В Женеве запустили одну из самых раскрученных и дорогих экспериментальных физических установок — Большой адронный коллайдер. Благодаря ему человечество узнает, как устроен мир

Самая дорогая игрушка физики — Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — наконец заработала. 10 сентября 2008 года на территории женевского ЦЕРНа (Европейская организация ядерных исследований) состоялся запуск крупнейшего ускорителя встречных пучков протонов, который обошёлся его создателям, по официальным данным, в 6,3 млрд евро.

В 9:30 утра по среднеевропейскому времени при большом стечении учёных, чиновников, журналистов и прочей сочувствующей публики итальянские физики Стефано Радаэлли и Рассано Джакино торжественно впрыснули первый протонный пучок, ускоренный до энергии в 450 ГэВ (гигаэлектронвольт), из вспомогательного кольца-накопителя SPS в большое 27-километровое кольцо LHC. Пучок пропутешествовал по кольцу вплоть до специального защитного экрана, на котором под радостные аплодисменты наблюдателей произвел эффектную вспышку. Выждав несколько минут, операторы центра управления убрали экран, и протоны продолжили свой путь вплоть до следующего искусственного препятствия. На втором экране приятная картина повторилась, его также открыли, пучок пошёл дальше, успешно миновал третью, четвертую контрольную отметку, половину дороги и в 10:24, совершив полный круг почёта, вернулся обратно, снова вызвав бурные овации в операционном зале.

Несколько часов спустя экспериментаторы ЦЕРНа рискнули полностью повторить программу, прогнав другой пучок протонов по ускорительному кольцу в обратном направлении. В 15:02 дружные частицы завершили и второй пробег, окончательно успокоив нервы учёных и инженеров: осторожная разминка LHC перед многолетним боем с тайнами микромира прошла без каких-либо серьезных проблем.

Однако для порядка отметим, что на самом деле вся эта кутерьма вокруг церемонии первого запуска LHC была формальной: так называемый стартовый инжекционный тест — частичный трёхкилометровый прогон протонного банча (сгустка частиц) до первого защитного экрана — был проведён церновцами еще 8 августа. Но одно дело — проверка для своих, а другое — демонстрация для широкой публики. Разумеется, сесть в лужу после столь долгих мучений (с момента первых обсуждений нового физического суперпроекта до егоитоговой реализации прошло почти 20 лет) руководство Международного женевского института отнюдь не хотело и сделало всё возможное, чтобы показать свой товар в самом презентабельном виде. Этими вполне понятными соображениями объясняются в том числе и очень скромные энергетические параметры первого официального тест-драйва LHC: вместо проектных 14 ТэВ (тераэлектронвольт, 1 ТэВ = 1000 ГэВ) пока ограничились лишь 450 ГэВ, не было проведено и встречного столкновения пучков, без которого говорить о каких-то реальных научных результатах, конечно, не приходится.

В то же время проектировщики нового ускорителя рассчитывают, что им удастся выйти на рекордный уровень 10 ТэВ (по 5 ТэВ для каждого из двух встречных пучков протонов) уже в течение ближайшего месяца. 21 октября 2008 года должна состояться ещё одна, «настоящая» церемония открытия LHC, на которой ожидается присутствие глав государств, прямо или косвенно вовлечённых в эту «стройку века».

Ускоряем частицы

Ради чего, собственно, затевался и был наконец доведён до ума столь дорогостоящий проект? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо совершить небольшой экскурс в историю ускорителей элементарных частиц и задач, ставившихся перед ними исследователями физики микромира.

Для того чтобы изучить свойства материи на сверхмалых расстояниях (меньше 10–12 см), учёным требовалось создать пучки ускоренных частиц, обладающих высокой энергией. Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетической энергии налетающей частицы, взаимодействующей с другой частицей. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

Создание в середине прошлого века нового типа ускорителей, синхротронов, в которых ускоряемые частицы двигаются в магнитном поле по постоянному радиусу, позволило физикам достичь значительных успехов в обнаружении ранее неизвестных науке элементарных частиц и явлений. Но настоящий прогресс наметился лишь после того, как учёные смогли перейти от линейных ускорителей к коллайдерам, ускорителям на встречных пучках частиц (электронов, протонов и их антиподов — позитронов и антипротонов).

