Поиграем в сотворение мира?

Украина официально не входит в число государств — членов CERN. Однако наши ученые все же сыграли в уникальном эксперименте заметную роль.

Официальная церемония открытия Большого адронного коллайдера Европейского центра ядерных исследований (CERN) состоялась 21 октября. Торжество инаугурации не испортил даже тот факт, что к этому времени его «виновник» уже успел выйти из строя. Он смог выдержать два тестовых запуска пучков протонов: сначала по часовой стрелке, затем в обратном направлении. А потом электропроводка между двумя электромагнитами расплавилась, и жидкий  гелий попал в туннель коллайдера. Эксперименты, в ходе которых предполагается разогнать встречные пучки протонов до скорости, близкой к световой, приостановили до весны.

Атомная гонка в подземелье: зачем?

И все-таки, зачем нужен этот огромный кольцевой туннель со сложнейшим оборудованием, который уже обошелся в 6 миллиардов долларов и потребует еще немало средств?  Неужели только для того, чтобы удовлетворить любознательность ученых? Наверное, самый понятный и в то же время исчерпывающий ответ на этот вопрос дал знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг, известный также своими научно-популярными книгами.

— Люди всегда стремились понять, как возникла Вселенная, — сказал Хокинг. — Аристотель считал, что у нее не могло быть начала и не будет конца. Иммануил Кант задавался вопросом: почему, если у Вселенной было начало, ему предшествовал бесконечный период ожидания? В 1915 году общая теория относительности Альберта Эйнштейна позволила разрешить загадку: пространство и время были не фиксированным фоном происходящего, а динамичными сущностями. Подобно тому, как нет точки южнее Южного полюса, нет времени вне Вселенной. Но оставалась еще одна проблема: теория Эйнштейна, описывающая самые крупные сущности, не согласуется с другим столпом физики ХХ века — квантовой теорией, описывающей самые мелкие. Большой адронный коллайдер — попытка приблизиться к разрешению этой дилеммы. В нем будет осуществляться столкновение элементарных частиц, которое позволит воспроизвести моменты, последовавшие за Большим взрывом.

И это все о нем

Профессору теоретической физики Хиггсу, придумавшему «божественную частицу», 79 лет. Этот скромный человек обычно не контактирует со СМИ, хотя и сознает, какое значение имеет его теория о том, что существует пока не обнаруженное поле, связывающее ряд базовых частиц материи между собой с помощью не имеющего массы объекта, названного бозоном Хиггса. Свою идею ученый сформулировал в 1964 году всего за два дня и записал на двух сторонах листа обычной писчей бумаги. Любопытно, что его первый материал по этой теории отказался опубликовать редактор физического журнала CERN — того самого учреждения, которое проводит нынешний эксперимент. Реальная перспектива получить за свое открытие Нобелевскую премию не смущает Хиггса. «Что ж, это было бы мило», — улыбается он.

Правда, в своем ответе Хокинг не упомянул о теоретически существующем бозоне Хиггса, который сам не имеет массы, но ответственен за появление масс у всех других частиц — электронов, протонов. Хокинг даже заключил пари на 100 долларов на то, что «божественную частицу»,  (ее еще называют бозон),  в коллайдере не обнаружат. Впрочем, физики уверены, что даже отрицательный результат в эксперименте будет полезен, поскольку в этом случае можно будет, исключив из задачи один из ее возможных элементов, начать искать что-то другое. Да и вообще поле применения открытий, которые ожидают от БАКа, шире, чем поиск бозона Хиггса. Например, могут проявиться предсказываемые одной из теорий «туннели во времени», не исключено открытие новых измерений, да и вообще опровержение всей прежней научной картины мироздания.

