Все, что вы хотели знать об Адронном Коллайдере [Наука/ Обзор]

Слово "адронный" происходит от слова "адрон" - так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Слово "коллайдер" основано от английского "to collide" - сталкивать. Коллайдер - это ускоритель, в котором сталкиваются встречные пучки элементарных частиц, разогнанных до очень высоких скоростей. Ускоритель, о котором пойдет речь, называется "Большой адронный коллайдер" (LHC - Large Hadron Collider), потому что это действительно самый большой ускоритель, из всех когда-либо созданных в мире . Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) - это крупнейшая в мире научно-исследовательская организация в области физики элементарных частиц. Основанный в 1954 году, центр стал блистательным примером международного сотрудничества. Конвенцию ЦЕРН тогда подписали 12 стран, а сегодня их число выросло до 20.

Мне посчастливилось работать в ЦЕРН в 1994 году. Потом я ушел из физики элементарных частиц и занялся журналистикой. А в феврале 2007-го вновь оказался там. Момент посещения ЦЕРН был выбран случайно, но оказался очень интересным: завершалась сборка всех экспериментальных установок, которым предстоит работать под землей, на глубине 100 метров (в октябре 2007 года ускоритель должен был начать работать). То есть мы были в числе тех, кто в последний раз наблюдал все это чудо научной и инженерной мысли еще на земле.

Вид из окна гостиницы CERN.

Прошло еще два с половиной года, а LHC так и не заработал из-за аварий в ускорительной системе. Новая дата старта назначена на начало декабря, поэтому поговорить о коллайдере стоит именно сейчас.

Расположен ЦЕРН по обе стороны французско-швейцарской границы, к западу от Женевы, у подножья горного массива Юра (между прочим, того самого, что дал название юрскому периоду, поскольку именно здесь были найдены образцы почвы того времени). Около семи тысяч ученых 80 национальностей из 500 научных центров - половина всех физиков мира, изучающих элементарные частицы - пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН.

В 1996 году ЦЕРН приступил к реализации крупнейшего научного проекта нашего времени - сооружению Большого адронного коллайдера. В этой работе принимают участие более 400 физических институтов и промышленность всех развитых стран мира. Нет сомнения, что именно ЦЕРН в ближайшие десятилетия останется основным центром мировой науки в области изучения фундаментальных свойств материи.



Благодаря LHC, физики смогут так глубоко проникнуть вглубь материи, как никогда ранее. LHC - это крупнейшая в мире установка для ускорения, накопления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий. Длина кольца ускорителя составляет 27 километров. На нем будут изучаться столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Чтобы удержать пучок ускоренных протонов в кольце, необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить только с помощью сверхпроводящих магнитов. Около 400 тонн металла будет охлаждено до температуры на 300 градусов ниже комнатной. В результате, ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям практически без потерь.

Для чего все это нужно? Ученые полагают, что в первые 10 микросекунд после Большого взрыва (Big Bang), когда Вселенная только что образовалась, вещество находилось в совершенно другом состоянии по сравнению с нынешним. Составляющие частиц - кварки и глюоны, которые в современной "холодной" Вселенной заключены внутри протонов и нейтронов, тогда были слишком "горячи", чтобы соединяться между собой. Они находились в состоянии, которое называется кварк-глюонной плазмой. Возможно, вещество в этом состоянии существует сегодня в центрах нейтронных звезд, настолько плотных, что небольшой кусочек их вещества с булавочную головку весит как тысяча огромных самолетов.

Чтобы представить момент зарождающейся Вселенной, ученые надеются воссоздать тот самый кварк-глюонный "суп" в лабораторных условиях. Столкновение протонов на ускорителе LHC будет подобно Большому взрыву в миниатюре с температурой в сотни тысяч раз выше, чем в центре Солнца. Помочь изучить этот Большой взрыв - одна из главных задач LHC и его экспериментальных установок, о которых мы поговорим чуть позже.

Схематический вид расположения LHC под землей и CERN над землей.

