Известный российский физик, доктор физико-математических наук, зам. директора Отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН, зав. сектором теоретической физики высоких энергий, лауреат премии им. А.Гумбольдта (Германия), Дмитрий Дьяконов рассказал «Полит.ру» о том, кто принимал участие в создании Большого адронного коллайдера (БАКа), прокомментировал мрачные прогнозы, заполнившие мировые СМИ и поделился своими ожиданиями о том, какие тайны материи откроются в результате пуска нового ускорителя.
10 сентября 2008 г. в Европейском Центре ядерных исследований под Женевой, известном по французской аббревиатуре ЦЕРН, был запущен самый большой в мире ускоритель заряженных частиц (Large Hadron Collider, LHC), где протоны разгоняются практически до скорости света и их кинетическая энергия в 7500 раз больше энергии покоя.
Протоны ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землёй в туннеле длиной 27 км: в одной трубе протоны летят по часовой, а в другой – против часовой стрелки. Туннель проходит как раз под границей Швейцарии и Франции, так что протоны нарушают границу туда и обратно 20000 раз в секунду. Чтобы воздух не мешал полёту протонов, он откачен из труб, причём до степени, превосходящей разреженность воздуха на безвоздушной Луне!
В четырёх местах пучки из двух труб пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» – элементарные частицы, их в среднем рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не протоны, а ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.
Само название ускорителя: «коллайдер» происходит от слова collide, т.е. сталкивать и обозначает ускоритель заряженных частиц, где имеется два пучка частиц, летящих навстречу друг другу. Слово «адрон» (от греческого «сильный») было придумано и введено в мировой обиход академиком Львом Борисовичем Окунем; оно обозначает сильновзаимодействующие элементарные частицы – протон, нейтрон и многие другие нестабильные частицы, а в широком смысле также и ядра. Так что получился как раз «адронный коллайдер»: два пучка протонов или ядер, ускоряемых навстречу друг другу.
Каждую частицу, рождённую при столкновении протонов или ядер, надо зарегистрировать: установить точное время появления «новорожденной», её массу, заряд, скорость и направление вылета. Причём делать это надо оперативно: ожидаются сотни миллионов столкновений в секунду! Для этого каждое из четырёх мест столкновения окружают детекторами – огромными устройствами размером с большой многоэтажный дом, начинёнными сложнейшей современной электроникой. Основных детектора четыре, они получили название ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.
Большим международным коллективам, работающим на этих детекторах, предстоит разобраться в огромном потоке информации о частицах, рождающихся при столкновениях протонов, и извлечь из него крупицы истины – сведения об устройстве материи на новом, ещё более микроскопическом уровне, чем сами протоны и электроны. По существу LHC – это микроскоп, с помощью которого физики разглядывают, из чего и как сделана материя.
И сам ускоритель, и детекторы – чудо инженерной мысли, передовой край современной техники, стоит всё это около 8 миллиардов евро. Отдельные страны не могут позволить себе таких расходов, поэтому в бюджет Большого адронного коллайдера свои вклады внесли все европейские страны-участницы ЦЕРН. Большие средства вложили США и Япония.
Россия не является членом ЦЕРНа, но традиционно сотрудничает с ним. Решение о строительстве и финансировании LHC принималось в начале 1990-х годов, когда мы были нищими. Тем не менее – и это огромная заслуга тогдашнего министра науки и технической политики Бориса Салтыкова – России удалось войти в исследовательские группы по всем четырем детекторам, причём на льготных для нас условиях: при непропорционально низком финансовом вкладе, российские физики составляют чуть ли не четверть большой международной команды, которая будет «снимать сливки» с работы ускорителя. Но на российских физиков приходится также и большая нагрузка при монтаже и отладке сложного оборудования, да и многие части четырёх детекторов изготовлялись в России.
В чём же состоят эти «сливки», что мы надеемся выяснить нового о природе и мире? В том-то и прелесть, что мы не знаем, – можно только гадать. С пуском LHC происходит прорыв на новый, более глубокий, неизвестный до сих пор уровень организации материи.
