Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Большое участие в экспериментах БАК принимают и американские исследователи. Они, конечно, рады внести свою лепту в это рискованное, но многообещающее предприятие. Хотя США и не входят в ЦЕРН, Америка на БАК средств не жалеет. Но, поддерживая европейские достижения, многие американские физики тем не менее до сих пор не могут забыть о том, какие возможности могли бы им представиться на родине.

В 1993 г. американский Конгресс проголосовал за то, чтобы лишить финансирования Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), который, если б его построили, был бы гораздо больше и мощнее БАК. В Ваксахачи, штат Техас, уже успели вырыть 22,5 км тоннеля из запланированных 85 км, когда финансовый поток остановили. Сегодня здесь изрытая местами пустошь с заброшенными зданиями, покрывшимися сорняками. Многолетняя мечта о невиданных открытиях сгинула вместе со статьей госбюджета.

В письме в Комиссию по бюджетным ассигнованиям выражал свое беспокойство по этому поводу и Билл Клинтон: «Бросить ССК сейчас - значит признать, что Соединенные Штаты готовы поступиться своим лидерством в фундаментальной науке, лидерством, которое мы держим десятилетиями»4.

Как бы то ни было, тонкий кошелек оказался сильнее каких-то «непонятных» обещаний. Вместе с падением ССК оборвалась целая эпоха в жизни тех, кто многие годы над ним трудился, а многие начинающие ученые разочаровались в этой области науки. Это отбросило американскую физику высоких энергий далеко назад, в то время как Старый Свет выдвинулся вперед.

Благодаря тем 20 ТэВ, которые планировались, техасская «наковальня» была бы самым подходящим местом для поиска неуловимой божественной частицы. Возможно, там «вылупились» бы и суперсимметричные двойники, которые можно было бы узнать по форме кривых распада. В подземных ходах под Техасом могла родиться и темная материя. Можно было бы проверить экспериментальные следствия теории струн и других моделей объединения. И главное, как и путешествию человека на Луну, начало этому скачку в познании мира могла дать американская земля. Теперь БАК запущен, значит, в «Теватроне» уже особой нужды нет, а новые большие ускорители на территории США не планируются. Где же произошел сбой?

А произошел он в долгосрочном планировании и политике в отношении науки, областях, которым Соединенные Штаты в последнее время, к сожалению, не уделяют достаточно внимания. Что касается европейских стран - членов ЦЕРН, для каждой из них определен свой ежегодный взнос, зависящий от валового национального продукта. Поэтому у проектировщиков БАК всегда перед глазами была смета на период, необходимый, чтобы построить и запустить установку. Более того, все будущие усовершенствования рассчитываются уже сейчас. Предусмотрительность и упорство - ключевые факторы успеха БАК.

Досадные аварии и задержки, безусловно, были. Куда без них! У современной физики высоких энергий очень тонкие приборы, которым требуется идеальная настройка и непростые внешние условия, в том числе сверхнизкие температуры. Несмотря на профессионализм сотрудников, системы то и дело отказывают. Первый пуск БАК намечали на 2005 г., но понадобились доработки. В 2007 г - официальное открытие снова отложили - из-за случайной поломки одного из магнитов.

10 сентября 2008 г. протонные пучки впервые без помех прошли по всему большому кольцу БАК. Глава проекта Лин Эванс и международный коллектив исследователей, работающих в ЦЕРНе, были вне себя от счастья. «Это удивительный момент, - сказал Эванс. - Перед нами открывается новая захватывающая эра в понимании происхождения и эволюции Вселенной»5.

Но спустя всего девять дней случился неприятный инцидент, вмиг рассеявший радужные настроения. Ученые даже не успели попробовать столкнуть пучки. Из-за неисправного контакта между двумя магнитами последние нагрелись, и окружающий их гелий, охлажденный до сверхнизких температур, начал испаряться. Жидкий гелий - основной компонент системы охлаждения БАК, благодаря которой функционируют сверхпроводящие магниты. Перейдя в газообразную фазу, он стал беспрепятственно вытекать из системы во внешнюю прослойку, где поддерживается вакуум, так что любая попытка стравить его через предохранительный клапан была обречена на неудачу. Последовал крепкий удар, от которого магниты сместились, - стремительно расширяющийся гелий отправил их в нокаут. Пострадали, кроме того, провода и немного - труба ускорителя. Добравшиеся до места аварии техники поставили диагноз: несколько месяцев на ремонт, опять проверка электрических и магнитных систем вдоль всего кольца, а потом можно попытаться еще раз. В настоящее время повторный запуск намечен на сентябрь 2009 г.[2]

