Адронный коллайдер из первых уст: «Мы исследуем детали машинки, сломавшейся 14 млрд лет назад»

Каждое лето журнал «Русский репортер» проводит масштабный образовательный проект – «Летнюю школу» для студентов, школьников и всех, кто имеет какое-то отношение к журналистике. В течение нескольких недель «летнешкольники» из разных уголков страны посещают лекции и практические занятия с ведущими педагогами, журналистами, учеными России и других стран.

Одну из «золотых» лекций для "летнешкольников" прочитал инженер Института ядерной физики имени Будкера СО РАН, старший преподаватель Специализированного учебно-научного центра Новосибирского государственного университета Илья Орлов. Новосибирский ученый занимается физикой элементарных частиц, участвовал в экспериментах в Новосибирском институте ядерной физики и в Большом адронном коллайдере Европейского центра ядерных исследований (CERN, в рамках проекта ATLAS) в Женеве, Швейцария. Корреспондент NN.RU, участник Летней школы, выбрал цитаты из его выступления.

Элементарные кирпичики

«Строение вещества – один из основных вопросов физики и науки вообще. Он тесно связан с другим: откуда взялся мир, в котором мы живем? Откуда взялись законы: физические, химические, биологические, - которые нами управляют? Ещё в Античности люди придумали, что мир состоит из молекул и атомов. Однако в XX веке ученые выяснили и доказали, что атом, как и его ядро, и входящие в него протоны и нейтроны, замечательно делятся. В 1960-е годы выяснилось, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Пока не доказано, что кварки также делимы, считается, что они занимают элементарный уровень строения вещества. Их изучает физика элементарных частиц.

Все, что окружает нас, состоит из небольшого количества «кирпичиков». Это два разных u-кварк и d-кварк (они формируют протон и нейтрон), электрон (вращается вокруг положительно заряженного ядра атома) и фотон (частица света). Чтобы найти другие элементарные частицы, нужно постараться: либо поймать те, что прилетают из далекого космоса, либо построить коллайдер»

Гости из космоса

«В секунду через каждого из нас пролетает примерно 30 элементарных частиц, прибывших из космоса. В основном это нейтрино, протоны и нейтроны. Есть частицы очень интересные, с очень высокими энергиями, которые нам, физикам, ещё предстоит исследовать. Проблема в том, что такие частицы попадаются редко: одна на квадратный километр в год. Если мы хотим зарегистрировать хотя бы десяток, нам потребуется установка площадью 10 кв.км. и год ожидания. Либо установка площадью в один кв. км. и десять лет ожидания. Никакого терпения не хватит.

Для этого человечеству и потребовался собственный источник элементарных частиц. Чтобы создать его, понадобилось больше 60-ти лет. Приборы, которые положили начало серии экспериментальных физических установок, называются коллайдерами.

Самый первый в мире коллайдер был разработан и сконструирован в 1963 году в Институте ядерной физики в Новосибирске под руководством академика Г.И. Будкера. Прибор был двухметровой высоты и назывался ВЭП-1 (встречные электронные пучки № 1). Он проработал до начала 1980-х годов и сейчас стоит в НГУ в качестве музейного экспоната.

Через полтора месяца после запуска установки в Новосибирске её аналог начал работу в Стэнфордском университете США, под руководством профессора В. Пановски. Двухмильный электронный линейный ускоритель - труба длиной 3 км – завершил свою работу совсем недавно.

Но у каждого прибора – свой предел: мощности, точности и так далее. потребовались установки нового поколения. На первые коллайдеры они непохожи. Это огромные комплексы «Дези» возле Мюнхена, «Hera» и «Petra» на юге Германии. Но самая крупная установка на Земле – это, конечно, Большой адронный коллайдер на границе Франции и Швейцарии».

ДТП в коллайдере

«Допустим, у ребенка есть игрушечная машинка. Чтобы понять, из чего она состоит (а гайки малыш развинчивать ещё не умеет), он шарахает её об стену. Ещё более удобный метод, дающий больше информации, - взять две машинки и шарахнуть их друг об друга. Примерно так работает коллайдер. Ученые берут отдельно пучок электронов и отдельно – пучок позитронов (антиэлектронов) и разгоняют их почти до скорости света. А затем, как две машинки, сталкивают лоб в лоб. В отличие от машинок, которые при этом разваливаются на куски, частицы взаимодействуют. При столкновении электрона и антиэлектрона (позитрона) происходит так называемая реакция аннигиляции. Материя целиком и полностью превращается в чистую энергию по формуле Эйнштейна E = γmc2.