Хочу напомнить, что ровно 100 лет назад Резерфорд построил «большой адронный коллайдер» того времени: он ускорял альфа-частицы (то есть ядра гелия), которые попадали на тонкую золотую фольгу, а Резерфорд подсчитывал, сколько альфа-частиц пролетит насквозь, а сколько отскочит назад. Из этого опыта он пришёл к выводу, что атомы золота состоят из тяжёлого и компактного ядра, вокруг которого витают лёгкие электроны, то есть он пришёл к той самой «планетарной» картинке атома, которая сегодня изображена на каждом учреждении, связанном с атомом. Можно было предугадать это? Нет, напротив: до опыта Резерфорда господствовала модель атома Томпсона, оказавшаяся полностью неверной.
Открыть-то правильную планетарную модель атома Резерфорд открыл, но в ней был заложен парадокс: отрицательно заряженные электроны должны были бы очень быстро падать на положительно заряженные ядра, а между тем атомы, из которых мы состоим, вполне стабильны. Раздумывая над этим парадоксом, Нильс Бор пришёл к тому, что в микромире правят не классические законы физики, а другие, которые теперь называют квантовой физикой. На основе именно этих квантовых законов сделаны сегодня все компьютеры, мобильники и так далее. Без Бора и Резерфорда, без «большого коллайдера» начала XX века ничего этого не было бы. Поэтому знание бесценно.
Куда, к каким практическим устройствам приведёт нас понимание, как устроена материя на более глубоком уровне, чем ядра и протоны, – мы не знаем и знать не можем. Это, как и поэзия, – «езда в незнаемое». Задача физики – понять, как устроен мир. Невозможно сделать практическое устройство, если ты не понимаешь, как оно «работает». А что последует из результатов, полученных на LHC, – какая-нибудь новая «кварктроника» или новый способ путешествия к далёким звёздам, мы узнаем лет через 50.
Но, на самом деле, практическая польза от LHC есть уже сейчас, ещё до вывода его на полную мощность. Я уже говорил, что и сам ускоритель, и детекторы – это вершина технической мысли. А разрабатывали всё это физики, инженеры; заказы передавались в промышленность разных стран, в том числе в России. Значит, LHC подымает технологию, причём в самых разных областях – от сверхпроводящих материалов до сверхбыстрой электроники.
Кстати, об электронике. Может быть, не все знают, что Интернет и Всемирная паутина родились именно в ЦЕРНе. Поскольку исследования, в которых участвуют большие международные коллективы, ведутся там давно, в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших массивов данных среди многих пользователей, разбросанных по всем континентам. Так в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение. Количество информации в секунду, которое будет теперь производиться на LHC, опять беспрецедентно, и опять её надо передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому создаётся новая система для быстрого распространения огромных массивов данных – GRID. Возможно, и на этот раз разработка ЦЕРНа станет прототипом того, чем через несколько лет будут пользоваться обыватели на всех континентах.
Ещё я хотел сказать о мрачных прогнозах конца света – единственно, чем, к сожалению, заполнены СМИ всех стран в связи с пуском LHC. Вообще-то тут есть, над чем подумать. Можно теоретически предположить, что наш мир находится в метастабильном состоянии, и столкновение частиц с беспрецедентно высокой плотностью энергии, пусть в маленьком объёме, может спровоцировать переход нашего мира в настоящее стабильное состояние. Такое будет, натурально, сопровождаться выделением большого количества энергии, причём ударная волна будет двигаться из Женевы со скоростью света! Не со скоростью звука, как в «Колыбели для кошки» Курта Воннегута, а света!
Во-первых, я хочу заявить, что это была бы самая прекрасная смерть, о которой можно только мечтать. Вы ничего не узнаете о грядущей смерти, не почувствуете боли (потому что мозг испарится в то же мгновение, что и рецепторы боли), не узнаете о гибели близких, не подумаете плохих мыслей. «Прихватит» и инопланетян, и другие галактики. Живого не станет, а Вселенная перейдёт в другое состояние…
Во-вторых, хорошо или плохо, но этого не будет. Дело в том, что Землю и другие небесные тела постоянно бомбардируют космические лучи, в том числе с энергиями, на несколько порядков превышающими энергию протонов в LHC. И ничего, Вселенная живёт себе уже 14 миллиардов лет, а жизнь на Земле существует 3-4 миллиарда лет. Так что можно смело делать предсказание, что человечество переживёт пуск LHC на проектную мощность. Тем более, что уже никто не упрекнёт вас, если вы ошибётесь.
