Для чего строили коллайдер
Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Что это такое?
Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, построенный с участием 10 тыс. ученых из 100 стран мира. В коллайдере, длина которого около 100 километров, а диаметр превышает 25 километров, учёные «гоняют» частицы в попытке обнаружить новые и ранее неизученные свойства элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.
Найденный в 2012 году Бозон Хиггса — частица, которой, фактически, связываются электроны, протоны и нейтроны, простому обывателю не даст ничего. Но это пока. В перспективе Бозон Хиггса поможет создать новые системы связи и квантовые компьютеры, работа над которыми, к слову, уже началась.
Расширенное понимание природы и свойств Бозона Хиггса позволит создавать уникальные для техники будущего решения. Например, квантовый интернет с нулевой задержкой (пингом), который будет работать даже на Луне, или принципиально новые суперкомпьютеры, с помощью которых получится найти эффективное лекарство от рака или метод взрыва астероида, который угрожает Земле.
Антивещество – главная мечта ученых в ЦЕРН
Другое направление работ на Большом адронном коллайдере — поиск и «наработка» антиматерии — вещества с потенциально неисчерпаемым источником энергии. Антиматерия — это то, что возникло почти сразу после Большого взрыва и затем бесследно исчезло, оставив учёным лишь след из хлебных крошек.
Принцип получения антиматерии объяснять нет смысла — он слишком сложен для понимания даже тем, кто разбирается в точных науках, но про потенциальное применение антиматерии поговорить всё-таки стоит. В 2010 году учёные из ЦЕРН пояснили, что потенциально антиматерия обладает огромным запасом энергии. Если допустить, что двигатель, основанный на взаимодействии (или, точнее, противодействии) материи и антиматерии поместить в космический корабль, то незначительного количества вещества, нескольких миллиграммов, будет достаточно для полета хотя бы к краю Солнечной системы и возвращения.
Тот же самый принцип и с обычными высокопроизводительными реакторами. Искусственное получение антиводорода, к примеру, считают вменяемой, пусть и очень дорогой альтернативой пока нереализованным видам энергетики, таких, как термоядерный синтез.
БАК очень интересовал армию США, но никто не знает – почему
Известно, что через ведущие НИИ США DARPA заказывало разработку специальных детекторов для коллайдера и в ведомстве живо интересовались результатами работ по этой теме. Что именно интересовало американских военных сказать сложно, однако американские вузы, тесно связанные с DARPA, а также Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд будут активно участвовать и в другой, более крупной программе.
Через несколько лет на том же месте, где сейчас находится Большой адронный коллайдер, начнётся строительство суперколлайдера нового типа. В новом ускорителе частиц энергия столкновения должна увеличиться до 100 тераэлектронвольт (ТэВ), при том, что сейчас получают 14 ТэВ. Официально декларируется и цель — поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.
К чему приведут такие эксперименты сказать сложно. Физики считают, что включение в «крайние режимы» маловероятно, однако в действительности увеличение мощности суперколлайдера на несколько порядков может привести либо к трагедии, либо к получению супероружия. В 2008 году двое американцев даже пытались засудить Минэнерго США за участие в разгоне субатомных частиц до 99,99% скорости света.
Зачем вообще нужен LHC?
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
Придали ускорение: как с помощью адронного коллайдера создают физику будущего
Ровно 10 лет назад в истории современной физики (а заодно, возможно, и всего прогрессивного человечества) открылась новая глава: 10 сентября 2008 года в ЦЕРН официально объявили о запуске Большого адронного коллайдера. В работе одного из самых амбициозных проектов эпохи принимают участие ученые почти из сотни стран — в том числе и из России. Одна из главных организаций, которые представляют нашу страну среди участников исследований, — НИЦ «Курчатовский институт». Где находится компьютер, обрабатывающий данные с экспериментов на коллайдере, что такое современная меганаука и почему знаменитый «курчатник» считается одним из ее основоположников — в материале портала iz.ru.
