Про эту вашу физику

Глава 9 Ускорители и коллайдеры

Мы считаем, что пару слов надо бы уделить ихним коллайдерам. Современный гуманитарий должен знать, что коллайдер (а также ускоритель и детектор) это не машины судного дня, не средства для вызова демонов из преисподней и даже не средство связи с рептилоидами, а всего лишь — дорогущие игрушки, в которых ученые гоняют свои частицы и иногда сталкивают. Как бы ни был далек обыватель от этих игрищ, как бы он не осуждал гранты, выдаваемые на постройку новых ускорителей, вместо финансирования родного сердцу оборонного бюджета, но ему (обывателю) следует запомнить: тот же Большой Адронный Коллайдер — шедевр прямых рук человеков этой планеты. Памятник прогрессу и символ любознательности нашей цивилизации! В общем, немного расскажем про вот это вот всё.

Первые коллайдеры, если на то пошло, использовались еще в 19 веке. Самый известный из них — в опыте Резерфорда, когда тот за каким-то лешим стрелял альфа-частицами по золотой фольге. Додумаются же с безделья. То, что альфа-частицы — это ядра гелия Резерфорд еще не знал — их испускал радиоактивный источник, а студенты, которым был очень нужен зачет, записывали результаты и восхищались, какой, мол, Резерфорд умный и гениальный. В ходе этого эксперимента частицы пролетали сквозь фольгу и врезались в экран покрытый сульфидом цинка, порождая малюсенькую вспышку света. И так бы они и смотрели свое кино, если бы пытливые умы не догадались поставить дополнительный экран вокруг фольги. Тут то они и заметили вспышки, как бы намекающие на то, что альфа-частицы не только пролетают через фольгу, но еще и отскакивают. Траектория и статистика отскоков привела ученых к догадке, что внутри атома есть что-то твердое. Так родилось новое научное развлечение в физике — разгадывать происходящее по следам (трекам) частиц.

Впрочем, ничего нового тут не было. Наш глаз улавливает следы столкновения фотонов с окружающими вещами, а мозг делает вывод о форме, размерах, цвете этих самых окружающих вещей. Мы сами себе детектор и коллайдер, если подумать.

Но что делать, если хочется обстрелять что-то поменьше атомного ядра. Что если хочется разглядеть нечто, имеющее размеры меньше длины световой волны, попасть в цель, которую световая волна просто «огибает»? Там на межкварковых расстояниях прячутся такие секреты мироздания, от которых начинает сильнее биться сердце и болеть живот.

А тут еще и Эйнштейн со своей формулой, которая обещает, что энергия и масса это одно и то же. То есть, если вкачать в точку пространства побольше энергии, то можно из этой энергии создать вещество с массой и при некоторой сноровке назвать полученное смешным названием. Не вопрос! Только дорого. Поэтому ученые начали обрабатывать власть имущих на предмет «дайте денег». В 50-х годах прошлого века они все объединились в организацию под названием ЦЕРН (Европейский совет по ядерным исследованиям), чтобы было удобнее вымогать деньги на так называемые эксперименты.

Лучший способ создать благоприятные условия для исследования микромира — это разогнать известные и доступные частицы до больших скоростей (то есть придать им побольше энергии), столкнуть с чем-нибудь таким же крепким, а затем внимательно изучить место столкновения — там должны остаться очень интересные следы. Если кто-то из наших читателей застал прошлое столетие, то он может припомнить такую штуковину, как электронно-лучевая трубка: в ней электронная пушка выпускала электроны, а специальные магниты направляли их на экран, где от врезавшегося электрона появлялся след. Миллионы выпущенных электронов складывались в картинку, и люди смотрели любимые сериалы и рекламу через устройство, известное в археологии как кинескоп телевизора.

До перехода к рассказу о коллайдерах стоит упомянуть еще один классный тип устройств — пузырьковые камеры. Если взять ёмкость с жидкостью, которую специальным образом нагрели выше температуры кипения (это чудо называют перегретой жидкостью), то некоторые пролетающие через ёмкость частицы будут оставлять за собой след из пузырьков. Мы как-то видели пузырьковую камеру Вильсона, где вместо жидкости используется, перегретый пар, в одном научном музее и восхищено стояли возле нее, пока не пришел сторож и не прогнал нас. В общем, рекомендуем (камеру Вильсона, а не сторожа, конечно же) — на это стоит посмотреть.

Итак, люди начали стрелять частицами по мишеням или сталкивать их друг с другом. Названия устройств для столкновения были специально страшными, чтобы обыватели держались от всего этого подальше: синхрофазотрон, синхротрон, тэватрон, беватрон, и так далее.

