Большой адронный коллайдер: путешествие к началу Вселенной

В мае 2019 года группа украинских журналистов посетила Швейцарию в рамках тура “Инновации”, организованного посольством Швейцарии в Украине. В частности, нам посчастливилось побывать в CERN — Европейском центре ядерных исследований, увидеть Большой адронный коллайдер и центр обработки данных. Этот материал написан по итогам поездки. 

CERN — это целый небольшой городок на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы (можно доехать на трамвае от центра Женевы). Здесь постоянно работает примерно 4,5 тысячи человек, которые живут в окрестных деревушках, французских и швейцарских. Многие иностранцы предпочитают снимать квартиру на французской территории, там жизнь существенно дешевле, хотя расстояния ничтожные. Средний возраст сотрудников — 27 лет, так что в городке с идиллическим видом на Альпы кипит жизнь, при нас там проходил какой-то марафон, и вообще атмосфера похожа на счастливое упоение интеллектуальным трудом, описанное Стругацкими в романе “Понедельник начинается в субботу”. Там работают ученые и инженеры со всего мира, в том числе из Украины (компанию нам за обедом составили две украинки, химик Татьяна Гринева и физик Дарья Терновая).  

Нравы очень демократичные — в главном ресторане в обеденное время любой студент может подсесть за стол к директору центра Фабиоле Джанотти или другому высокопоставленному сотруднику, чтобы обсудить рабочие вопросы. Бывает, за обедом происходят и спонтанные мозговые штурмы. В ЦЕРНе нет секретного доступа или подковерной конкуренции — это открытая структура, работающая на пользу всего человечества.

Что такое CERN?

Европейская организация по ядерным исследованиям, или CERN, — это крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. ЦЕРН основан в 1954 году двенадцатью европейскими государствами. Сейчас их уже 23, — это  большинство европейских стран и Израиль. Украина является ассоциированным членом, вместе с Литвой, Пакистаном, Турцией и Индией. Страны-наблюдатели — Япония, Россия, США. 

В 1983 году ЦЕРН начал строительство грандиозного ускорителя элементарных частиц. Для этого в долине Женевского озера, на границе Швейцарии с Францией, проложили кольцевой туннель длиной 27 километров и диаметром около 4 м. Тоннель тянули с двух сторон, французской и швейцарской, и так точно рассчитали, что когда спустя пять лет два конца соединились, перепад между ними составил всего один сантиметр. Кроме основного кольца, есть еще несколько тоннелей, которые используются для предварительного ускорения — линейные и маленький кольцевой. На всем протяжении большого тоннеля расположены огромные электромагниты, а в четырех точках, где пересекаются встречные пучки частиц, — экспериментальные установки. Они состоят из детекторов, которые фиксируют траекторию частиц в момент столкновения и после него. 

Две экспериментальные установки носят вполне симпатичные имена: Элис и Атлас (на самом деле это аббревиатуры). Украинским журналистам во время пресс-тура удалось побывать на Элис. 

Что такое Большой адронный коллайдер?

Так называется самый большой в мире ускоритель элементарных частиц — протонов и тяжелых ионов, который разгоняет частицы практически до скорости света и затем сталкивает их в определенных точках, где установлены детекторы. “Адронный” происходит от названия адронов (класс частиц, включающий протоны и нейтроны), коллайдер — от collision, “столкновение”. 

В предварительный ускоритель впрыскивают микроскопическое количество заранее подготовленного вещества — обычно водорода — и в электромагнитном поле разделяют атомы на протоны и электроны. Затем группу протонов “подталкивают” электромагнитным полем и впрыскивают в основной ускоритель, где их разгоняют еще сильнее мощнейшие электромагниты. С каждым оборотом энергия частиц растет. Электромагнитное поле также фокусирует пучок частиц, чтобы не разбегались (ведь все они заряжены одинаково и отталкиваются друг от друга). 

Ускорители разного типа применяются в самых разных сферах: для стерилизации пищевых продуктов, вулканизации каучука, очистки сточных вод, рентгеновской дефектоскопии, лучевой терапии опухолей и так далее. Но у коллайдера практического применения нет, это чисто экспериментальная установка, особый вид ускорителя, где два пучка элементарных частиц бегут по кругу в противоположных направлениях и постоянно сталкиваются, трансформируясь и рождая новые частицы. 

В декабре 2018 года эксперименты в Большом адронном коллайдере остановили на два года, для ремонта и модернизации, поэтому сейчас в CERN возят пресс-туры и важных гостей — можно спускаться в тоннель и все осматривать. Обаятельный пиарщик ALICE (и по совместительству профессор Университета Страсбурга) Борис Ипполит проинструктировал нас, выдал защитные каски и брелки-ключи, затем мы по очереди прошли через специальную кабинку, где происходит сканирование и распознавание (гостей система опознает по брелку, сотрудников — по брелку и сетчатке глаз), а потом на лифте в сопровождении Бориса спустились на 70 метров, в туннель.