В поисках физики будущего
Если говорить сухим научным языком, Большой адронный коллайдер (БАК) — гигантская установка, предназначенная для придания ускорения заряженным протонам (их называют адронами — отсюда и название установки) и ионам. Разгоняясь, частицы сталкиваются друг с другом — как раз результаты их соударений и исследуют ученые.
Правда, вскоре после запуска стало очевидно, что БАК — явление не только и не столько научное, сколько философское. Для кого-то его запуск стал символом науки будущего, для кого-то — предвестником едва ли не конца света. Ажиотаж понятен: те, кто от физики в целом был далек (то есть большинство тех, кто видел и обсуждал новости о запуске коллайдера), не могли остаться равнодушными к масштабам развернувшегося под Женевой действа.
Подземный тоннель, в котором располагается Большой адронный коллайдер
БАК сегодня считается самой крупной научной установкой в мире: длина подземного тоннеля, в котором и располагается труба ускорителя, составляет 27 км. Его конструкция предусматривает использование сразу семи мощных детекторов: четыре основных, расположенных недалеко от точек столкновения пучков, и три вспомогательных. Энергия, которая необходима для его работы, составляет почти 10% годовых энергозатрат всего кантона Женевы (он, между прочим, включает в себя 45 коммун, а его площадь составляет почти 300 кв. км).
Внимание научного сообщества к нему тем более понятно: Большой адронный коллайдер изначально создавался для того, чтобы уточнить, расширить или опровергнуть господствующую сегодня Стандартную модель. Она была создана в начале 1990-х годов и фактически должна была сменить теорию относительности Эйнштейна. Достичь этого не удалось, и сейчас вся фундаментальная физика использует сразу две общепринятые теории: Стандартную модель и эйнштейновскую теорию относительности.
Считается, впрочем, что за Стандартной моделью стоят намного более глубокие и пока неизученные явления, которые называют новой физикой. Так что главная цель БАК — помочь ученым сделать шаг по направлению к «новой физике».
Мировая сборная по большой науке
Работает Большой адронный коллайдер недалеко от границы Швейцарии и Франции, на территории Европейской организации по ядерным исследованиям.
Организация, больше известная под аббревиатурой ЦЕРН, существует с середины 1950-х годов и сегодня насчитывает чуть больше 20 стран-участниц, не считая государств-наблюдателей, которые тоже активно участвуют в работе лаборатории. Именно к таким, например, уже несколько лет относится Россия.
Постоянный штат ЦЕРН включает около 3 тыс. сотрудников, в то время как к работе над проектами здесь привлекают больше 6 тыс. ученых (в основном, физиков) из десятков стран.
Сотрудники ЦЕРН во время одного из экспериментов
Большой адронный коллайдер — самый масштабный проект в истории организации, а потому обладает особым статусом. Он объединил усилия почти 10 тыс. ученых более чем из 100 стран, и потому смело может претендовать на звание так называемого меганаучного проекта.
В первую очередь, с коллайдером работают ученые, занимающиеся физикой высоких энергий. Существенная часть этих специалистов — отечественные физики. С российской стороны работу над проектами, связанными с БАК, координирует научно-исследовательский центр «Курчатовский институт». Именно на его базе сейчас функционирует компьютерный центр, с помощью которого обрабатывают данные, полученные в результате экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере.
От первого реактора к адронному коллайдеру
Причастность Курчатовского института к проекту подобного масштаба вполне может считаться исторической закономерностью. Ведь в 1940-е годы здесь началась история всей советской атомной физики.
Тогда, в 1946 году, в небольшой лаборатории, созданной Игорем Курчатовым, смонтировали Ф-1. Это был первый в Евразии атомный реактор и, возможно, один из первых в мире проектов, связанных с так называемой меганаукой. То есть наукой национального, а позднее и транснационального масштаба, требующей гигантских инвестиций и, в то же время, способной решать глобальные проблемы человечества.
