Как работает Большой адронный коллайдер, часть 1: устройство и задачи

Почти 60-летняя история Европейской организации по ядерным исследованиям включает в себя, конечно, немало открытий мирового значения. Появление ЦЕРНа вообще сложно переоценить: создание лаборатории под Женевой, например, послужило толчком к «гонке за знаниями» — так, подобная организация в Дубне Московской области, Объединенный институт ядерных исследований, стала ей своеобразным ответом. Кто-то назвал бы это событие «этапом холодной войны», но ученые почти всегда сторонились политики.

«Если мы не найдем бозон Хиггса — это хороший результат»

— Физика — наука международная, — считает профессор Игорь Голутвин. — Она требует таких больших ресурсов, что предоставить их не может ни одна страна в одиночку. Я говорю не столько даже о финансовой стороне вопроса, сколько об интеллектуальной.

Игорь Голутвин

Игорь Анатольевич первый раз приехал в Женеву более 50 лет назад. Он — представитель старшего поколения физиков, изучающих элементарные частицы, своими глазами видел становление ЦЕРНа, принимал участие в сотнях экспериментов и издал множество научных работ. Является ведущим ученым Объединенного института ядерных исследований в Дубне и руководителем коллаборации RDMS в ЦЕРНе. В ее состав входят сотни представителей из стран бывшего СССР, в том числе белорусы.

В общем, Игорь Голутвин точно знает, на какие вопросы может ответить Большой адронный коллайдер.

— Я слышал недавно любопытную мысль: физики сейчас занимаются тем, чем занимаются теологи уже 20 веков — объясняют происхождение мира, устройство Вселенной, — продолжает ученый. — Для этого была придумана специальная машина — Большой адронный коллайдер. Идею подали, кстати, мой хороший знакомый, талантливый человек и лауреат Нобелевской премии, Карло Руббиа и инженер Джорджио Брианти.

Профессор Голутвин считает, что Большой адронный коллайдер — идеальная экспериментальная установка, созданная на пределе инженерных возможностей человечества. Воплотить нечто большее было бы попросту невозможно, а построить меньшее — значит, сознательно уменьшить потенциал лаборатории.

— Большой адронный коллайдер мы называем машиной открытий, — говорит Игорь Анатольевич. — И, как это принято в научном мире, любое открытие должно быть подтверждено. Именно для этого сооружено два разных по устройству, но одинаковых по предназначению детектора (эксперимента).

Профессор называет коллайдер «началом новой эры»:

— Когда-то писали клинописью или делали наскальные рисунки, затем появилась принципиально другая письменность, потом книги, компьютеры — люди узнавали все больше и больше. Так вот, информация с детекторов Большого адронного коллайдера — это совсем другой уровень, на порядок выше. За один только год ее набирается столько, сколько потребило бы 2 миллиарда пользователей интернета.

Большая часть анализа информации обрабатывается автоматически — для этого работают мощности как самого ЦЕРНа, так и многочисленных компьютеров, распределенных по миру и связанных между собой в системе ГРИД. Об этом, как и об устройстве самого коллайдера, мы расскажем ниже.

В обывательской среде ходит достаточно много информации о коллайдере и его предназначении — раскруткой «брендов» типа «бозон Хиггса» или «темная материя» занимаются в основном журналисты. Игорь Голутвин описывает задачи ускорителя с долей философии:

— Ученые понимают строение вещества достаточно неплохо, но до определенного уровня, — говорит профессор. — Все, что находится за пределами нашего видения, описывается в теории, при помощи так называемой стандартной модели. Она всем хороша, кроме нескольких «мелочей»: например, в ней не учитывается существование гравитации, а также используется много свободных параметров — целых 26 «подгоночных» величин, вписанных, по сути, от руки.

Игорь Анатольевич доступным для нас языком раскрывает проблему объяснения массы веществ. Стандартная модель описывает их так, как будто они ничего не весят: тем не менее все мы носители своих килограммов, равно как всё, что существует во Вселенной.

— Одна из «красивых» теорий, объясняющая существование массы, как раз увязана с бозоном Хиггса, — продолжает физик. — Кроме того, за последнее десятилетие ученые сделали вывод, что видимая нами часть материи составляет всего 4% от общей ее массы. Так появился термин «темная материя», и мы надеемся понять, что это такое.