Экспериментальная установка впечатлила: 46 м в длину, 25 м в диаметре, вес — 7 тыс. тонн. И главное, это сосредоточение самых суперсовременных технологий, существующих в науке. Например, чтобы достичь нужной глубины вакуума, построили  мощнейшие насосы. Но их все равно недостаточно, в ускорителе остается чуть-чуть воздуха, буквально молекулы. Чтобы удалить их, применяют химические абсорбенты, которые тоже нужно было сначала изобрести. 

Ради чего тратятся миллиарды на ЦЕРН?

Годовой бюджет ЦЕРН — 2 млрд евро. Для сравнения — годовой бюджет Гарварда, например, составляет около 5 млрд долларов, а финансирование науки в Украине — 7 млрд, но гривен (данные за 2017 год). 

Как бы то ни было, два миллиарда евро — весьма существенные деньги. И, как пояснил на презентации для журналистов профессор Кристоф Шефер, у обывателей и чиновников в странах-участниках ЦЕРН периодически возникает вопрос: а за что мы вообще платим членские взносы? Стоит ли покупать физикам их дорогостоящие “игрушки”, или, может, лучше потратить на медицину?

Главная задача ЦЕРН — раздвигать рамки современных представлений о том, как устроена Вселенная. Если точнее, то здесь пытаются найти отклонения от так называемой Стандартной модели, описывающей взаимодействия элементарных частиц. Пока получили только подтверждения — в том числе открыли в 2012 году предсказанный ранее теоретически бозон Хиггса. 

Стивен Хокинг тогда проиграл 100 долларов: ставил на то, что бозон не найдут и придется  “подумать еще разок”. 

Но подумать физикам в любом случае придется: Стандартная модель не объясняет гравитацию, и значит, должна быть более глубокая теория, включающая Стандартную модель как частный случай. Чтобы заметить отклонения от существующей теории, нужен огромный массив статистических данных, поэтому столкновения частиц происходят постоянно в течение месяцев. 

Данные с детекторов поступают на суперкомпьютер ЦЕРНа, а потом распределяются по 170 компьютерным центрам в 40 странах мира, где их хранят, анализируют и обрабатывают. Эта система называется Grid, она обеспечивает 13 тысячам ученых из разных стран бесперебойный доступ к данным и их обработке (например, недавно машинный зал компьютерного центра в Австрии залило в результате наводнения, но задачи мгновенно перераспределились на другие центры). 

Рекорды Большого адронного коллайдера

Экспериментаторы пытаются воспроизвести в миниатюре Большой взрыв — рождение Вселенной. Для этого нужны уникальные условия. Именно здесь, под землей в долине Женевского озера, а не где-нибудь в космосе, достигнут самый глубокий вакуум и самые низкие температуры. Но и самые высокие (в 100 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца) — тоже тут, в момент столкновения частиц. 

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАК примерно такая же, как у реактивного самолета, хотя при этом масса частиц ничтожна, около нанограмма. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света (согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc v2). 

Но все-таки, какая практическая польза от БАК?

Для обслуживания экспериментов в ЦЕРНе решаются инженерные и программистские задачи, которые в итоге “выходят в свет”. Например, именно здесь в 1989 году была создана «Всемирная паутина» WWW. Сотрудник информационного центра ЦЕРН Тим Бернес-Ли разработал проект гипертекстовых документов, связанных между собой гиперссылками, чтобы облегчить ученым поиск нужной информации. Команда под руководством Бернерса-Ли изобрела протокол HTTP и язык HTML.

Также здесь фактически изобрели PET (метод позитронно-эмиссионной томографии, очень точное медицинское обследование) и нашли способ сфокусировать пучок частиц для более точного облучения раковой опухоли в мозгу. При облучении гибнут не только раковые клетки, а и здоровые, поэтому критически важно попасть точно в цель. Благодаря исследованиям, проведенным в CERN, это возможно. Таких “побочных эффектов” будет все больше, потому что так бывает всегда: все прикладные современные технологии, доступные человечеству, от АЭС до мобильных телефонов и поездов на магнитной подушке, рождены или усовершенствованы благодаря фундаментальной науке.  

Благодарим за помощь в организации поездки посольство Швейцарии в Украине.

Все фото автора, кроме подписанных.

Читайте также:

В окрестностях Женевы построят новый адронный коллайдер

Китай построит самый большой коллайдер в мире

6 захватывающих Instagram-аккаунтов о красоте науки