Первые электронные коллайдеры были построены в 1965 году в Институте ядерной физики (Россия, Новосибирск) и Стенфордской национальной лаборатории (США, штат Калифорния). В 1971 году был создан первый протонный коллайдер, а в 1985-м — протон-антипротонный коллайдер.

В 1987 году на американском протонантипротонном синхротроне Tevatron лаборатории Э.Ферми (США, Батейвия, штат Иллинойс) была получена рекордная энергия одного пучка в 1000 ГэВ. До сих пор Tevatron, стоимость постройки которого составляла всего 120 млн долларов, остаётся самым мощным ускорителем в мире, и именно на нём был, в частности, открыт в 1995 году последний, шестой кварк — t-кварк.

Крупнейший физический центр Европы, швейцарский ЦЕРН, образованный ещё в 1954 году, долгое время делал ставку на ускоритель, осуществлявший столкновения электронов и позитронов, — Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron Positron Collider, LEP). В 80-е годы в долине Женевского озера на глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров, и в 1989 году LEP был официально запущен в эксплуатацию. Этот ускоритель неоднократно перестраивали для достижения всё больших энергий частиц, и в конце 2000 года он достиг максимального уровня 209 ГэВ (по 104,5 ГэВ на каждый из встречных пучков). Однако несмотря на ряд качественных результатов, полученных учёными на коллайдере LEP, он не смог оправдать тех надежд, которые связывали с ним его создатели. Так, за все 11 лет работы на LEP не было открыто ни одной новой элементарной частицы. Фактически эксперименты на этом ускорителе лишь с высокой степенью точности подтвердили правоту мейнстримовской теории физики элементарных частиц, так называемой Стандартной модели (СМ).

Проверка на прочность

Стандартная модель успешно выдерживала многочисленные экспериментальные тесты на протяжении нескольких последних десятилетий. Но несмотря на исключительную прочность теоретического каркаса, она, по мнению большинства современных физиков, уже не может сегодня претендовать на роль фундаментальной модели, объясняющей всё и вся. Так, из четырех физических сил, действующих в природе, в СМ удалось успешно объединить только электромагнитное и слабое взаимодействия, тогда как ещё одно, сильное взаимодействие рассматривается ею как независимое, а гравитационное и вовсе не входит в её теоретическую схему. Кроме того, СМ не даёт четкого ответа на ряд важнейших вопросов мироздания, как например, механизм так называемой барионной асимметрии Вселенной (наблюдаемое в окружающей нас части Вселенной преобладание вещества над антивеществом, экстраполируемое на Вселенную в целом), размерность нашего пространства-времени и так далее.

Если бозон Хиггса всё-таки существует в природе, то его почти наверняка должны обнаружить на новом женевском ускорителе LHC

Одной из не решенных пока в рамках СМ ключевых проблем является объяснение механизма генерации масс элементарных частиц. Дело в том, что помимо уже известных физикам полей, отвечающих трём фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ также постулируется существование четвёртого поля, так называемого поля Хиггса. Именно с помощью этого пока ещё гипотетического поля отцы СМ (Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Ли Глэшоу, нобелевские лауреаты 1979 года) объяснили наличие массы у частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z-бозонов) и её отсутствие у частицы-переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона).

Согласно СМ, всё физическое пространство заполнено этим полем и все фундаментальные частицы (к таковым относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с ним. Причём те частицы, которые сильновзаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие — лёгкими.

В силу так называемого корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса обязательно должна соответствовать, по крайней мере, одна частица — квант этого поля, — называемая физиками бозоном Хиггса, а различными научпоповскими изданиями — «частицей Бога». Без неё вся теоретическая конструкция СМ рухнет: не найдут бозон (или бозоны) Хиггса, и Стандартную модель можно будет смело списывать в утиль. И тогда на её место придут куда более прихотливые и универсальные теории-конкуренты, такие как теория суперсимметрии, теория суперструн или теория великого объединения.

До сих пор, несмотря на многолетние усилия экспериментаторов, «божья частица» так и не была обнаружена: провалом, в частности, закончились её поиски на женевском ускорителе LEP, предшественнике LHC, ничего не вышло и у предприимчивых американцев на ускорителе Tevatron лаборатории Ферми.

