Наука и техника: прошлое и настоящее

Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер
Ключевые факты, относящиеся к БАКу:
• география  –  построен на глубине 100 м на территории Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы,  в уже имевшемся тоннеле, где раньше размещался  менее мощный ускоритель – электронно-позитронный коллайдер;
• предыстория  –  решение строить  коллайдер  ЦЕРН принял осенью 1994 г., спустя  год после решения  американского конгресса прекратить  строительство протонного суперколлайдера проектной мощностью в 40 ТэВ;
• кооперация – главным координатором всех работ является знаменитый ЦЕРН, а всего в работу на БАКе вовлечены десятки тысяч специалистов из  множества стран мира. Строительство и эксплуатация  самой сложной в истории человечества экспериментальной установки финансируется всеми европейскими странами, участвующими в работе ЦЕРНа. Значительное участие в финансировании  проекта  принимают также США и Япония.
Как именно происходит ускорение протонов в коллайдере? Сначала протоны должны ускоряться в так называемом линейном ускорителе с помощью электрического поля – до энергии 50 МэВ. Затем наступит очередь синхротронных ускорителей – их в БАКе три. Первый увеличит энергию до
1,4 ГэВ, второй – до 26 ГэВ, а третий – до 450 ГэВ. И только после этого пучки протонов поступят в главное кольцо БАКа. Именно там их разгонят  в противоположных направлениях до энергии 7 ТэВ (полная энергия будет соответственно в два раза больше). Чтобы высокоэнергетичные  протоны двигались  по круговой траектории,  необходимо сильное магнитное поле, что требует использования  мощных электромагнитов. Именно на этом, завершающем, этапе используются электромагниты с обмотками из сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием. Заметим, что энергопотребление коллайдера столь велико, что зимой его работу, видимо, придётся приостанавливать, поскольку подобных нагрузок может не выдержать энергетика Франции и Швейцарии – стран, на территории которых расположен БАК.
Зачем вообще нужно сталкивать протоны, движущиеся навстречу друг другу с полной энергией, достигающей (в системе центра масс) 14 ТэВ? Дело в том, что работает закон сохранения импульса. Когда протон налетает на непо­движную мишень, очень большая часть его энергии преобразуется в кинетическую энергию образовавшихся частиц, и только малая часть идёт на образование этих частиц.  Протоны же движутся в противоположных направлениях,  так что их суммарный импульс невелик. Следовательно, небольшими будут и импульс, и кинетическая энергия образовавшихся в результате столкновения частиц, следовательно, в этом случае в кинетическую энергию перейдёт меньшая часть энергии протонов, большая же часть будет потрачена на рождение этих самых частиц.     
Исключительно важной компонентой  БАК являются детекторы элементарных частиц (многие их детали, кстати, изготовлены в России). В идеале детекторы должны регистрировать все частицы, рождающиеся в результате соударений протонов, а потому их расположили в громадном цилиндрическом слое, окружающем область столкновения. Наиболее близко к «оси» расположены так называемые кремниевые микроскопы, их задача – регистрировать частицы с крайне малым временем жизни. Вслед за ними размещены детекторы иных типов, например, черенковские счётчики. На внешней поверх­ности детекторов размещены калориметры двух видов, позволяющие определять полную энергию частицы. Один, электромагнитный, предназначен для измерения энергии электронов, позитронов и фотонов. Второй, адронный, должен измерять энергию протонов, нейтронов, пионов и иных тяжёлых частиц. 
Размеры детекторов впечатляют. Самый большой, массой 7000 т, имеет длину 46 м и диаметр 25 м. Следующий по габаритам  «всего» 21 м  длиной и 16 м в диаметре, но  масса его почти в два раза больше.
Зачем вообще нужен БАК? Ответу на это вопрос посвящена отдельная страница «коллайдерного» раздела сайта «Элементы». Среди аргументов «за» коллайдер, которые приводит ведущий этого раздела Игорь Иванов, больше всего  импонирует  рассуждение о роли математики. Действительно, «всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей». Именно язык математики связывает друг с другом разные области физики, и именно поэтому изучение устройства протона может открыть нам, к примеру, «новые возможности материалов с экзотическими свойствами». Что же касается тех диагностических возможностей, которыми обеспечила медицину физика элементарных частиц и на которые весьма часто ссылаются как на основной аргумент в пользу этого раздела физики, то эта польза может быть названа лишь побочной.    
