Коллайдер
Шрифт:
Такую ответственность взял на себя Европейский центр ядерных исследований, который по французской аббревиатуре (CERN) называют ЦЕРНом. Найти «хиггс», открыть суперсимметричные частицы, разгадать природу темной материи, понять, есть ли скрытые дополнительные измерения, объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, воспроизвести в какой-то степени условия Большого взрыва - имея в виду эти и многие другие насущные научные проблемы, ЦЕРН решил бросить силы на постройку самого большого и самого энергичного ускорителя в мире. В качестве площадки было выбрано место вблизи штаб-квартиры центра, неподалеку от швейцарской Женевы.
Более пятнадцати лет напряженного графика и свыше 8 млрд долларов - такова цена наконец запущенного Большого адронного коллайдера, новаторского научного проекта, призванного раскрыть самые глубокие тайны физики частиц. Без всякого преувеличения, это величайший
Опросите путешественников, куда бы они поехали за изумительной красотой и гармонией, и в первых строчках наверняка будет Швейцария. Это величественные горы и чистые озера, старомодные фуникулеры и завораживающие средневековые города. Где, как не здесь, искать единства? И правда, Швейцарская Конфедерация - живой пример того, как разнородные силы можно свести вместе. Она объединяет людей, говорящих на четырех официальных языках (французском, немецком, итальянском и ретороманском), придерживающихся разных религий (протестанты, католики и др.) и живущих в 26 кантонах, в которых, между прочим, очень неодинаковые географические условия. Хотя в прошлые века не все в швейцарской истории шло гладко, сейчас она стала средоточием мира и нейтралитета.
Когда в Европе исчезли политические границы, заставы в науке также пали. БАК пересекает швейцарско-французскую границу с легкостью дипломата. Его 27-километровый кольцевой тоннель, доставшийся в наследство от списанного в утиль Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП), являет собой венец международного сотрудничества. Только объединившись, напоминает он нам, мы можем надеяться разгадать секреты природного единства.
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
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]
2
20 ноября 2009 г. пучки снова были запущены в кольцо, а 23 ноября произошли первые столкновения.
– Примеч. пер.
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».
3
Под буквой «b» в названии кварка обычно понимают слово «bottom» - «дно» (англ.), но некоторым физикам больше нравится расшифровывать ее как beauty («красота», «прелесть»). Отсюда и имя детектора.
– Примеч. пер.