Большой адронный коллайдер: взгляд изнутри
17 сентября 2008

Текст Надежда Панченко

 

Фото Maximilien Brice, Сlaudia Marcelloni, Roy Langstaff с СERN

при посредничестве Юрия Маравина

 

 

Выпив с утра кофе (много кофе!), закусив круассанами и йогуртом, он приступает к работе. Российский ученый Юрий Маравин, сотрудник швейцарского CERNа*, и еще несколько тысяч его коллег из 38 стран пытаются понять, многомерно ли пространство, существует ли бозон Хиггса и из чего на самом деле состоит темная материя. 

Сделать выводы ученые намереваются, повторив Большой Взрыв в миниатюре.

 

От вопроса «каково это вообще – быть Богом и создавать новую Вселенную» Юрий Маравин отмахивается: «Это неверная формулировка. Мы просто реконструируем условия, близкие к Большому Взрыву – хочется понять, что представляют собой основные кирпичики мира, и в какие взаимодействия они вступают».

Юрий не видит в своей работе ничего удивительного и уникального. И, действительно, подумаешь: выяснить, куда подевалось все антивещество, или раскрыть сущность темной материи, из которой на 23% состоит Вселенная.

В общем, работа - не сложнее любой другой. Главное – пошаговая стратегия достижения результата: задача поставлена, решена, пора приниматься за новую.

CERN запускает коллайдер, чтобы найти экспериментальное доказательство дополнений к Стандартной модели или теории частиц и их взаимодействия.

Согласно ей, все вещество состоит из двух типов элементарных частиц – кварков и лептонов. Они взаимодействуют между собой посредством других частиц, бозонов. Сочетания же кварков рождают в ядрах протоны и нейтроны. Они, в свою очередь, держатся вместе посредством ядерного взаимодействия, которое передается бозонами под названием глюон (от англ. – клей).

Концепция развертывается далее, устройство Вселенной в ней описывается логично и обоснованно. За последние 30 лет положения Стандартной модели выдержали тщательные проверки во многих экспериментах. Но, несмотря на это, она не дает ответов на многие фундаментальные вопросы.

Почему частицы обретают массу? Правы ли теоретики, которые рассказывают, что в мире больше четырех известных нам измерений?

 Чтобы ответить на эти вопросы, ученые ставят эксперимент с помощью LHC, или БАК (Большой адронный коллайдер). Работы над созданием этого суперускорителя частиц ведутся с начала 90-х годов: на глубине от 30 до 70 метров под землей заложили кольцо сверхпроводящих магнитов. Его протяженность – 27 км., а «местожительство» – граница Швейцарии и Франции.

«Шайтан-бублик», как окрестили БАК в прессе, полностью заработает в октябре этого года. Внутри него ученые собираются разогнать два пучка протонов (с помощью электромагнитных волн). Заряженные частицы будут двигаться по замкнутой орбите, словно серферы по волнам океана, и с каждым оборотом набирать скорость. Энергии, выделяемой пучком протонов, хватит, чтобы расплавить 20 тонн золота.

Планируется, что в ходе эксперимента пучки частиц будут сталкиваться каждые 25 наносекунд, т.е. с частотой 40 мегагерц. Сталкиваясь, составные части протонов (кварки и глюоны), будут взаимодействовать друг с другом. Это сформирует состояние, подобное Вселенной через 10-12 секунд после Большого Взрыва.

Фиксировать и анализировать происходящее во время эксперимента ученые намерены с помощью четырех больших детекторов. Особое внимание – поиску частицы, которая носит имя «бозон Хиггса».

Стандартная модель утверждает, что существует всего два типа «кирпичиков» материи: кварки и лептоны. Видов взаимодействия три: сильное (которое держит кварки в протоне и нейтроне), электрослабое (то, что позволяет вам сидеть в кресле и не проваливаться сквозь него, или позволяет распадаться нестабильным ядрам в ядерном реакторе) и гравитационное.

Частицы «чувствуют» друг друга посредством бозонов – так называют «переносчиков» взаимодействия. Электрослабое взаимодействие переносится W, Z-бозонами и фотоном. Фотон – безмассовый, а W и Z-бозоны – очень тяжелые.

Почему частицы, которые, по сути, выполняют одну и ту же функцию, так отличаются по массе? Теория, которую придумал Петер Хиггс, объясняет это так: бозон, названный в честь Хиггса, создает поле, которое пронизывает пространство. Частицы взаимодействуют с ним и вязнут, т.е. приобретают инерцию.

«К сожалению, пока это только теория, и мы не знаем, каков настоящий механизм приобретения масс, - признается Юрий Маравин. – Когда-то считалось, что электрослабое взаимодействие бывает трех видов: электрическим, магнитным, и слабым. Специальная теория относительности показала, что электрическое и магнитное взаимодействие – это две стороны одного электромагнитного. Позднее мы узнали, что электромагнитное и слабое взаимодействие (ответственное за слабый распад ядер) – одно и то же.

Сейчас мы думаем, что при очень больших энергиях все взаимодействия (электрослабое, сильное и гравитационное) объединятся в одно. В теории это еще не описано. Если в результате осеннего эксперимента мы узнаем, как частицы приобретают массу, это может нам дать путь к теории общего объединения». 

