Журнал «Вокруг Света» №10 за 2003 год

Досье: Элементарная вселенная

Идею организации в Европе объединенного института ядерных исследований впервые озвучил французский ученый Луи де Бройль в 1949 году на Европейской конференции по культуре, проходившей в Лозанне. Вот фрагмент его речи: «…Наше внимание сосредоточено на создании новой международной организации для проведения научно-исследовательских работ, выходящих за рамки национальных программ… Эта организация могла бы взять на себя решение таких задач, объем и сущность которых не под силу какому-либо одному национальному институту… Это начинание оправдает затраченные усилия… укрепит связи между учеными разных стран, расширит сотрудничество, упростит распространение результатов научных работ и информации в целом. Кроме того, создание научного центра явится символом объединения интеллектуальных сил Европы».

Спустя год на Генеральной конференции ЮНЕСКО Пьер Оже и Эдоардо Амальди при поддержке Изидора Раби убедили европейские государства приступить к работе. В результате Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Europeen de la Recherche Nucleaire) появилась на свет уже в 1952 году. Но официальной датой ее создания считается 29 сентября 1954 года, когда все 12 стран-участниц ратифицировали договор. Сегодня их количество возросло до 20. Есть страны, такие как Россия, Китай, США и Япония, которые не являются членами ЦЕРН, хотя научные институты и промышленность этих стран принимают активное участие в создании ускорителей и детекторов, а также в проведении экспериментов и анализе полученных данных.

Руководящий совет организации состоит из представителей стран-участниц, по два – от каждой: один представляет правительство, другой – научное сообщество. Таким образом, совет имеет возможность соотносить пожелания ученых с финансовыми возможностями государств.

ЦЕРН размещается по обе стороны французско-швейцарской границы у подножия горного массива Юра, геологические и сейсмические условия которого являются наиболее подходящими для постройки столь огромных и точных сооружений, как ускорители элементарных частиц. Кроме того, расположение международной организации на территории двух стран как нельзя более соответствует демократическому духу ЦЕРН: открытости, сотрудничеству и солидарности в распространении знаний. В отличие от многих подобных национальных и интернациональных организаций как в России, так и в других странах эту ядерную «лабораторию» можно посетить с экскурсией без бюрократической волокиты и особых разрешений.

Сотрудничество ЦЕРН с Россией началось в 1960-х годах, когда европейские физики приехали под Серпухов, в поселок Протвино, чтобы принять участие в исследованиях на самом мощном (76GeV) по тем временам ускорителе. Холодная война 1950-х годов не располагала к доверию на международной арене. Но ученые – не политики: взаимный интерес к физике и желание понять друг друга помогли найти общий язык, завязалось не только тесное сотрудничество, но и крепкая дружба между учеными и даже их семьями. А когда в 1974 году в ЦЕРН построили ускоритель SPS мощностью 400 GeV, российские физики из многих научно-исследовательских институтов приняли участие в 20 проводимых на нем экспериментах. Часть этой программы продолжается и сегодня. В целом же сотрудничество с Россией, длящееся уже почти 40 лет, особенно окрепло за последние годы, когда руководство ЦЕРН приняло решение о строительстве нового сверхмощного ускорителя LHC.

Предназначение ЦЕРН – чистая наука, исследование фундаментальных вопросов Природы. Что такое вещество? Откуда оно появилось? Как оно объединяется в сложные объекты, такие как звезды, планеты и живые существа? Еще одна важная задача ЦЕРН – развитие технологий будущего: от материаловедения и электроснабжения до информатики и глобальных распределенных вычислений.

Сегодня микромир парадоксальным образом встретился с макромиром: свойства элементарных частиц стали определять судьбы Вселенной. Те эксперименты, которые планируются на Большом Адронном Коллайдере (LHC), должны вплотную приблизить нас к первым мгновениям жизни Вселенной. Ученые предполагают, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, стабильная материя, из которой все мы состоим, возникала не сразу, и некоторое время мир представлял собой некий конгломерат основных строительных кирпичиков – действительно элементарных частиц: электронов, мюонов, кварков, глюонов, нейтрино и гамма-квантов.

В глубинах Вселенной астрономы с интересом ищут отголоски тех далеких времен. И вот совсем скоро, в 2007 году, ученые-физики планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каковым он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва.