Когда БАК заработает в полную силу, это будет поистине чудо на земле, а точнее, под землей. Находясь на глубине примерно 100 м, тоннель БАК в диаметре составляет всего около 3 м. Для двух встречных пучков частиц он будет своего рода гоночным треком. Управляемые более чем 1000 охлажденными магнитами - самыми холодными предметами на Земле, эти частицы будут обегать кольцо 11000 раз за секунду на скорости, достигающей 99,999999 % скорости света. Разогнавшись до 7 ТэВ каждый, пучки будут направлены в одну из четырех запланированных точек пересечения, где произойдут столкновения.

В одной из таких точек стоит АТЛАС (ATLAS, акроним от англ. A Toroidal LHC Apparatus - «Тороидальный прибор БАК»). Этот детектор поражает своими размерами - высотой с 7-этажное здание (больше половины Статуи Свободы) и 46 м в длину. С помощью чувствительных калориметров (приборов, меряющих энергию) и отслеживающих устройств он тщательно анализирует все, что летит от сталкивающихся лоб в лоб протонов в его центре, и копит целые «тома» данных о продуктах каждого такого события. На диаметрально противоположной стороне - еще один многоцелевой детектор, известный как CMS (Compact Muon Solenoid - «Компактный мюонный соленоид»). На нем стоят отслеживающие устройства и калориметры другой конструкции, которые также будут ловить бесценное эхо столкновений. Преодолев еще четверть кольца, встретим детектор БАК-b (Large Hadron Collider beauty - «Красота Большого адронного коллайдера»), чья цель - зарегистрировать распад частиц, содержащих b-кварки[3] (прелестные). Возможно, это прольет свет на причину дефицита в природе антиматерии. Наконец, в четвертой точке пересечения пучков находится специализированный детектор «Алиса» (ALICE, акроним от англ. A Large Ion Collider Experiment - «Эксперимент на Большом ионном коллайдере»). Он будет использоваться в те периоды, когда вместо протонов по кольцу станут бегать ионы свинца. Ударяя их друг об друга, ученые надеются в какой-то степени воссоздать физические условия в ранней Вселенной. Информацию со всех детекторов будут собирать, сортировать, пытаясь диагностировать следы новых частиц, и самые «подозрительные» данные отсылать на подробный анализ глобальной компьютерной сети «Грид».

Мировое физическое сообщество с нетерпением ждет результатов БАК, в которых мы, может быть, увидим признаки «хиггса», суперсимметричных двойников и остальных не менее долгожданных частиц. Они бы внесли в физику свежую струю, пришпорили бы научные исследования. Ну и само собой разумеется, не обойдется без Нобелевской премии. Всем тем, кто трудится на благо этого смелого проекта, воздадут по заслугам. Упорство не покладающего рук Эванса и тысяч сотрудников, каждую минуту думающих, как приблизить заветную цель, будет вознаграждено.

Если частицу Хиггса найдут, в зависимости от ее массы либо подтвердится Стандартная модель, либо понадобится внести в нее серьезные поправки. В некоторых суперсимметричных расширениях Стандартной модели получается несколько «хиггсов» с разными массами. Если обнаружится, что так и есть, это ознаменует победу суперсимметричных теорий, особенно если параллельно удастся открыть другие суперсимметричные частицы. Большинство физиков не сомневаются, что на таком высокоэнергичном ускорителе, как БАК, появятся неизвестные частицы. Если все будет в порядке, теоретики получат пищу для размышлений на много лет вперед.

На БАК возлагается много надежд, однако опасений не меньше. Еще ни один прибор в новейшей научной истории не вызывал таких общественных треволнений. Его обвинили в том, что он подвергает опасности Землю, а то и всю Вселенную. Кого БАК пока подверг опасности, так это Интернет: распространяясь в сети, эти взгляды превратили бесчисленные блоги и форумы в места жарких баталий.

В числе главных виновников, которые якобы родятся в недрах БАК и запустят конец света, ненасытные черные мини-дыры, магнитные монополи и наводящие ужас гипотетические «страпельки» («странные капельки»). Апокалипсические настроения, собственно, не новы. Иногда людям, и таких немало, нравится проводить время в ожидании возможных катастроф: столкновения с астероидом, испарения Земли взрывом близкой сверхновой… В случае с БАК примечательно то, что мир поглощают теоретические объекты, которых не видели ни на одном детекторе и которых, скорее всего, вообще нет в природе.