Это мечта всего человечества: превращать мусор и отходы в чистую энергию и жить безбедно.

Это мечта всего человечества: превращать мусор и отходы в чистую энергию и жить безбедно. К сожалению или счастью, мы сами так делать пока не умеем. В ускорителях получается клубочек чистой энергии, который существует микроскопические доли секунды (10 в степени -31), а потом из него рождаются новые элементы. Из шарика чистой энергии могут родиться позитрон и электрон, протон и антипротон, телевизор и антителевизор и так далее. Чем больше энергии у изначальных частиц (электрона с позитроном), тем больше частиц родится при их столкновении, тем более интересными они будут. Естественно, мы стремимся разогнать их до очень больших энергий, чтобы много всего интересного, вкусного появилось».

Строение коллайдера

«Задача со столкновением элементарных частиц – достаточно интересная. Диаметр пучка электронов в ускорителе – сотая доля миллиметра. Длина пучка – несколько сантиметров. Две этих сверхтонких иголочки нужно провести по ускорителю на расстоянии нескольких десятков, а то и сотен километров: сделать так, чтобы они не об стенку шмякнулись, а друг с другом столкнулись. В масштабе человека это выглядело бы так. Одного пришлось бы посадить здесь, а другого – на альфа Центавре. Затем дать каждому по пистолету и заставить их выстрелить так, чтобы пуля в пулю попала. Понятно, что столкновение элементарных частиц - очень сложная инженерно-техническая задача. Тем не менее, ученые с ней вот уже 50 лет успешно справляются.

Вы все видели ускоритель и до коллайдера. Большие телевизоры наших бабушек и дедушек включают электронно-лучевую трубку. Она тоже является ускорителем элементарных частиц. Электроны из розетки разгоняются электрическим током, отклоняются магнитным полем и шарахаются в специальную мишень из люминофора. Из люминофора вылетает фотончик – частица света, - попадает вам в глаз, и вы видите мультик. В первых ускорителях было примерно так же. Разгонялся пучок, шарахался в мишень, из неё вылетало что-то интересное. Но энергетически это было очень невыгодно. Гораздо удобнее были ускорители, работа которых основана на столкновении встречных пучков. Именно за разработку метода встречных пучков академику Г.И. Будкеру дали Сталинскую премию. Хотели дать Нобелевскую, но не успели.

Бывают ускорители гораздо больше тех, что в телевизоре. В туманностях, в ядрах галактик, в межзвездном пространстве по пока непонятной науке причине могут существовать очень большие электромагнитные поля, которые разгоняют частицы до очень больших энергий, недостижимых в наших лабораторных условиях. Если сравнивать Большой адронный коллайдер и космические лучи, то затрачиваемый на Земле объем энергии меньше примерно в миллиард раз».

Коллайдер космического масштаба

«Большой адронный коллайдер – это крупнейшая физическая установка на земле. Это вообще крупнейшая штука, когда-либо сделанная человечеством за его историю. Египетские пирамиды и Великая китайская стена нервно курят в сторонке.

Установку строило порядка 10 000 человек из 120 стран мира. Удивительно, как так много людей: физиков, химиков, инженеров – собралось вместе, что они двадцать лет месте делают одну вещь, и это даже не бомба. Большой адронный коллайдер - это первый в мире опыт такого масштабного мирного сотрудничества, который к тому же удался.

Инженерно-техническое сооружение расположено на глубине 100 метров, на границе Франции и Швейцарии. Чем удобно местоположение установки? Во-первых, это центр Европы: есть вся необходимая инфраструктура, рядом - международный швейцарский аэропорт. Во-вторых, территория сейсмически неактивна: горы старые, землетрясения тут бывают крайне редко. Рядом с коллайдером находится Европейский центр ядерных исследований (CERN), крупнейшая физическая лаборатория в мире.

Коллайдер почти круглый, поскольку так удобнее управлять пучками. На глубину в 100 метров установка закопана по двум причинам: чтобы не мешать человечеству и чтобы человечество не мешало. Если такая 27-км дура будет на поверхности Земли, ни пройдешь, ни проедешь. Кроме того, в плоскости кольца достаточно сильное радиационное излучение. Но, в отличие от Чернобыльской АЭС и Фукусимы, коллайдер выключается, как лампочка, одним щелчком, и радиация пропадает практически мгновенно. Для работы комплекса требуется большое количество электроэнергии. Если его недостаточно сильно удалить установку от других потребителей, будут неполадки.