Вообще ускорители частиц бывают двух типов: линейные и кольцевые. На первых частицы разгоняют на прямой траектории, а на циклических, ясное дело, запускают по кругу. И те, и другие имеют свои недостатки и преимущества, поэтому используются для разных нужд.

А в 80-х годах в Европе задумали построить Большой Электронно-Позитронный Коллайдер (сокращенно LEP). В нем энтузиасты сталкивали электроны с позитронами, то есть частицу и античастицу. Столкновение приводило к интереснейшим последствиям. Если вы читали предыдущие лекции, то вам приятно будет узнать, что именно на LEP изучали W и Z — бозоны, а также подтвердили единство электромагнитного и слабого взаимодействия (электрослабое взаимодействие).

Однако работа с антивеществом — довольно энергозатратная штука и по сей день. На одном ускорителе сталкивали протоны с антипротонами, и, поверьте, хранение антипротонов было той еще головной болью для инженеров. Антивещество только и мечтает, чтобы аннигилировать в пучок фотонов и, привет семье, как говорится.

Кроме того, ученые наигрались в имевшихся коллайдерах и сказали, мол, им нужны игрушки побольше. На существующих энергиях столкновения они, видите ли, все уже посмотрели. И теперь желают ловить рыбу покрупнее. Вот, например, бозон Хиггса или гравитон — их можно попытаться получить, если хорошенько разогнать тяжелые частицы, потратив за секунду электроэнергии, которой бы хватило на сезонное освещение небольшого альпийского городка (ЦЕРН не производит электроэнергию!).

Европейские правительства чего-то сомневались в необходимости финансирования строительства нового коллайдера, но тут американцы, в то время доминирующие в ядерной физике, решили тоже строить у себя в Техасе свой супер коллайдер с кольцами и лаборантками. Его назвали SSC — сверхпроводящий суперколлайдер (одобрен в 1987-ом), и на нем собирались наоткрывать всякого на пару столетий вперед. В том числе и темную материю. Поэтому разум европейских властелинов дрогнул, и началась совместная стройка Большого Адронного Коллайдера, который, полагаем, сегодня известен каждому.

Что интересно, американцы не сдюжили. В середине 90-х проект закрыли, мол, деньги нужны в другом месте. И американцы в кои-то веки потеряли первенство в передовых фундаментальных исследованиях. О чем до сих пор жалеют.

А к строительству БАКа начали подтягиваться другие страны, в том числе Япония, Канада и Россия. По нашим сведениям многие детали и запчасти ускорителя создавали в Новосибирске — здорово же? В конце концов американцы тоже вложились в проект. И коллайдер, как мы сказали в самом начале, стал одним из самых крутых символов сотрудничества народов во имя науки. А мы вот, например, холодильник в офисе поделить не можем…

Для Большого Адронного Коллайдера решили использовать туннели LEP, они идут под землей на глубине около 100 метров с перепадами.

Старый коллайдер разобрали (около 2000-го года) и стали собирать новый. Впрочем, проблем это не убавило. Если пересказывать все трудности, с которыми столкнулись строители и инженеры, получился бы неплохой фильм-катастрофа для любого прораба, инженера или бухгалтера.

Например, когда копали яму для детектора CMS, обнаружили остатки римского дворца 4 века нашей эры. Пришлось отбиваться и, возможно, откупаться от археологов. Или как-то обнаружилось, что подземные воды поднимают почву — а ведь любые даже незаметные движения и колебания в туннелях в будущем гарантированно испортят тонко настроенную аппаратуру. А еще спонсорами постоянно предпринимались попытки сократить финансирование, по ходу строительства в разы увеличивались расходы, казалось бы проверенные поставщики оборудования всучивали брак. Мы не представляем, как начальник всего этого, некий Линдон Эванс, смог пережить строительство практически здоровым. Вот они — герои нашего времени!

В Большом Адронном Коллайдере на огромных скоростях сталкивают пучки протонов. Сами протоны получают относительно просто: нагревают атомы водорода, они теряют электроны, в результате чего остаются ядра-протоны — это как арахис пожарить на сковородке. Накопив побольше таких жареных ядер, их засылают в коллайдер в количестве около трех тысяч пучков. В одном пучке собрано примерно сто миллиардов протонов. Вы же не думали, что они там реально сталкивают два протона? — такой точности столкновения невозможно добиться совсем не по техническим причинам, а вследствие некоторых неприятных законов природы.

И вот эти стомиллиардные пучки протонов с интервалом в десять метров начинают гонять по кругу, чтобы придать им еще больше скорости, импульса, энергии. Длина окружности равна 27 километров, и пучки делают полный круг 11000 раз в секунду. Ну, круто же?

Пучкам придают скорость специальные акселераторы, расположенные по окружности. А вылететь за пределы круга протонам не позволяют специальные магниты, создающие сильное магнитное поле (в миллион раз больше магнитного поля Земли, между прочим), корректирующее движение пучков.

