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.

---

Впрочем, когда БАК достигнет своих проектных мощностей, особой нужды сохранять «Теватрон» не будет. Имея всего 2 ТэВа максимальной энергии, он вряд ли сможет открыть что-нибудь раньше, чем это сделает БАК. Единственный способ серьезно увеличить его энергетический порог - построить дополнительное кольцо, что при нынешнем раскладе почти невероятно. Антипротоны к тому же служат тем балластом, который тормозит темпы повышения светимости по сравнению с протонными коллайдерами (такими как БАК). Протоны с избытком присутствуют в обычном газообразном водороде, а антипротоны на дороге не валяются. В общем, самоотверженно послужив инкубатором целому сонму частиц, «Теватрон», видимо, удалится на покой. Может быть, позже, чем все думали, но удалится. Как в шутку заметил физик Адам Юркевич, «Теватрон» «прошел очень длинный путь, пар от него так и валит»98.

Понимая, что перспективы американских лабораторий весьма туманны, выпускники университетов США, видящие себя в физике высоких энергий, возможно, решат проводить больше времени в Европе или, если получится, вести свои исследования дистанционно. У каждого варианта свои недостатки. Постоянные командировки часто становятся врагом счастливой семейной жизни, а если не выиграть грант, то и кошелька. Ученым, планирующим наезжать в Женеву, на всякий случай следует искать свою вторую половинку и друзей среди послов, банкиров и шеф-поваров элитных ресторанов, желательно, материально обеспеченных.

Второй путь - дистанционные исследования - тоже не без изъянов. Когда стажер приезжает в ЦЕРН и своими глазами видит настройку или ремонт оборудования, он получает бесценный опыт обращения с приборами. Но когда он делает первые шаги в науке, сидя в далеком институте, подсоединенном к церновскому «Гриду», до знакомства с «железом» дело может никогда не дойти. Представьте, аспирант ни разу, что называется, не работал руками, а все время лишь проводил компьютерную обработку данных. Потом он получает должность научного сотрудника и продолжает совершенствовать компьютерные программы. Настает время научного руководства. Решится ли какой-нибудь институт или университет взять на работу экспериментатора, который ничего не смыслит в калибровке калориметров и понятия не имеет, как подсоединять электронику?

Современная физика высоких энергий характеризуется высокой централизованностью. Экспериментальные исследования ведутся лишь в считаных научных лабораториях (возможно, не за горами то время, когда их число сократится до одной), детекторы растут в размерах, становятся все изощренней - в таких условиях почти не остается возможности «потрогать» все своими руками. Дни, когда физики сидели в вагончиках по соседству с тоннелями и ждали судьбоносных сигналов, ушли в прошлое.

Картина классического экспериментального исследования, каким оно было в последние десятилетия XX в., сдана в архив. Теперь считается за счастье побывать на сборке или ремонте детектора. В остальном физика высоких энергий сегодня почти не предполагает работы с техникой. Да разве и может быть по-другому, когда непосредственные измерения происходят внутри сверхохлажденных камер, утопленных в землю на десятки метров, чтобы никакое паразитное излучение их не достало? Правда, возникает вопрос: интересно ли будет молодым исследователям сидеть перед монитором - неважно, в Женеве или где-то еще - и изо дня в день запускать программы для статистической обработки данных?

Однако в середине 2010-х любители повозиться с техникой понадобятся снова. Дело в том, что на БАК запланирован капитальный ремонт, после которого он превратится в, как иногда говорят, Сверхбольшой адронный коллайдер. Главная цель этого мероприятия - значительно повысить светимость ускорителя и заставить сталкиваться частицы еще интенсивнее, чем раньше. Когда коллайдер закроется на ремонт, детекторы тоже начнут перебирать. Истощившую свой ресурс электронику, за годы работы выжженную излучением, заменят. Если необходимо, обновят и остальные узлы, чтобы привести детекторы в боевую готовность.

Помимо Сверхбольшого коллайдера физика элементарных частиц может надеяться на другой, не менее потрясающий проект - Международный линейный коллайдер (МЛК). Как понятно из его названия, это будет первый коллайдер, в который будет вовлечено, в том числе финансово, мировое сообщество, а не отдельно США или Европа. Сверхпроводящий суперколлайдер задумывался как международный проект, но реально так им и не стал. В ЦЕРН поступают средства не только из Евросоюза, но они идут исключительно на детекторы (АТЛАС, CMS и т. д.), основную установку ЦЕРН ведет сам. Так что если проект МЛК осуществится, он станет крупной вехой в истории международного научного сотрудничества.