Ученый называет «громадным заблуждением» расхожее мнение, будто коллайдер существует только для поиска одного лишь бозона Хиггса. По его мнению, популярность в народе этой проблемы связана с особенностями финансирования научных программ со стороны политических властей: еще во времена попытки построить большой коллайдер на территории США деньги выделялись под конкретный проект или задачу и требовали отчетности. Так «бозон Хиггса» стал сверхзадачей.

— Да, это важнейшая проблема физики, — считает Игорь Голутвин. — И финансирование в огромных размерах (например, ЦЕРН под это выделил 700 миллионов долларов) должно как-то оправдываться, это такой своеобразный критерий.

По оценкам ученого, с достоверностью 98% к концу следующего года станет известно, существует бозон Хиггса или нет.

— На мой взгляд, доказательство отсутствия этой частицы было бы очень хорошим результатом, — заключает профессор. — Представляете, сколько сразу предположений отпадет?

Игорь Голутвин говорит, что коллайдер выполняет и другие важные задачи: он, возможно, станет дорогой в научную физику будущего, знания, которые сейчас даже не предсказываются и не укладываются в существующие теории. Ученые ЦЕРНа надеются приблизиться к пониманию барионной асимметрии Вселенной, кварк-глюонной плазмы, суперсимметрии, физики пространства-времени, природы нейтрино и много чего другого.

Как это работает?

Европейская организация по ядерным исследованиям расположена на территории двух стран — Швейцарии и Франции. Основное количество зданий и площадок разместилось внутри кольца Большого адронного коллайдера. Здесь и кабинеты ученых, и конференц-залы, и центры управления экспериментами, и цеха, и лаборатории, и даже два ресторана с гостиницей.

От площадки до площадки можно путешествовать на велосипедах или автомобилях. Детей, кстати, на день оставляют в имеющемся здесь детском саду.

Экскурсию по ЦЕРНу для нас провел Николай Зимин, физик-экспериментатор и участник эксперимента ATLAS. Он родился в Казахстане, учился в Томске, работает в Дубне, находясь как бы в длительной командировке в Швейцарии уже более 20 лет и помня, как все начиналось.

Николай Зимин

— Организован центр по принципу ООН, — говорит наш экскурсовод. — Почти 60 лет назад свои подписи под его созданием поставили представители 12 стран, еще 10 присоединилось до конца XX века (а Югославия — покинула), 6 имеют статус наблюдателя. Финансирование ЦЕРНа ведется пропорционально ВВП стран — наибольший вклад вносит Германия (порядка 20% от бюджета — 200 миллионов евро в год).

Пока мы идем в отдаленное здание музея, Николай показывает нам бытовые особенности лаборатории — почти круглосуточно работающее кафе, отделение банка и туристическое агентство, отделение связи и почты.

— У ученых, как вы понимаете, рабочий день не нормирован, поэтому раньше даже рестораны работали без перерывов круглые сутки, — продолжает физик. — Однако несколько лет назад случился неприятный инцидент — в ЦЕРН забрели местные хулиганы и устроили драку с работником ресторана. Была усилена проходная система, а ночью работают только кофейные автоматы. Раньше ведь даже забора не было.

Николай Зимин вспоминает этапы «научной войны» между европейским и советскими центрами по ядерным исследованиям. Тогда они шли нога в ногу, и Советы иногда опережали своих коллег.

— Дубненцы придумали по поводу запуска своего самого мощного на тот момент ускорителя — синхрофаза — отправить в Женеву бутылку водки с наказом выпить в день запуска здесь аналогичного устройства. Бутылка вернулась спустя какое-то время в Дубну, выпитая, разумеется. А внутри — график осциллографа, подтверждающий запуск ускорителя в ЦЕРНе.

Теперь, конечно, ускорители уже не те. Большой адронный коллайдер — главная гордость ЦЕРНа — повсеместно изображен на многочисленных рисунках, коллажах, графиках. Остановившись около одного из них, Николай Зимин коротко описал его характеристики:

— Окружность ускорителя составляет 27 километров, сам он состоит из разнообразных сверхпроводящих магнитов в количестве 12 тысяч штук, из них 1,2 тысячи — дипольные магниты, придающие круговую траекторию летящим частицам. Они, кстати, охлаждены до температуры 1,9 Кельвина, что несколько холоднее даже, чем в открытом космосе. Только так можно добиться от гелия, использующегося в конструкции коллайдера, сверхтекучего состояния. Сам тоннель находится под землей, на глубине от 50 до 150 метров (в зависимости от рельефа).