Чтобы магниты работали как надо и не переохлаждались, температура в коллайдере удерживается на отметке 1.9 К. Заметьте, что это ниже температуры Вселенной, — в коллайдере холоднее, чем в космосе. Холод создается специальной оболочкой из жидкого гелия в состоянии сверхтекучести (сто тонн на один магнит). Стоимость одного такого магнита около 700 000 евро, а всего их 1232 штуки. Попробуйте представить, как эти магниты доставляли к месту эксплуатации, а затем опускали в тоннели — ювелиры нервно курят в сторонке. А кто-то все еще восхищается строительством египетских пирамид, уверяя, что ничего более точного и эпичного на планете не создано.

(На картинке ниже изображен принцип разгона частиц на линейном ускорителе).

Итак, рано или поздно пучки протонов (длиной 10 см и шириной 1 мм) натравливают друг на друга внутри так называемых детекторов, начинка которых предназначена для регистрации разного рода событий. Сами понимаете, что вероятность столкновения двух сотен миллиардов протонов — не нулевая. Встречи происходят на мельчайших расстояниях: порядка одной десятой от одной тысячной от одной триллионной доли миллиметра (10^–19 м). И кое-где при встрече случается ДТП, оставляющее после себя важные и интересные следы, моментально улавливаемые этими самыми детекторами. Они тут же анализируются компьютерами, без которых вряд ли можно было бы осилить такую статистику: в среднем за секунду происходит реально около миллиарда событий, и среди них ученым нужно найти своё — заветное.

Ввод коллайдера в эксплуатацию ознаменовался эпичной драмой. Сначала все было хорошо — в сентябре 2008 года пучки протонов покатались по кольцам. Но 19 сентября случилось то, что никогда не было, и вот опять. Халтурная пайка медной оболочки в магните, плохой контакт, искра в контейнере с жидким гелием, мгновенно превратившийся в пар, взрыв, сдвиг оборудования, потеря вакуума, сажа в трубках, повреждение приборов.

Ремонт занял год времени. Ох уж эти ученые — не опустили руки, хотя уверены, что с горя было выпито немало алкоголя.

В ноябре 2009 года протоны снова полетели по кольцам. Теперь успешно. 23 ноября совершилось первое столкновение частиц на Большом Адронном Коллайдере.

А через два с половиной года, в июле 2012 года все страдания и затраты человечества по постройке коллайдера окупились: ученые объявили, что они, кажется, нашли бозон Хиггса. Конечно, человечество, занятое своими дрязгами и взаимными претензиями, почти не заметило событие, и большинство прочитавших новость в очередной раз презрительно высказалось о попиленных грантах и шарлатанах из ЦЕРНа. Но по факту мы шагнули на еще одну ступеньку на пути к пониманию мироздания. Как же здорово это было!

Что ж, в заключении осталось объяснить впечатлительным читателям, почему коллайдер это друг, а не враг. Многие алармисты, включая и наших соотечественников, с момента запуска коллайдера уверены, что на БАКе в результате экспериментов обязательно появится черная дыра и затянет в себя нашу планету, солнечную систему и галактику. Эти интересные люди не только снимали фильмы и публиковали панические статьи, но даже подавали в суд на ЦЕРН.

Что ж, спустя более чем десять лет, мы так и не дождались пожирающей всех черной дыры — это ли не лучший аргумент против паникеров?

Тем не менее, строго говоря, вероятность получения малюсенькой черной дыры в результате столкновения частиц вполне существует. Правда, для этого нужно, чтобы некоторые допущения в физике оказались реальностью, а не гипотезами. К тому же такие дыры если и появятся, то так же быстро исчезнут, испарятся, аннигилируют или как там это у ученых называется. Но самым убедительным доводом против конца света является замечание усталых исследователей о том, что вообще-то то, что мы делаем в коллайдерах, постоянно происходит в верхних слоях атмосферы Земли, где жесткое космическое излучение врезается в вещество. Энергии там сопоставимые с безобразиями на коллайдерах. И — ничего. Никаких дыр, только помехи для связистов и головная боль у метеозависимых. А что говорить о подобных процессах в атмосфере гигантских звезд? И к слову, какие бы аргументы мы ни приводили за и против черных дыр, но за все время экспериментов исследователи так и не получили ни одного хоть немного подозрительного свидетельства черной дыры. Фейл, короче.

Так что, спим спокойно. Пока. Ученые тем временем мечтают о еще более крутом ускорителе. Сроки уже озвучены: к 2040-ым годам, и даже имеется рабочее название: Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider). Мы уверены, что они получат свою игрушку. Запасаемся попкорном!