Согласно предварительным эскизам, МЛК будет состоять из двух идентичных линейных ускорителей, стоящих друг напротив друга и заключенных в тоннеле длиной более 30 км. В одном будут разгоняться электроны, а в другом - позитроны. Линейная конструкция выбрана, чтобы избавиться от потерь энергии на синхротронное излучение. В случае бегающих по кругу релятивистских электронов и позитронов с ним совладать невероятно трудно, но разгон по прямой сильно все облегчает. Ускоряться до околосветовых скоростей пучки будут, проходя через «лесенку» из 8000 сверхпроводящих высокочастотных резонаторов (каждый в длину около метра) - обладающих нулевым сопротивлением металлических листов из ниобия, которые сообщают частицам энергию посредством радиоволн. Ступеньками в этой лестнице будут служить ускоряющие потенциалы в 30 млн вольт. На выходе из трубы и электроны, и позитроны будут иметь по 250 ГэВ, то есть всего на столкновение придется 500 ГэВ энергии, часть которой перейдет в массу рожденных частиц. Следящий детектор рядом с точкой столкновения попытается поймать любые осколки, представляющие интерес.

Электрон-позитронные столкновения являются своего рода чистовиком, на котором отчетливо выступают значения масс. Хотя МЛК будет уступать БАК по энергии, он поможет уточнить массы частиц, открытых на более мощном ускорителе. Например, на БАК обнаружат кандидата на роль темной материи. Тогда МЛК его взвесит и известит астрономов, какая доля космоса заполнена этим веществом. А, как известно, зная плотность Вселенной, можно делать выводы о ее будущей судьбе. Проще говоря, из МЛК получится прецизионный инструмент - своеобразная электронная линейка в мире сверхтяжелых частиц.

Проект МЛК пока находится на стадии раннего обсуждения. Под него даже еще не выбрали место, хотя предложения поступали (например, от России). Все переговоры, касающиеся финансов и инженерных планов, организует директор МЛК Барри Бариш, знакомый нам по руководству проектом GEM («Гамма-кванты, электроны и мюоны») в составе почившего ССК и Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO). Хотя изначально об идее МЛК многие страны отзывались с большим энтузиазмом, некоторые из них, к великому огорчению Бариша, изменили предварительным договоренностям.

В 2007 г. Конгресс неожиданно сократил свои ассигнования на МЛК до 15 млн долларов. Между тем сначала речь шла о поддержке этой программы на уровне 60 млн. К октябрю того же года выделенные средства почти иссякли, хотя их должно было хватить до 2008 г. В декабрьском пресс-релизе Бариш отметил: «Катастрофические последствия не заставили себя ждать»99.

Многие европейцы не скрывают своего раздражения тем фактом, что поддержка научных проектов Америкой приобретает столь зыбкие очертания. «В США одобрение на что-либо дается максимум на год, - говорит физик Венетиос Полихронакос. - Никто не будет воспринимать США как надежного партнера»100.

С Великобританией, раньше не скупившейся на науку, тоже в последнее время не все гладко. В декабре 2007 г. британский Совет по научно-техническому оборудованию (STFC) выпустил отчет, принесший МЛК печальные известия: «Мы прекращаем спонсировать Международный линейный коллайдер. Мы не видим, как проект в его настоящем виде может быть реализован в разумные сроки»101.

Вероятно, ностальгируя по тем временам, когда британские физики-ядерщики были «чемпионами мира»[31], гитарист группы Queen Брайан Мэй, астрофизик по образованию, подверг критике решение Совета. Выступая на церемонии по случаю присвоения ему должности почетного ректора Ливерпульского университета им. Джона Мура, легендарный музыкант сказал: «По-моему, это большая ошибка, и мы ставим под удар наше будущее на международной научной арене… Без поддержки невозможны научные открытия, которыми наша нация славилась до сегодняшнего дня»102.

Из-за решений, принятых США и Великобританией, полагать, что МЛК будет непременно построен, по меньшей мере наивно. Многое зависит от того, обратят ли снова состоятельные страны свой взор на чистую науку. В эпоху экономического кризиса без масштабных рекламных кампаний деньги на фундаментальные исследования не получить. Открытия, сделанные на БАК, возможно, убедят сильных мира сего заплатить за еще один коллайдер. Если МЛК не разделит судьбу «Изабелль» и ССК, его сторонникам придется включить все свое красноречие, чтобы доказать, что от точного знания масс частиц зависит будущее всей физики.