Однако если бозон Хиггса всё-таки существует в природе, то его почти наверняка должны обнаружить на новом женевском ускорителе LHC. Причём в зависимости от того, в каком энергетическом диапазоне он будет найден (то ли это будет так называемый легкий хиггс с массой меньше 135 ГэВ, то ли «промежуточный» с массой 135–200 ГэВ, то ли, наконец, тяжёлый бозон, весящий более 200 ГэВ), предположительные сроки его открытия сильно разнятся. По оценкам ученых, если «хиггс» окажется легким или тяжёлым, на его открытие уйдёт два-три года работы LHC, а если «промежуточным», долгожданный успех может прийти значительно быстрее, возможно, до конца следующего года.

Схема большого адронного коллайдера (LHC)

Между тем суперускоритель LHC жестко заточен далеко не только на поиски пресловутого бозона (бозонов) Хиггса. Хиггс, безусловно, — его задача номер один, но помимо него на LHC затем надеются выловить другие новые частицы, ответственные за существование так называемой тёмной материи и тёмной энергии. Как известно, пока учёным удалось найти во Вселенной лишь 5% от общего количества вещества, рассчитанного при помощи теоретических моделей. Остальные 95% вещества и энергии до сих пор остаются невидимыми для измерительных приборов, и мы не знаем, что они собой представляют. В программу работы LHC включён ряд экспериментов, при помощи которых исследователи надеются хоть что-то прояснить и в этой сложнейшей проблеме. Ещё одна важнейшаязадача LHC — выяснение возможных причин того, почему мы не наблюдаем в природе антивещество, а видим только «нормальное» вещество (упоминавшаяся выше проблема барионной асимметрии).

Украинский след коллайдера

В подготовку к запуску Большого адронного коллайдера (LHC) украинские учёные включились еще в 1993 году. Тогда заведующий отделом физики высоких энергий Института теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова НАНУ Геннадий Зиновьев повез возглавлявшего парламентский комитет по науке и технике Сергея Рябченко в ЦЕРН. Итогом поездки стало соглашение о сотрудничестве между Украиной и Европейским советом ядерных исследований. Украина, не являясь членом ЦЕРНа, обязалась внести свой посильный вклад в эксперимент по запуску LHC. Сегодня на сайте ЦЕРНа перечислены имена семнадцати украинцев, принимающих активное и непосредственное участие в эксперименте. Это учёные из киевского Института теоретической физики, Харьковского физико-технического института (ХФТИ) и Научно-исследовательского технологического института приборостроения (НИТИП).

Основной вклад украинской науки в коллайдер был сведён к инженерным разработкам отдельных элементов детекторов, поскольку экспериментаторов в области физики высоких энергий в Украине почти не осталось — все давно работают за рубежом. Однако детекторы — очень важная составляющая LHC. Именно детекторы передадут на компьютеры с таким нетерпением ожидаемую учёными информа


Похожие записи:
  1. Компания Google высокого мнения об украинских инженерах и программистах, но открывать в нашей стране центры разработок или вкладывать инвестиции в украинские IT-компании она не спешит
  2. Проблемы американской ипотеки спровоцировали полномасштабный финансовый кризис, вызвавший тотальную переоценку рисков в мире. Развивающимся экономикам станет сложнее и дороже привлекать капитал с Запада
  3. Принято считать, что менеджер должен уметь делать все, что перечислено в учебнике. Но на практике стремление к идеалу приводит к управленческим провалам. Вместо этого нужно учиться строить органичную управленческую команду, считает теоретик менеджмента Ицхак Адизес
  4. В погоне за прибыльностью европейские банки стремятся увеличить долю рынка в Центральной и Восточной Европе и развивают альтернативные каналы продаж. В Украине западные игроки будут делать ставку на традиционные услуги в отделениях
  5. Последние недели финансовый рынок Италии лихорадит: страна неожиданно встала в очередь за Грецией на пути преддефолта. Однако анализ показывает, что третья экономика еврозоны оказалась не столько жертвой долгового кризиса, сколько жертвой тщательно спланированной кампании финансовых спекулянтов
  6. Миллиардер Сергей Тарута инвестирует десятки миллионов долларов в украинские нанотехнологии
  7. Кризис ликвидности продемонстрировал, что мировая финансовая система меняется вслед за мировой экономикой. Кризис подчеркнул перемещение влияния с Запада на Восток и от частного сектора — к государственному