Вторая, не менее (а может быть, и более) важная задача - понять, откуда у всех элементарных частиц берется масса. Лет тридцать назад английский теоретик Питер Хиггс предположил, что она возникает из-за взаимодействия всех частиц с неким полем, которое заполняет все пространство Вселенной, - "хиггсовским полем" (названным так в честь самого ученого). Те частицы, которые сильно взаимодействуют с хиггсовскими полями, - тяжелые, те же, что взаимодействуют слабо, - легкие. Хиггсовские поля состоят из частиц Хиггса. Если они существуют, то их смогут обнаружить на ускорителе LHC. Ученые надеются, что этот ускоритель позволит им приблизиться к ответу на вопрос, почему во Вселенной есть только вещество и нет антивещества; на нем будет изучаться проблема "темного" вещества Вселенной и аспекты "суперсимметрии". Но даже если будет найден только один "хиггс", то, уверены физики, миллиарды долларов и десятки лет усилий многих тысяч человек окажутся не напрасны. Обнаружение "хиггса" будет означать, что в основу существующей Стандартной модели элементарных частиц положен единственный недостающий камень. Но сделать это безумно сложно.

Первое, что не устает удивлять во время работы в ЦЕРН, - постоянное пересечение французско-швейцарской границы, поскольку она делит ЦЕРН примерно пополам. Продукты дешевле и лучше во Франции, поэтому за ними все отправляются именно туда. И каждую субботу и воскресенье сонные швейцарские полицейские выползают на дороги и тормозят машины, проверяя их на предмет чрезмерного ввоза в страну дешевых французских благ. А бензин почему-то дешевле в Швейцарии, и экономные европейцы этим активно пользуются. Так что трафик по дороге около ЦЕРНа всегда очень напряженный.



Все упомянутые тысячи сотрудников ЦЕРН питаются в тамошней столовой, которая ничем особенно от российских не отличается. Хорошее второе блюдо стоит около 10 франков (300 рублей по-нашему), кофе - 40-50 рублей (очень вкусный), вода и хлеб бесплатно. Кстати, это правило - бесплатной воды и хлеба в общественных столовых - ввел еще Наполеон, и оно выполняется по сей день. Никаких специальных директорских столовых нет, и нобелевские лауреаты питаются за соседними столиками. С 11:30 до 14 (время обеда) и после 17 часов можно покупать и распивать пиво и вино прямо в этой же столовой.

Столовая CERN.

Мой приятель рассказывал мне, как однажды, приехав в субботу на работу, заметил старичка с велосипедом, который подбирал высыпавшийся из опрокинутого мусорного бака мусор и складывал его обратно. Вызвавшись помочь старичку, он узнал в нем 83-летнего нобелевского лауреата Джека Штейнбергера из США. "Старый стал, неуклюжий", - пожаловался тот. Одним словом, демократия в ЦЕРН - нечто совершенно естественное и никого не изумляет.

Все сотрудники ЦЕРН работают в небольших комнатках по два-три человека. Очень часто двери комнат распахнуты - как мне объяснили, это американское веяние: там пребывание немолодого профессора с молодой аспиранткой за закрытой дверью в течение даже нескольких минут может обойтись ученому в несколько тысяч долларов штрафа за "сексуальные домогательства".

Эти слова произнес много лет назад Наполеон Бонапарт, и относились они тогда к торжеству крупных воинских подразделений над мелкими. Я же имею в виду, что размеры современных экспериментальных групп (во всяком случае, в физике элементарных частиц) измеряются не сотнями, а несколькими тысячами человек.

В эксперименте Atlas участвуют 1900 человек из 35 стран.

Смоделированное в компьютере рождение хиггсковского бозона.

При столкновениях "лоб в лоб" двух пучков протонов, разогнанных на ускорителе LHC, будут рождаться тысячи частиц. Сгустки протонов в пучках будут пересекать друг друга на встречных курсах 40 миллионов раз в секунду, и каждое их пересечение даст 20 протон-протонных столкновений. Детекторы должны будут определить, что это за частицы родились, каковы их энергии и направления движения. Столкновения происходят в центре детектора. Ближайшие к центру трековые детекторы позволяют зарегистрировать траектории заряженных частиц, родившихся при столкновении. За ними размещаются калориметры - приборы, измеряющие энергию; здесь большинство частиц заканчивает свой путь. Магниты, встроенные в детекторы, позволяют измерить импульсы частиц по отклонению в магнитном поле.

