил, что любые предположения о риске, который представляет Большой адронный коллайдер - чистая фантазия. С другой стороны, эти же ученые подтверждают, что в процессе столкновения частиц черные дыры появиться все-таки могут, но с одной, очень существенной оговоркой. Процесс их образования станет возможным, поясняют они, лишь в случае подтверждения очень смелой, ни разу не подтвержденной гипотезы. Причем по этой же гипотезе, черные дыры будут микроскопическими и с чрезвычайно малым сроком жизни - образовавшись они тотчас распадутся на обычные частицы и не успеют ничего поглотить.