Какие  задачи физики рассчитывают решить на БАКе? Наиболее часто упоминается поиск бозона Хиггса. «Механизм Хиггса постулирует существование скалярного поля, пронизывающего всё пространство и в чём-то напоминающего эфир, столь любимый физиками XIX в. Все частицы за исключением фотонов и гравитонов приобретают массу просто потому, что это поле сопротивляется их движению. Согласно этой модели то, что мы считаем массой, – просто проявление трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны показывать себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона» (А.Левин). Расчёты теоретиков показывают, что  масса хиггсовского бозона не превышает 0,5 ТэВ и, следовательно, энергии сталкивающихся в БАКе  протонов хватит для его появления на свет с избытком. Разумеется, в случае успеха зарегистрирован будет не сам бозон Хиггса, но «всего лишь» образующиеся в результате его распада мюоны. 
Весьма популярна среди журналистов тема  безопасности коллайдера. Знаменитый  российский фантаст  Борис  Стругацкий  прокомментировал это так: «Давным-давно, ещё в прошлом веке, мы перестали ждать от науки благотворных чудес – панацею, эликсир молодости, радикальное средство от облысения. Теперь в наших ожиданиях преобладают чудеса жестокие: бомба, рукотворная чума, чёрные дыры, в которые мы все провалимся». Самый главный аргумент против катастрофического сценария развития событий предоставлен самой природой. Действительно, те значения энергии, которые планируется достичь на БАКе, характерны для некоторых столкновений частиц космических лучей с атомами земной атмосферы. За всё время существования планеты Земля таких столкновений было в сто тысяч раз больше, чем число столкновений за весь планируемый период работы БАКа. Если бы катастрофический сценарий реализовался, то современной цивилизации не существовало бы. А вместе с ней и самого БАКа, и нас, эти сценарии обсуждающих…
Ещё одна связанная с БАКом «страшилка» – это чёрные дыры, которые якобы могут рождаться  в ходе экспериментов. И.Иванов уточняет: на БАКе действительно могут рождаться микроскопические чёрные дыры, однако время жизни таких объектов будет чрезвычайно мало, после чего они будут распадаться на обычные частицы. Такие процессы  возможны, но не обязательны, они всего лишь вытекают из некоторых гипотез физиков-теоретиков, согласно которым при достижении энергий порядка 1 ТэВ интенсивность гравитационного взаимодействия (являющегося, напомним,  самым слабым  из  известных фундаментальных  взаимодействий ) резко возрастает... Но, даже если эта гипотеза окажется верной и микроскопические чёрные дыры действительно будут рождаться, они не успеют ничего поглотить в силу своего крайне малого времени жизни.
19 сентября  работы на коллайдере  были остановлены. Судя по всему, причиной стал брак, допущенный  при изготовлении магнитов: сильный ток привёл к выделению значительного количества тепла, в результате чего шов герметичного кожуха расплавился и произошла утечка значительного количества жидкого гелия. Как заметил Игорь Иванов, «по-видимому, была поставлена задача “не испортить шоу” по запуску первого пучка даже в ущерб технической готовности машины. Судя по развитию событий, подобная торопливость оказалась совершенно неуместной».
Самой весёлой  реакцией на это, несомненно, печальное для физиков событие, стало стихотворение Сергея Шоргина, опубликованное  в сетевом издании  www.polit.ru : 
Ускоренье протонов – в офсайде,
Размигались экраны с тоской...
Величайший Адронный Коллайдер
Обесточен жестокой рукой.
Для электриков тамошних сонных
Оказались страшнее всех скверн
Кипятильники русских учёных,
На работу приехавших в ЦЕРН.
Но пока продолжается это –
Не случится взорваться ядру,
И несчастная наша планета
Не провалится к чёрту, в дыру.
Целы все – от Тибета до Чили,
И абрек, и пират в Сомали...
БАК испортили! БАК отключили!
Наши чайники Землю спасли...

По материалам сайтов:
www.elementy.ru (раздел Игоря Иванова, посвящённый «самой сложной экспериментальной установке, когда-либо созданной человеком», статья Алексея Левина  из журнала «Популярная механика»)
www.polit.ru (интервью с академиком РАН Валерием Рудаковым «От Большого адронного коллайдера к бесконечному разнообразию Вселенных»)
www.scientific.ru/trv   
www.telegraph.co.uk/news/2775052/Big-Bang-Lar
www.physics.ohio-state.edu/~durkin/durkin.html
www.news.com.au/.../0,23739,24343811-954,00.html
 www.itlicorp.com/files/atlas.jpg

Б.В.Булюбаш, НГТУ им. Р.Е.Алексеева,
г. Нижний Новгород,