Ожидается, что произойдет около тысячи миллионов столкновений в секунду. А вот хиггсовский бозон - это такая редкость, что если он и будет рождаться, то максимум раз в день. Поиск иголки в стоге сена по сравнению с этой задачей кажется детской забавой.

Детектор Atlas.

Второй детектор-гигант на LHS называется CMS - это первые буквы слов "компактный магнитный соленоид" (своеобразный юмор - называть прибор размером 12 метров в диаметре и 20 метров в длину компактным). Цель этого многофункционального прибора - поиск новых направлений в физике. Весит детектор 12,5 тысяч тонн, а строят его 2250 физиков из 33 стран. CMS состоит из нескольких слоев, каждый из которых будет решать конкретную задачу. Слои детектора устроены в виде цилиндрических "луковиц", охватывающих пространство, где сталкиваются пучки. В детекторе CMS 15 миллионов индивидуальных детекторных каналов, контролируемых мощными компьютерами. Последние будут синхронизировать работу детекторов с работой ускорителя LHC, обеспечивая безукоризненную готовность.

Детектор CMS.

Мне кажется, что главное ощущение, которое ЦЕРН дарит работающим там россиянам, это то, что за державу не обидно (очень редкое, согласитесь, ощущение). Российские физики принимают самое активное и непосредственное участие в подготовке всех четырех экспериментов на LHC. Я говорил с руководителями российских групп в двух из четырех экспериментов LHC (CMS и LHCb), и они перечислили мне длинный список российских достижений. Есть в этом списке разработка и создание очень крупных частей детектора (причем изготавливались они тоже в России), написание программ и расчеты будущих экспериментов, инженерные решения и сборочные работы техников и лаборантов. Инженерные находки наших экспертов сэкономили ЦЕРНу миллионы долларов и недели времени, а россияне с удовольствием делали свою работу за европейскую зарплату. Российский вклад в эксперимент CMS составляет примерно 5%; из двух с лишним тысяч его участников 100 - из подмосковной Дубны (там расположен Международный центр ядерных исследований) и еще 100 - из других российских институтов, в том числе Московского государственного университета. Российский вклад в эксперимент LHCb и того больше - около 7%. Что и говорить: приятно ощущать себя равноправным участником хорошего дела мирового масштаба, и представлять не империю зла или колыбель революции, а просто великую страну. По-моему, уже ради одного этого ощущения стоит по мере сил принимать участие в работе таких всемирных центров.

Вот несколько цифр из рекламного проспекта "Вглубь материи", выпущенного на русском языке совместными усилиями Министерства науки РФ и ЦЕРН. В 1967 году между ЦЕРН и Государственным комитетом СССР по использованию атомной энергии было подписано первое соглашение о сотрудничестве. В 1989-2000 годах для экспериментов на электрон-позитронном ускорителе российские предприятия изготовили и поставили в ЦЕРН уникальное научное оборудование общей стоимостью около 100 миллионов швейцарских франков. В 1996 году между Министерством науки и технической политики РФ и ЦЕРН подписан протокол об участии России в проекте LHC. Более 700 физиков и инженеров (это почти 15% от общего числа участников работ) принимает непосредственное участие в подготовке четырех экспериментов на LHC.

В 1989 году Тим Бернерс-Ли именно в ЦЕРН изобрел мировую компьютерную сеть WWW (или Web), задачей которой стало объединение усилий ученых всей планеты (на фотографии - памятная доска у комнаты Бернерса-Ли в ЦЕРНе).