Интерес теоретиков к ускорителю LHC крайне велик. Уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Но экспериментально существование бозона пока подтвердить не удалось: все надежды – на ускоритель LHC.

Процессы, происходящие при столкновении элементарных частиц на ускорителях, поразительны: кинетическая энергия там преобразуется в массу! Разогнанные до предельных – почти световых – скоростей частицы, врезаясь друг в друга, рождают целый каскад новых частиц, в том числе и таких, которые имеют массу в тысячи раз больше, чем изначально сталкивающиеся. В нашем мире это можно было бы представить как появление десятков ядер для Царь-пушки при лобовом столкновении двух бильярдных шаров… Микромир устроен совершенно иначе. В нем энергия легко переходит в массу и, наоборот, – масса превращается в энергию. Именно за этими процессами наблюдают сегодня ученые-физики, сталкивая между собой электроны, позитроны, протоны, антипротоны и ядра тяжелых атомов. Сейчас трудно предугадать, во что воплотятся через 50 лет те открытия, которые произойдут в ближайшие десятилетия, но если открытий не делать, то не будет и воплощений…

Быстро привыкая к удобствам: плоским экранам, компактным СВЧ-печам, компьютерным навигаторам в автомобилях и так далее, мы часто даже не задумываемся над тем, что все это стало реальным благодаря физике. Точнее, благодаря открытию электрона – частицы, отвечающей за абсолютное большинство протекающих вокруг нас электрических процессов. Это открытие полностью изменило нашу жизнь, и еще очень долго именно электромагнитные процессы будут определять наши успехи, достижения и неудачи в освоении окружающего мира. В целом же вся современная техника основана на достижениях, сделанных в областях физики и химии еще в первой половине XX века. Так, без разработки полупроводниковых приборов не было бы и современных компьютеров, и Всемирной сети Интернет. Именно в тот период человечество шагнуло в эру освоения электричества как универсального источника энергии, как носителя и средства обработки информации.

Что же касается ускорителей, то на первый взгляд эксперименты на них кажутся очень далекими от задач народного хозяйства. Но это далеко не так! Ускорители «притягивают» к себе самых умных и активных представителей человечества, а те, в свою очередь, выдают «на-гора» полезнейшие разработки, начиная от рентгеновского аппарата и кончая новой компьютерной системой GRID. Эта система в скором времени станет незаменимой при обработке огромного потока информации, которая начнется с запуском ускорителя LHC.

В нашей жизни есть и другие ускорители, компактность которых не мешает им также «притягивать к себе». Это, конечно же, телевизоры. Совсем недавно каждый из них обязательно имел электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) – простейший линейный ускоритель электронов, который, кстати, содержит практически все принципиальные узлы ускорителя. А именно – катод, испускающий заряженные частицы; электроды, модулирующие и ускоряющие частицы; систему фокусировки луча; магниты, отклоняющие поток частиц; вакуум, не препятствующий полету частиц, и люминофор, делающий видимым поток электронов (аналог системы датчиков, регистрирующих частицы).

На самом деле ускорителей вокруг нас гораздо больше – это все электровакуумные приборы, начиная от диодов и триодов и кончая магнетронами, работающими в СВЧ-печах и радиолокаторах. Стоит отметить, что и привычная флюорография родилась как побочный продукт изучения процесса ускорения и резкого торможения электронов в катодной трубке. Оказалось, что, резко тормозя, заряженные частицы излучают жесткое электромагнитное излучение – Х-лучи, как назвал их первооткрыватель В.К. Рентген в ноябре 1895 года.

Обыкновенный портативный дозиметр, позволяющий спокойно гулять по загрязненной нашими общими усилиями Земле, – это тоже изделие ядерной физики, и входящий в его состав счетчик Гейгера-Мюллера в некотором смысле – тоже ускоритель электронов. Способность рентгеновских и гамма-лучей убивать все живое сегодня активно применяют для того, чтобы стерилизовать продукты и обеззараживать медицинские изделия. Такая холодная дезинфекция часто бывает гораздо эффективнее горячей и требует меньше времени и энергии.