И все-таки дело не только в любознательности ученых. Фундаментальные исследования и создание новых технологий всегда неразрывно связаны. Не исключено, что этот эксперимент даст толчок развитию новых технологий в области энергетики, которые позволят человечеству забыть о проблеме нехватки энергии. Конкретная польза от коллайдера есть уже сейчас: для обсчета событий, которые будут происходить в нем в процессе эксперимента (а это рождение 40 миллионов  взаимодействий элементарных частиц в секунду), в ЦЕРНе разработали новый глобальный проект. Это ГРИД — продвинутая инфраструктура, объединяющая множество информационных ресурсов разных типов. Потенциал ГРИДа имеет стратегический характер, в близкой перспективе он станет самым современным на Земле вычислительным инструментом для развития высоких технологий в различных сферах деятельности.

Как долго продлится суперэксперимент? Специалисты не дают точного ответа, заявляя,  что этот проект имеет столь высокий научный потенциал, что из него можно будет черпать и черпать… На Большом адронном коллайдере одновременно будут проходить тысячи экспериментов. По масштабам международной кооперации и диапазону задействованных в ней специалистов проект БАК можно сопоставить лишь с  проектом ITER по созданию первой рабочей модели термоядерной коммерческой электростанции. Что характерно, при этом сопоставимы и сроки получения результатов от этих грандиозных замыслов, и их значение для будущего цивилизации.

Немножко украинского акцента

Одна из главных причин, которая подвигла ученых построить БАК, — теория суперсимметрии и супергравитации. Ее разработка стала одним из наиболее ярких и значительных достижений физики  второй половины XX века. Пионерские работы в этой области были выполнены в 70-е годы прошлого века коллективом ученых ННЦ «Харьковский физико-технический институт», который возглавлял академик Дмитрий Васильевич Волков.

Как известно из школьных учебников физики, стандартная модель возникновения Вселенной объединяет три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное. А гравитация в эту модель не вписывается, что не позволяет ученым объяснить природу темной энергии и темной материи, которые, хоть и не видимы для нас,  составляют соответственно 73% и 23 % Вселенной. Они были обнаружены косвенно по тем гравитационным эффектам, которые оказывали на наблюдаемые космические  объекты. Фактически сейчас мы видим всего лишь 4% вещества. Такого количества не хватает ни для объяснения природы звездных орбит, ни для создания полной картины мира. Включить все четыре фундаментальных взаимодействия в последовательную и самосогласованную конструкцию и позволяет теория суперсимметрии. Если с помощью БАК удастся открыть суперсимметрию в природе, представление о картине мира претерпит революционные изменения.

Свой вклад украинские ученые внесли и в разработку отдельных узлов конструкции коллайдера. Как известно, экспериментаторы попытаются в его кольцевой трубе разогнать пучки элементарных частиц во встречных направлениях до скорости, близкой к скорости света, и столкнуть их между собой. Полученные в результате эксперимента данные будут считываться и анализироваться в нескольких детекторах, установленных вокруг точек столкновения пучков протонов.

— Украинские специалисты работали над созданием трех из четырех детекторов: CMS, LHCb и ALICE, — говорит директор Института сцинтилляционных материалов НТК «Институт монокристаллов» академик Борис Гринев. — В частности,  для установки CMS, построенной для изучения протон-протонных столкновений и поиска бозона Хиггса, наши специалисты создали 22 тысячи тайлов — разного размера детекторов из радиационно-стойкой пластмассы. И если «божественную частицу» все-таки суждено будет «поймать», то именно внутри CMS — компактного мюонного соленоида. Разработанная нами технология изготовления таких детекторов, а также сцинтилляторов на основе кристаллов вольфрамита свинца для ALICE  уникальна.

Для детектора ALICE, который будет искать новую форму ядерной материи после столкновений ионов свинца или золота, ученые НТК «Институт монокристаллов» и ННЦ «Харьковский физико-технический институт» получили от ЦЕРН задание создать внутреннюю трековую систему. Трудность задачи состояла в том, что из-за функциональной особенности этого детектора все его детали должны быть максимально легкими и компактными, но в то же время способными выдержать мощное излучение от столкновения протонов. Чтобы добиться нужного результата, харьковские специалисты сумели сократить расстояние между контактными площадками микроплат вдвое и превратили ALICE в гибкий и высокочувствительный комплекс.