Сегодня планируемые эксперименты LHC требуют невиданной глобальной интеграции вычислительных ресурсов. Причина этого - невероятно большой поток данных: годовой прирост их будет составлять петабайты (миллионы гигабайт). Хороший образ для иллюстрации подобных масштабов данных предложил один из российских сотрудников ЦЕРН Иван Михайлович Беляев из Москвы: "На одном СD-диске хранится 750 Мбайт информации, а толщина его - примерно 0,75 мм. Давайте складывать диски с информацией из ЦЕРН: один гигабайт - это будет башня высотой в 1 метр, а один петабайт - башня в тысячу метров или две Останкинские башни. Таким образом, потоки информации на LHC уместно измерять в останкинских башнях CD-дисков". И вся эта информация должна быть сохранена, обработана и проанализирована.

Компьютерная система, которую будет использовать наука для обеспечения экспериментов на LHC, многоуровнева. Центральная часть (уровень 0) находится в ЦЕРН. Она соединена широкополосными каналами связи с региональными центрами первого уровня, в которых хранятся основные базы данных. Эти центры, в свою очередь, соединены с множеством локальных центров второго уровня, в которых выполняются задачи по анализу и моделированию событий.

Несколько лет назад родилась концепция GRID, которая предполагает глобальную интеграцию информационных и вычислительных ресурсов. В январе 2001 года по инициативе ЦЕРН стартовал проект EU-dataGrid, имеющий целью испытания и развитие новейших технологий GRID. В рамках этого проекта предлагается региональные центры первого уровня и часть центров второго уровня объединить в единый GRID-сегмент ("облако" региональных центров) для согласованного использования их ресурсов. Компьютерная система LHC становится прекрасным испытательным полигоном для технологий GRID, поскольку постоянное сотрудничество многих лабораторий и объединение разнообразных ресурсов - это именно то, что более всего соответствует концепции GRID.

Кстати, и в России на основе объединения институтских вычислительных центров создается распределенный информационно-вычислительный комплекс (РИВК-LHC), основная задача которого - обеспечить российским физикам возможность полномасштабного участия в анализе результатов данных экспериментов на LHC.

Эту статью я хотел назвать "Предпоследний ускоритель". Дело в том, что задача LHC - обнаружить новые частицы, и в первую очередь "хиггсы". Но в столкновении двух протонов с колоссальной энергией рождаются тысячи частиц, и новые среди них в лучшем случае можно только увидеть, но уж никак не изучить. Для пристального изучения новых частиц, их свойств и продуктов распада гораздо лучше подойдет другой ускоритель, в котором будут сталкиваться электроны и позитроны. В таком столкновении всегда рождается только то, что нужно, безо всяких дополнительных тысяч мешающих частиц. Но строить этот новый ускоритель имеет смысл только после того, как на LHC будут найдены новые частицы, хотя бы только один "хиггс".

Еще один интересный момент. Этот последний ускоритель будет линейным, поскольку закручивать электроны такой энергии не удается по разным причинам. Длина нового линейного ускорителя составит 40-50 километров, и пока даже неясно, где именно он будет построен. Есть инициативная группа энтузиастов, которая обсуждает его детали на своих встречах. Возможные места постройки - Германия, Россия, Япония и ЦЕРН. Лично я думаю, что скорее всего, его построят в ЦЕРН. Просто потому, что здесь уже сложилось сообщество, способное его разрабатывать и работать на нем, есть вся необходимая инфраструктура, и есть главное - уникальная атмосфера этого научного центра.

Примерная временная шкала: в 2009 году LHC начнет работать; в самом лучшем случае, в 2010-11 году появятся первые физические результаты. Тогда же может быть одобрен проект линейного ускорителя: к 2012 году проект разработают, найдут финансирование и, в лучшем случае, к 2018-20 году - построят. А "последним" он будет потому, что ничего более глобального построить в принципе нельзя. Стало быть, LHC и есть предпоследний ускоритель.

Вот и все, что о нем можно сказать вкратце, остается ждать начала работы. А интерес к запуску LHC и накал страстей по его поводу в последнее время закономерно нарастает. Вот лишь несколько самых последних новостей:

• Есть даже гипотезы, что запуску коллайдера противится сама Вселенная.
• А здесь подробно новая система безопасности LHC
• Причем, заработает онтолько на половинной мощности.