Удивительно, как так много людей: физиков, химиков, инженеров – собралось вместе, что они двадцать лет месте делают одну вещь, и это даже не бомба.

Установка состоит из нескольких колец. Пучок протонов последовательно проходит многие из них, разгоняется до все большей энергии. Каждый протон проходит около 1 млрд км, что в 7 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Общая длина ускорительных тоннелей, которые используются в эксперименте, - 125 км. Кто-то попытался прикинуть общую длину проводов, проложенных по всему коллайдеру, и сравнить её с расстоянием от Земли до Луны. Получилось одинаково».

Тупик современной физики

«Изнутри коллайдер – это тоннель шести метров в диаметре. Он чем-то напоминает метро: по нему ездят тележки с людьми и материалами. Внутри тоннеля – двухметровая (в диаметре) синяя труба, наполненная уникальным высокотехнологичным оборудованием. А внутри трубы - маленький канальчик диаметром несколько сантиметров. В нем, благодаря оборудованию, поддерживается почти космический вакуум (чтобы частицы ни с чем не сталкивались) и очень сильное электрическое и магнитное поле (чтобы управлять заряженными частицами). В электрическом поле частицы разгоняют, в магнитном – направляют.

Чем активнее мы частицу разворачиваем, тем больше энергии она теряет. Если Большой адронный коллайдер будет радиусом в метр, то вообще ничего не получится: пучки очень быстро пропадут за счет потерь энергии. Идеально было бы провести коллайдер вокруг Солнечной системы. На мой взгляд, Большой адронный коллайдер – в каком-то смысле тупик современной физики. Он стоит около 70 млрд евро: очевидно, что установку в десять раз больше мы уже не сделаем: не потянем. Тут и так 80 стран скинулись, чтобы все это построить.

Около 50 км ускорительных колец коллайдера охлаждены до -270º C. При очень низких температурах некоторые вещества переходят в особенное состояние – сверхпроводящее. При этом электрическое сопротивление равняется нулю, и ток проходит по проводам без потерь энергии (мечта всего человечества – сделать материал, который был бы сверхпроводящим при комнатной температуре – тогда на ЛЭП, к примеру, не будет потерь. Сейчас подтвержденный рекорд – 87 градусов по Кельвину, или -190 по Цельсию)».

Зачем нужен коллайдер

«В коллайдере очень много фиксирующей аппаратуры, которая ловит то, что родилось из столкновений, имеет массу, импульс, заряд – все что угодно. Ученые строят траектории этих частиц и разбираются, что произошло. Мы ловим осколки от машинок, пытаемся понять, где они стояли изначально.

Что мы получили за 50 лет работы коллайдера? Новую периодическую систему. Но уже не химических элементов Д.И. Менделеева, а элементарных частиц. Они делятся на три поколения. В первом поколении два кварка: up и down, верхний и нижний (они образуют протоны и нейтроны), - а также электрон и электронное нейтрино. Частицы второго и третьего поколения – более тяжелые аналоги, которые живут очень недолго, поскольку нестабильны. Зачем их изучать? В первые моменты существования Вселенной, когда ей было всего пару секунд от роду, именно частицы второго и третьего поколения, их свойства, их особенности влияли на то, какие физические законы возникали в этой растущей Вселенной. Именно эти ребята ответственны за то, в каком мире мы с вами сейчас живем».

Тяжелый малыш

«Ещё года три назад в новой периодической таблице не хватало одного важного звена: Бозона Хиггса. Эта частица ответственна за то, что все мы с вами имеем инерционную массу (ту, что во втором законе Ньютона F = ma); за то, что мы не можем двигаться со скоростью света, хотя и очень хочется.

Когда был запущен Большой адронный коллайдер, Европейский центр ядерных исследований объявил конкурс на самое лучшее понятное объяснение механизма бозона Хиггса. Конкурс выиграл художник, который нарисовал такую картинку. В полный народу зал заходит очень интересная личность. Все хотят с ним поговорить и окружают его. А ему надо просто пересечь зал. Если бы народу не было, он бы пронесся со скоростью света. Но эта «шуба из людей» ему мешает.

Так вот, чем больше у частицы масса, тем активнее она взаимодействует с полем Хиггса, тем больше «шуба» из бозонов, которые её тормозят. Некоторые частицы с полем Хиггса не взаимодействуют – например, фотоны. Тогда мы говорим, что их масса равна нулю и они двигаются со скоростью света».

При чем здесь вакуум?