При создании этого детектора была использована еще одна уникальная украинская технология — производство микрокабелей на гибкой лавсановой основе, которые работают при высокой радиационной нагрузке. В ее создании принимали участие киевский Институт микроприборов и харьковский Научно-исследовательский технологический институт приборостроения. В целом же за время реализации проекта в Украине было изготовлено 40 тысяч микрокабелей разной формы и направленности, 4 тысячи очень важных для этого детектора гибридных схем, собрано 2 тысячи модулей.

Во время создания установки LHCb, где будут исследовать нарушения некоторых фундаментальных симметрий и пытаться обнаружить следы одиночного beauty-кварка,  впервые применена еще одна уникальная разработка — металлические фольговые детекторы. Они созданы учеными Института ядерных исследований НАНУ (г. Киев) совместно со специалистами немецкого Института ядерной физики им. Макса Планка. Стоит отметить, что система определения радиационной обстановки вокруг детектора —  один из важнейших его элементов, так как опыты будут проходить в условиях очень высокого уровня радиации, эквивалентного последствиям взрыва 100-мегатонной ядерной бомбы.

Кроме названных научных учреждений, в создании БАК участвовали Институт теоретической физики (г.Киев), Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко и Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина. Интересно, что за все это время на реализацию проекта, который заметно поднял престиж отечественной науки в мире, украинское государство не потратило ни единой копейки. Наши специалисты работали на деньги УНТЦ, INTAS, ЦЕРН и НАТО. Более того, ученые уже несколько лет не могут добиться от украинского правительства выделения 50 тысяч долларов на взнос, который позволил бы стране получить статус полноправного участника проекта. В Швейцарии даже пошли на некоторое нарушение устава, приглашая наших специалистов, так как их участие в создании БАК не было официально оформлено.

— Очень жаль, что Украина в женевском проекте хоть и представлена, но не в том масштабе, на который мы вправе рассчитывать, — говорит доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории ядерной физики Харьковского национального университета имени В. Каразина Степан Дуплий. Ученый входил в коллаборацию  CMS — одного из детекторов Большого адронного коллайдера.

Шайтан-бублик

Так назвали коллайдер шутники в ответ на различные «страшилки», в которых утверждается, что его запуск приведет к концу света. Действительно, по мнению некоторых физиков, существует отличная от нуля вероятность выхода проводимых в БАК экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определенных условиях теоретически способна уничтожить всю планету. Теория базируется на том, что, сталкивая элементарные частицы друг с другом при высоких энергиях, коллайдер может произвести черные дыры, отрицательно заряженные страпельки (фрагменты так называемой странной материи)  и магнитные монополи. Уолтер Вагнер и Луис Санчо потребовали даже запретить ЦЕРНу запуск большого ускорителя частиц, подав в суд иск с соответствующим требованием.

С улыбкой

Черные дыры — это места, где внеземные разумы изобрели коллайдеры раньше нас.

В ответ руководители эксперимента говорят, что возникновение в коллайдере гравитационного феномена очень маленькой черной дыры теоретически представимо. Однако даже если она и образуется, то испарится прежде, чем начнет представлять угрозу. Что касается страпелек, то само их существование пока не доказано, а если предположить, что они существуют, то, по современным теориям, в БАКе не будет условий для их возникновения. Но даже если это все-таки произойдет, страпелька исчезнет прежде, чем начнется цепная реакция и вся Земля превратится в «странную» материю. Магнитный монополь тоже является гипотетическим объектом: известно, что на практике как ни дели любой магнит на части, он все равно имеет два полюса и остается диполем. Тем не менее теория не исключает, а одна из гипотез предполагает, что присутствие магнитных монополей может ускорить распад протонов. Ученые доказывают, что даже если магнитный монополь возникнет в коллайдере  и будет на такое способен, то он быстро покинет Землю, успев уничтожить максимум 1018 протонов.