Упомянутые выше Х-лучи стали причиной еще одного важного начинания. Именно за их открытие в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену была присуждена первая в мире Нобелевская премия по физике. При награждении отмечалась «важность этого открытия для практической хирургии… и лучевой терапии…». Таким образом, ядерная физика и ускорительная техника с самых первых дней стали верой и правдой служить людям. Эти два направления из области физики элементарных частиц – наблюдение скрытых от глаз процессов и явлений и воздействие на живую и неживую природу с помощью специальных «лучей» – и сегодня являются самыми перспективными и востребованными.

Современные компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь человеческого организма и понять, что там неправильно функционирует, – это детище ядерной физики, научившейся не только формировать узкие сканирующие пучки и регистрировать интенсивность невидимого излучения, но и восстанавливать картину поглощения рентгеновских лучей, то есть строение внутренних органов человека.

Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.

Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году.

Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.

Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за 3 секунды, а за 10 – достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины «Формулы-1» не могут достичь 400 км/ч. В микромире – другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.

Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон-вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус ускорительного кольца, необходимого для получения нужных энергий.

Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими – синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.

Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наи+более продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.

В целом общее свойство всех ускорителей, включая линейные, – постепенность в накапливании энергии. Еще одна их особенность – это одновременное ускорение нескольких больших сгустков заряженных частиц – банчей (bunch). Так, на ускорителе LHC (Большом Адронном Коллайдере) планируется ускорять около пяти тысяч таких банчей, и каждый из них будет содержать до сотен миллиардов протонов. Суммарная энергия этих суперрелятивистских частиц будет достигать 500 миллионов джоулей при толщине сфокусированного пучка 20 миллионных долей метра.

В ускорителе, вращаясь навстречу друг другу, одновременно будут носиться два таких пучка. В четырех точках, как раз там, где расположены измерительные комплексы, эти пучки будут пересекаться, порождая столкновения протонов между собой. Сгустки протонов будут встречаться 40 миллионов раз в секунду, каждый раз выдавая около 20 протонпротонных столкновений. Далеко не все из происходящих в ускорителе событий будут интересны физикам, но все акты столкновения они обязательно зафиксируют и поместят в базу данных. Причем каждое столкновение будет генерировать до 10 миллионов бит информации. Помимо этого, здесь планируется запечатлеть рождение хиггсовского бозона, упомянутого выше. Если все состоится, то само рождение будет хоть и неоднократным, но все же для микромира крайне редким: одно на 10 триллионов столкновений. Ведь для такой удачи нужно, чтобы не только протоны, но и входящие в их состав кварки врезались точно «лоб в лоб», поэтому в день ожидается одна «божественная частица» и не более. Управлять процессом столкновения частиц, то есть направлять их «лоб в лоб», пока невозможно. Они летят навстречу случайным образом, цепляя друг друга, как получится. И только благодаря огромному количеству этих касаний и столкновений у исследователей появляется материал для самого разного рода теорий и гипотез, позволяющих во многом понять, как устроен мир.

На Большом Электрон-Позитронном Коллайдере, который раньше находился в 27-километровом подземном кольце ЦЕРН, при единичном столкновении возникало до 1 500 вторичных частиц. На новом ускорителе LHC это число возрастет до 50 000. Расшифровка процессов соударения разогнанных частиц будет происходить с помощью огромной системы датчиков, фиксирующих пути и энергии родившихся частиц. Сегодня это возможно: современные измерительные комплексы содержат миллиарды транзисторов и сотни тысяч индивидуальных датчиков – сцинтилляционных пластин, кремниевых сенсоров, дрейфовых трубок, газоразрядных камер, мюонных и адронных калориметров, фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. Для того чтобы можно было развести между собой пути заряженных частиц с разными массой и энергией, на всю эту систему датчиков накладывается еще и магнитное поле.

Потоки данных, генерируемых LHC, ожидаются огромными. Для сравнения можно сказать, что они будут превышать объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Такие прогнозы заставляют искать принципиально новые способы обработки и хранения данных. И как в свое время «WWW» – простой и доступный для любого пользователя способ вхождения в сеть – был изобретен именно в ядерной лаборатории, так и сегодня новая технология распределенных компьютерных вычислений GRID рождается и испытывается здесь же.