«Есть такая шутка – вакуум, который заполняет все космическое пространство и состоит из ничего. Согласно некоторым моделям развития Вселенной, у вакуума есть несколько состояний, а между ними - фазовые переходы, как плавление льда, как заморозка воды. Если вакуум переходит из одного состояния в другое, могут измениться все физические константы: гравитационная постоянная, скорость света, константа сильного взаимодействия, - и все физические законы, которые управляют нашим миром. Авторам моделей развития Вселенной было важно понять, а в каком состоянии вакуум находится сейчас? Почему мы, собственно, до сих пор живы?

Эти ребята ответственны за то, в каком мире мы с вами сейчас живем.

Если вакуум стабилен, фазовые переходы невозможны, и мы не умрем. Если нестабилен, то возникает вопрос, почему мы ещё живы: фазовый переход из текучего состояния должен был произойти очень быстро, и 14 млрд лет Вселенная бы не вытянула. Если вакуум в целом нестабилен, время жизни достаточно большое и мы когда-нибудь умрем.

Стабильность текучего состояния вакуума зависит от двух физических констант: массы бозона Хиггса и от массы самого тяжелого t-кварка (её измерили в 1995 году: это 173 гигаэлектронвольта, ГЭВ). Когда стало известно текущее значение массы бозона Хиггса, выяснилось, что Вселенная продолжает играть с нами в орлянку. Наш вакуум в целом нестабилен. В любой момент времени во Вселенной он может перейти в другое состояние, и мы умрем».

Темная энергия «на дому»

«Сейчас мы исследуем внутренности машинки, сломавшейся 14 млрд лет назад. Исходя из различных моделей развития Вселенной, ученые примерно посчитали её полную энергию, прикинули общее количество звезд во всех галактиках. Получилось, что все звезды, ядра галактик, квазары составляют 0,4% энергии Вселенной. Межзвездный газ – это ещё 3,6%. И все. Мы смотрим на звездное небо 3000 лет, и последние 300 лет – с инструментами. Мы что-то поняли про 4% Вселенной. А остальные 96% – лютая непонятная фигня.

Конечно, можно с умным видом сказать, что 23% массы Вселенной – это темная материя. Но все, что мы о ней знаем, - то, что это материя (какие-то частицы, которые не взаимодействуют с нашей обычной материей, но притягивают её гравитационно), и то, что она темная (мы её никак не видим). Про темную энергию мы знаем следующее: что это не материя. Это какое-то поле, заполняющее Вселенную и аккумулирующее 73% её энергии.

Коллайдеры помогут эту тайну приоткрыть. В одной точке пространства мы воссоздаем условия, которые были во Вселенной близко к моменту её рождения. В коллайдерах создается очень большая плотность энергии. А чем больше её плотность, тем ближе к Большому взрыву мы продвигаемся. Большой адронный коллайдер «продвинулся» до (10 в степени -12 секунд). Примерно на этом уровне, теоретически, существовали в понятном и уловимом виде частицы темной материи. У нас есть надежда зафиксировать их на коллайдере».

Что будет дальше?

«Очень хочется посмотреть, что было с Вселенной в (10 в степени -37 секунд) после Большого взрыва. Тогда она расширялась со скоростью, в тысячу раз превышающей скорость света. Но у нас (примечание для тех, кто ещё верит, что ученые в Швейцарии что-то взорвут) для этого просто не хватит энергии. Те частицы, которые прилетают к нам из космоса, могут привести нас на уровень (10 в степени -30 секунд) после Большого взрыва. Сейчас в Антарктиде строится установка «Ice Qube». Она, в частности, будет ловить из космоса частицы со сверхвысокими энергиями. Мы попытаемся понять, откуда они к нам летят, где во Вселенной есть механизмы, которые способны разогнать их до астрономических скоростей.

Мы не получим непосредственной выгоды от ловли бозона Хиггса. Более того, он не поможет ответить на большое количество вопросов во Вселенной. Но больше знаний о нем позволят нам поставить новые вопросы к мирозданию, более точные. Мироздание не любит отвечать на вопросы. Его заставлять надо».

В ЦИФРАХ

На Большом адроном коллайдере происходит порядка 20 млн столкновений в секунду. Примерно 1000 событий в секунду представляют интерес. На каждое событие пишется примерно 1 Мб данных. 100 Мб в секунду уже в течение пяти лет, - это около 1 млрд событий в год, или 1 Петабайт информации. Петабайт – это тысяча винчестеров, сложенных стопочкой. В тысячу раз больше – это эксабайт, оценка всего годового производимого всем человечеством объема информации. Планируемый общий поток данных со всех экспериментов LHC – 15 Петабайт в год.