Прямая речь

— БАК —  это чудо современной технологии, появление которого было невозможно без постоянной поддержки государств — членов CERN, — заявил Робер Аймар,  генеральный директор крупнейшей в мире лаборатории физики высоких энергий. — К сожалению, Украина официально не входит в их число, хотя украинские ученые сыграли в эксперименте заметную роль. За 14 лет создания БАКа в нем участвовали около 130 украинских ученых из 9 научных подразделений. А всего в проекте было задействовано около 2300 исследователей  из 175 институтов 38 стран мира.

Еще одна «страшилка» предвещает, что БАК способен послать нам гостей из иного времени или измерения. Сравнивать коллайдер с машиной времени стали после одной из статей, опубликованной недавно в авторитетном журнале «New Scientist». По приведенным здесь расчетам получается, что при столкновении частиц в гигантском ускорителе произойдет искривление пространства-времени и появятся «кротовые норы», по которым можно отправиться в прошлое. Если так и случится, утверждают ученые, то машина времени будет существовать лишь доли секунды и исключительно в микромире — для мира людей она непригодна.

В общем, никто из настоящих ученых конца света не ожидает. Однако и сама исключительность события, и непонимание обывателями сущности будущих экспериментов сделали запуск Большого адронного коллайдера самым освещаемым событием в истории физики. По данным журнала «New Scientist», более миллиарда телезрителей во всем мире наблюдали, как 10 сентября в Швейцарии запускали механизм для ускорения протонов. В тот же день в прессе было опубликовано 5853 статьи, посвященные этому событию, а посещаемость официального сайта Центра Европейского совета ядерных исследований возросла почти в тысячу раз. Ученые всего мира надеются, что такое пристальное внимание к этому научному эксперименту возродит тот интерес к фундаментальной науке, который существовал в 60-е годы минувшего столетия.

…Вслед за адронным коллайдером уже намечен новый мировой мегапроект — электрон-позитронный линейный коллайдер. Концептуальный план этого аппарата уже существует, но место для его установки пока не определено.

Перспектива

Энергия в пучках частиц будет повышаться постепенно, однако физики надеются, что к концу 2010 года она станет уже достаточной, чтобы зарегистрировать бозон Хиггса и обнаружить одиночный топ-кварк — самую  тяжелую из субъядерных частиц с дробным зарядом. Есть надежда к 2011 году увидеть первые следы слептонов — суперсимметричных партнеров лептонов (позитронов и мюонов) и нейтралино — гипотетической частицы, из которой, возможно, преимущественно и состоит темная материя. Первые выводы относительно реализации хиггсовского механизма генерации масс можно будет сделать после 2013 года. И лишь после этого у мирового сообщества появятся основания готовиться к действительно неожиданным открытиям.

Новинки молекулярной кухни

Участники официальной церемонии открытия Большого адронного коллайдера получили возможность продегустировать блюда молекулярной кухни, которая тоже является новейшей научной разработкой.

Идея молекулярной кухни — продуктов, созданных на стыке кулинарии и химии, — принадлежит французскому ученому Эрве Тису. Главное внимание здесь обращается на кулинарные техники, которые до неузнаваемости меняют вкус и консистенцию обычных продуктов. Так, вместо старого доброго варения и соления используются жидкий азот, вакуум, кислород и инертные газы, различные химические реакции, центрифугирование, эмульгирование, размельчение продуктов практически до молекул, стерилизация с применением радиочастот, обработка под высоким давлением и пульсирующим электрическим полем. К примеру, участников торжества угощали кофе в виде печенья, чаем в виде желе и мороженым со вкусом ветчины.

Важное направление молекулярной кулинарии — продукты, которые сохраняются годами, не теряя своих питательных свойств и витаминной ценности. Ученые надеются с ее помощью научиться составлять идеальные диеты исходя из ДНК каждого индивидуума.