Реактор Ф-1, кстати, в Москве существует до сих пор на территории института, который с момента его запуска успел существенно измениться. Из небольшой засекреченной лаборатории № 2 он за несколько десятилетий превратился в крупнейшую российскую научную площадку, объединяющую большую часть ресурсов всего ядерно-физического комплекса страны.
Котел ядерного реактора Ф-1 на территории Курчатовского института
Впрочем, после взлета 1960-х годов пришел упадок 1990-х. Ученые, долгое время считавшиеся элитой советского общества, привыкшие к почету и определенному достатку, стали уезжать. Потеря для отечественной науки была существенной, но именно это во много позволило сформировать платформу для дальнейшей работы отечественных научных центров на мировой арене.
«В силу объективных причин существенная доля отечественного научного потенциала в те годы оказалась востребована в первую очередь на Западе, а не в России. И это был своеобразный «дарвиновский отбор» — стало понятно, какая именно часть советской науки наиболее конкурентоспособна в мире», — позднее объяснял Михаил Ковальчук, физик, сначала директор, а затем президент НИЦ «Курчатовский институт».
Так отечественные исследовательские центры смогли сконцентрировать усилия на подготовке специалистов именно в тех областях, которые были сильнее всего востребованы на мировой арене. И уже спустя несколько лет сами организации и их сотрудники стали неотъемлемыми участниками международных исследовательских программ.
На пути к меганауке
Активно сотрудничать с ЦЕРН Россия начала еще в начале 2000-х годов — до запуска коллайдера. В 2003 году правительство РФ и руководство ЦЕРН подписали соглашение о дальнейшем развитии научно-технического сотрудничества в области физики высоких энергий. А в 2012 году директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойн прибыл в Россию, где в том числе посетил и лаборатории Курчатовского института.
По его словам, уже на тот момент в экспериментах ЦЕРН принимали участие около 800 отечественных ученых. И тем важнее, по мнению Хойна, был тот факт, что большинство исследовательских ресурсов в отечественной физике были сконцентрированы в стенах Курчатовского института — это облегчало процесс взаимодействия и позволяло лучше координировать усилия. Однако особо в своей речи он тогда отметил участие России в создании коллайдера.
Одна из лабораторий НИЦ «Курчатовский институт»
«Роль России колоссальна не только в экспериментальной части, но и в строительстве коллайдера в целом. Технические сотрудники, инженеры, электронщики и другие российские специалисты принимали участие в создании БАК», — подчеркнул тогда директор ЦЕРН.
До последнего момента масштабные научно-технические проекты были историей не только про романтику открытий, но (иногда едва ли не в большей степени) и про государственный престиж.
«Сами по себе научные мегаустановки, их наличие в той или иной стране — это своего рода знак принадлежности к высокотехнологичному миру. Любое государство, которое делает шаги в этом направлении, начинает именно с этого. Наличием такой установки вы заявляете, что можете ее содержать и обслуживать», — объяснял Михаил Ковальчук несколько лет назад в интервью «Российской газете».
Президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук
Однако времена меняются, и реализовать проекты, подобные тому же Большой адронному коллайдеру, уже не под силу одному государству. Поэтому его работа сегодня — вопрос престижа одновременно для нескольких научных держав, активно занятых в развитии проекта. В декабре 2017 года стало известно, что Россия выделит 169 млн рублей организации на модернизацию коллайдера. Еще больше — около 300 млрд рублей — получат российские научные организации, РАН и Курчатовский институт, которые будут поставлять оборудование для установки.
Впрочем, для самого Курчатовского института международные проекты работой с БАК не ограничиваются. С начала 2010 годов научно-исследовательский центр является координатором российского участия, в том числе в исследованиях на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах в Гамбурге, в работе с Европейским источником синхротронного излучения в Гренобле и в экспериментах, которые проводятся на Международном термоядерном реакторе во французском Кадараше. Превращаясь, таким образом, из крупного национального исследовательского центра в центр развития меганауки — или науки будущего.