Тысячи ученых во всем мире готовятся и с нетерпением ждут этой лавины информации, поскольку глубинные тайны Вселенной обещают открыться в ближайшие годы. Если же ожидаемые частицы не будут найдены, то придется пересматривать не только Стандартную Модель современной физики частиц, но и множество других теорий мироздания. Сегодня трудно точно сказать, какие загадки Природы сумеет разгадать LHC, но одно известно точно – человечество шагнет в новую эпоху фундаментальных открытий.

Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии, или SUSY. Следуя этой теории, для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, то часть этих суперсимметричных частиц должна быть найдена с помощью ускорителя LHC. По этой теории – на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другими спином и массой, называемая «скварк», а на каждый лептон – свой «слептон». Такие переносчики энергии, как фотоны, W– и Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон приобретает сразу несколько партнеров.

SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может обосновать наличие таинственного «темного» вещества во Вселенной, которое существует и создает гравитацию, но больше никак себя не проявляет. Некоторые физики предполагают, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Таким образом, предельно высокие уровни энергии LHC позволят экспериментально проверить многие теории. Для разрешения этих вопросов в 2007 году на ускорителе LHC будут запущены два самых крупных эксперимента – ATLAS и CMS.

Детекторы напоминают цилиндрические «луковицы» размером с многоэтажный дом, наполненные сложной сверхсовременной аппаратурой и электроникой. Столкновения происходят в центре детектора, различные слои которого определяют свойства рождающихся частиц. Ближайшие к центру трековые детекторы позволяют «видеть» траектории заряженных частиц, образовавшихся при столкновении. Затем размещены калориметры – приборы, измеряющие энергию, – здесь большинство частиц заканчивает свой путь. Внешние слои «луковицы» состоят также из трековых детекторов для регистрации мюонов.

Магниты, встроенные в детекторы, позволяют измерить импульсы частиц по отклонению в магнитном поле. Каждую секунду на ускорителе будет происходить до миллиарда столкновений, а каждое столкновение даст около 10 миллионов единиц информации. Обработка и анализ информации будут одновременно вестись во всех участвующих институтах. Для этого разработан принципиально новый подход распределенных вычислений. А для его реализации будет создана всемирная компьютерная сеть GRID, которая в будущем дополнит WWW, обязанную своим появлением на свет также ЦЕРН. Именно здесь в 1989 году Тим Бернерс-Ли и Роберт Кай изобрели мировую компьютерную сеть WWW, что явилось откликом ЦЕРН на быстро развивающееся научное сотрудничество. Сегодня планируемые эксперименты LHC требуют невиданного до настоящего времени уровня глобальной интеграции вычислительных ресурсов. Особенность экспериментов – невероятно большой поток данных: годовой прирост объема будет составлять петабайты (миллионы гигабайт). Эта информация должна быть сохранена, обработана и проанализирована.

1967 Между ЦЕРН и Государственным комитетом СССР по использованию атомной энергии подписано первое соглашение о сотрудничестве.

1968-1975 Участие европейских физиков в экспериментах на ускорителе У-70 в Протвино. Более 300 физиков работали в 10 совместных экспериментах. Для этой программы ЦЕРН поставила научную аппаратуру стоимостью около 100 млн. швейцарских франков.

1975-1989 Участие российских ученых в 15 экспериментах на ускорителе SPS с энергией 400 ГэВ и в подготовке экспериментов на электрон-позитронном коллайдере LEP.

1989-2000 Проведение совместных экспериментов на коллайдере LEP в ЦЕРН. Для программ на SPS и LEP промышленностью России было изготовлено и поставлено в ЦЕРН уникальное научное оборудование общей стоимостью около 100 млн. швейцарских франков.

1993 Подписание соглашения между Правительством Российской Федерации и ЦЕРН о дальнейшем развитии научно-технического сотрудничества в области физики высоких энергий.

1996 Подписан протокол между Министерством науки и технической политики Российской Федерации и ЦЕРН об участии России в проекте «Большой Адронный Коллайдер» (LHC).

Около 720 российских физиков и инженеров (приблизительно 15% от общего числа членов коллабораций) принимают непосредственное участие в подготовке четырех экспериментов на LHC.

Россия получила статус Наблюдателя в Совете ЦЕРН, и все заседания по подготовке экспериментов на коллайдере проходят при непосредственном участии российских представителей.