Часть ученых и представителей общественности обвиняют CERN в подготовке Апокалипсиса. Якобы, в ходе проведения опытов могут образоваться черные дыры и капли антиматерии, представляющие угрозу для существования и Земли, и Вселенной. Маравин называет таких ученых «домашними дилетантами». «Такие предположения выдвигают только люди, не имеющие специального образования; те, кто физикой профессионально не занимается. Ведь при наших экспериментах антиматерия создается постоянно, – объясняет Юрий. – Знаете, несколько лет назад в CERN создали даже анти-водород. Последние десять лет мы используем ядра анти-водорода (анти-протоны) для соударения с протонами на экспериментальной площадке в Фермилабе (недалеко от Чикаго, США). Но концентрация антивещества ничтожна, и никакой опасности для окружающего мира не представляет.

Высокоэнергичные космические лучи тоже создают антиматерию в атмосфере, и что? Ничего, живем. Теоретически, конечно, при высокоэнергичных соударениях частиц могут возникнуть маленькие, нестабильные черные дыры. Но, для того, чтобы это произошло, БАК попросту не имеет достаточно энергии.

Впрочем, несколько выдающихся теоретиков допускают возможность создания маленьких черных дыр при осеннем эксперименте. Но, во-первых, это пока только предположения, которые ничем не подтверждены. Во-вторых, вышеупомянутые маленькие черные дыры принципиально отличаются от тех, общеизвестных черных дыр, которые представляют собой остатки тяжелых звезд. «Наши» маленькие черные дыры практически мгновенно распадаются на другие частицы, в то время, как стабильные черные дыры имеют огромную массу, и поэтому… стабильны».

На планете, помимо БАК, десятки (!) подобных установок. Почему же именно вокруг работы этого коллайдера возникло столько шума?

«Принципиальное отличие БАК от его предшественника в Фермилабе заключается в объеме энергий. В Большом коллайдере они будут мощнее в 7 раз, – объясняет Юрий Маравин. – Использование во время эксперимента более высоких энергий, в свою очередь, позволят нам ответить на ряд очень интересных вопросов. Например: отчего частицы имеют массу? Или, а правда ли, что мы живем в многомерном пространстве, но ощущаем только четыре?»

Тесты на некоторых участках кольца провели еще в августе. Но июльская дата запуска, широко анонсируемая в СМИ, сдвинулась на осень: между многочисленными группами, которые работают над установкой детекторов и обслуживают сам ускоритель, требуется отменная координация.

Только на том детекторе, где работает Юрий Маравин (CMS, Сompact Magnetic Solenoid), трудятся больше 2000 его коллег из 38 стран. А всего детекторов тут четыре, плюс сам БАК - под десять тысяч человек наберется. Правда, многие из этих сотрудников не работают напрямую в CERN, а принимают участие в проекте, не выходя из своих кабинетов.

«Я думаю, что по сложности это напоминает сенсацию прошлого века – отправку человека на Луну, – резюмирует Юрий Маравин. – С единственной разницей: теперь весь мир работает над этим проектом вместе, и Россия вносит в проведение эксперимента один из самых значительных вкладов.

Чтобы создать одну из частей CMS, потребовалось изрядное количество бронзы. Она была выплавлена из снарядных гильз. Мне кажется, это очень символично».

Сейчас обсуждается проект постройки к 2020 г. ILS (International Linear Collider) для продолжения изысканий. Исследования физиков обходятся слишком дорого (на БАК потребовалось 6, 3 млрд. евро), поэтому судьба следующего эксперимента пока неясна.

С другой стороны, опыт никогда не бывает бесполезным. Особенно при таких масштабах. Мало кто помнит, но возня физиков, желающих повторить Создателя, уже существенно ускоряла прогресс: пытаясь оптимизировать процесс сотрудничества с другими учеными, в 1989 г работник CERN Тим Берннерс-Ли придумал протокол HTTP и заложил основу World Wide Web.

После экспериментов с протоновыми пучками в Фермилабе открыли новый метод лечения рака. Неоперабельные злокачественные ткани предложили облучать не электронами, которые сложно точно сфокусировать, а протонами, где достигается замечательная фокусировка. Теперь вмешательство не задевает здоровые ткани.

Сейчас для обработки данных, которые поступают с БАК, используется GRID. Это компьютерная сеть, которая связывает ученых всего мира, и позволяет им обмениваться за год петабайтами информации. Возможно, GRID, как ранее HTTP, в дальнейшем будет использоваться для обработки данных в сферах биологии, медицины и других.

 «К 2020 году многие методы исследования и приборы явно станут более эффективными и дешевыми. Это позволит нам проводить более точные эксперименты, раскрывая новые тайны мироздания», – говорит он.

 

Кто такой Юрий Маравин

 

В 1992 г. с золотой медалью окончил физико-математическую школу № 6 в Евпатории. Без экзаменов, как победитель Олимпиады, поступил в МФТИ на факультет общей и прикладной физики. Окончил аспирантуру Southern Methodist University, отделение физики. В 2002 г. получил Ph.D. и был принят на работу в Fermi National Accelerator Center, Batavia, IL. С 2005 г. – профессор в Kansas State University.

Свободное от работы время посвящает бегу, йоге, игре на гитаре, походам в горы. Любит аниме, особенно работы Миядзаки. 

 

CERN* - Европейская организация по ядерным исследованиям

 

Подписи:

 

  1. CMS, один из двух важнейших детекторов БАК (LHC)

 

  1. Вид на CERN со спутника. Три кольца указывают расположение синхротронов и Большого коллайдера

 

  1. Так называемый Глобус Инноваций – символ CERN

 

  1. Процесс установки ATLAS, второго знаменитого детектора LHC

 

  1. Петер Хиггс надеется, что эксперимент позволит подтвердить его теорию.

 

  1. Проверка размещения магнитов в туннеле БАК. Их точное положение крайне важно для управления лучом

 

  1. Транспортировка магнита, части детектора ATLAS

 

 Читайте в журнале "Смена" № 9-2007.