— Коллайдер создан для того, чтобы разгонять протоны до рекордно больших энергий на скорости, меньшей скорости света на миллионные доли, и сталкивать их, — продолжает Николай Зимин.

Зачем?

— Представьте, что мы знаем строение вещества только до определенного уровня, — отвечает научный сотрудник. — Оно состоит из молекул и атомов, те — из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а еще глубже — из кварков. Что дальше — не знаем. Возможно, узнаем при помощи Большого адронного коллайдера.

Протоны «рождаются» в линейном ускорителе, проходят начальный этап ускорения и попадают в первое малое кольцо, где достигают энергии 25 ГэВ. Отсюда их путь лежит в ускоритель SPS, где получаемая энергия повышается до 450 ГэВ. Наконец, последний этап — «впрыск» в самое большое кольцо и достижение энергии 3,5 ТэВ, половинной от запланированной.

Раскрутив в кольце до невообразимых скоростей, протоны заставляют сталкиваться друг с другом, порождая так называемые «события». Как раз в местах столкновений установлены детекторы — установки, регистрирующие столкновения, — ATLAS и CMS.

— «События» — это регистрация продуктов распада столкновения, большое количество вторичных частиц, порожденных огромными энергиями. Изучая их, мы можем попытаться понять, что существовало в первые микроскопические доли секунд после Большого взрыва, и, возможно, заглянем в новые глубины строения вещества.

В музее нас ожидает сюрприз: среди устаревших научных установок стоит настоящий артефакт компьютерной эпохи — компьютер Next, детище команды Стива Джобса времен ухода из Apple. Устройство стало первым сервером, на котором заработал интернет в привычном нам гипертекстовом виде. Создал его на тот момент сотрудник ЦЕРНа Бернерс-Ли.

— Я хорошо помню лекцию, где Тим представлял проект гипертекстового интернета, — вспоминает по случаю Николай Зимин. — Я тогда еще слабо знал английский, но посетить семинар меня уговорил приятель. По прошествии стольких лет, конечно, ни капли не жалею об этом. Его идея родилась благодаря особенностям нашего центра: нужно было ускорить обмен информацией между учеными, занятыми в разнообразных экспериментах. Именно так возникла мысль о создании чего-то, что могло бы ускорить, упростить и удешевить этот процесс. Никто и не думал, что это найдет такое широкое применение и перевернет мир, обеспечив всему человечеству доступ к разнообразнейшей информации.

Здесь же расположен макет коллайдера, повторяющий настоящий один к одному. Николай Зимин рассказывает, как организован процесс столкновения протонов. Для этого в ускорителе встроены специальные камеры, «умеющие» магнитами сжимать их до пучков с микронными размерами, что обеспечивает вывод на пересекающиеся траектории.

— Одной из сложнейших задач при конструировании коллайдера была проблема эффективности столкновений, — подчеркивает ученый. — Наиболее информативные и важные для нас «события» происходят тогда, когда протоны сталкиваются «лоб в лоб», а не по касательной. В камере пучки фокусируются, сталкиваются какие-то из их частиц, остальные продолжают крутиться в ускорителе, ожидая, когда наступит их черед столкнуться. Дальше — дело анализа.

В коллайдере одновременно находятся 2808 «банчей» — нарезанных сгустков частиц. За 1 секунду они облетают окружность ускорителя 11 тысяч раз, порождая «события» каждые 25 наносекунд. Гигантский объем информации!

— Мы стараемся автоматически отбирать только самые-самые интересные «события», — уточняет Николай Зимин. — Например, когда сталкиваются «в лобовую» протоны, а еще лучше — кварки. Учитывая малые их размеры, такие столкновения крайне редки.

—

Продолжение специального репортажа о работе Большого адронного коллайдера читайте здесь. Вы узнаете о вкладе белорусов в создание проекта, побываете вместе с нами в компьютерном центре ЦЕРНа и увидите самый настоящий ключ от ускорителя!

Onliner.by благодарит белорусское представительство Samsung
за помощь в подготовке репортажа

Фото: Максим Малиновский, камера Samsung NX11