09 сентября 2008
546

Запуск коллайдера: нечто может появиться сразу - физика так устроена

Юрий Никифоров, "Российский электронный наножурнал", специально для STRF.ru

Что ждут российские учёные от запуска Большого адронного коллайдера (БАК)? Какова роль российских специалистов в готовящихся четырёх экспериментах? И главное - что ожидает науку в будущем, когда коллайдер исчерпает свои возможности? На вопросы STRF отвечает координатор участия российских институтов в создании и работе БАКа Виктор Саврин.
Справка:
Саврин Виктор Иванович, профессор, заместитель директора по научной работе НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, координатор участия российских институтов в создании и работе БАКа

Виктор Иванович, известно, что в проекте Большого адронного коллайдера заняты около 200 российских учёных, они постоянно работают в ЦЕРНе, это довольно большая группа. Какой из четырёх экспериментов Большого адронного коллайдера для нас интереснее всего?

- Наши институты заинтересованы во всех экспериментах. И эксперименты, и детекторы отличаются друг от друга по масштабу, по стоимости, по сложности, соответственно, разное количество людей участвует в экспериментах от России. Надо сказать, что в ЦЕРНе введена система, согласно которой страна или финансирующее агентство оплачивает каждого учёного, который будет соавтором полученных научных результатов, статей. Это несколько ограничивает количество соавторов.

Виктор Саврин: "Вероятно, через год работы будут первые результаты. Но это не расчёт, а ощущение, я бы сказал. Придётся ждать. Хотя, не исключено, что нечто появится сразу: физика так устроена" Всего у нас есть 200 будущих соавторов, за которых платят взносы Федеральное агентство по науке и инновациям и Министерство образования и науки. На ATLAS и CMS - самых крупных экспериментальных установках - работают по 60 человек, которые планируются как авторы. В эксперименте ALICE заняты 40 человек, он по масштабам несколько меньше. В эксперименте LHCb - 30 человек.

Можно ли ожидать, что в результате какого-то из этих экспериментов будут получены практически значимые результаты, полезные для перспективных разработок?

- Понимаете, это физика частиц. Изначальная цель всех этих экспериментов - получить фундаментальные знания о свойствах материи, в которую мы заглядываем с помощью коллайдера, детекторов с очень малого расстояния. Конечно, прямые практические цели не ставятся.

Но есть, назовём его так, побочный практический продукт. Чтобы провести эксперименты наиболее точно, измерить характеристики частиц, снять большие объёмы информации, нужны высокопроизводительные детекторы, сложная электроника, калориметры и так далее. Систем с такими параметрами, с такой производительностью никогда не было. В процессе изготовления детекторов были разработаны очень высокие новые технологии, в том числе и в России. Эти технологии могут быть использованы и уже используются в других отраслях. Это один аспект.

Есть и другой аспект, фантастический. Безусловно, полученные знания в конечном итоге будут использованы в практической жизни. Но когда именно - сказать невозможно. Может быть, через 50 лет, или через 100, или 200 лет. Фундаментальные основы нанотехнологий, которые сегодня бурно развиваются во всём мире, были заложены 100 лет назад. Появилась квантовая теория. На её основе - атомная, молекулярная физика и так далее. Сейчас, через много десятков лет, опираясь на те фундаментальные знания, мы можем делать практические вещи, например, создавать новые материалы.

Может быть, у нас не четыре измерения. В некоторых моделях их, например, 11. Но они компактные, маленькие, не простираются до бесконечности, поэтому мы их не наблюдаем
Нанотехнологии - это физика объектов расстояний и размеров порядка 10-9 метра, то есть от атомов до молекул и их соединений. С помощью БАКа мы заглядываем гораздо глубже. Не просто в ядро атома, а в те частицы (протоны и нейтроны), из которых состоит ядро. Это расстояния порядка 10-15 или 10-17 метров.

Atlas - детектор, высотой 20 метров, способный измерять траектории частиц с точностью до 0.01 мм. Конечно, познав на этом уровне строение материи и взаимодействия, которые в ней происходят, мы можем надеяться или планировать, думать или фантазировать - называйте, как хотите - что эти знания нам пригодятся, что мы сможем придавать новые свойства окружающим нас предметам. Сейчас мы в молекулу вводим другой атом, и получаем вещество с другими свойствами. Может быть, оперируя на уровне кварков, мы будем получать другие протоны, и вещество из них будет обладать совсем иными свойствами? Трудно представить! Поэтому эту область науки, можно назвать уже фемтотехнологиями: всё глубже, к меньшим расстояниям.

Каких результатов мы ждём
Очень большие ожидания связаны с поиском бозона Хиггса, получением кварк-глюонной плазмы. Что, если эти ожидания не оправдаются?

- Конечно, картину мира, которую мы имели до сих пор, это не разрушит.

Она сейчас формулируется в так называемой Стандартной модели. В предыдущих экспериментах, в коллайдерах, существенных отклонений от предсказаний Стандартной модели не найдено. Но бозон Хиггса играет ключевую роль для самой модели и её замкнутости. Потому что в ней исходно заложено, что массы частиц должны равняться нулю. А мы видим, что массы нулю не равны. Механизм, который придумал Хиггс, как раз всё ставит на место: должна быть частица, которая объясняет наличие массы у частиц. Пока мы её не наблюдали. Если мы её не найдём, это может иметь двойную трактовку. Либо этого ускорителя с его детекторами и их производительностью недостаточно для наблюдения бозона Хиггса. Либо механизм, предложенный Хиггсом, нехорош, и надо придумать другой. Но это не крах теории, потому что есть и другие идеи, как обеспечить наличие массы.

Вероятно, через год работы будут первые результаты. Но это не расчёт, а ощущение, я бы сказал. Придётся ждать. Хотя, не исключено, что нечто появится сразу: физика так устроена
Существуют различные теории, которые развивались параллельно Стандартной модели. Есть ли вероятность, что в экспериментах на БАКе может подтвердиться одна из них?

Детектор LHCb - специализированный прибор, сконструированный с целью изучения проблем физики, связанных с понятием антиматерии, разницы между веществом и антивеществом - Да, конечно. Существует понятие о расширении модели за счёт новых идей, новых механизмов. Скажем, если говорить о массе: есть идея - использовать дополнительные измерения, считать, что их у нас не четыре, а есть дополнительные измерения. В некоторых моделях их, например, 11. Но они компактные, маленькие, не простираются до бесконечности, поэтому мы их, собственно, пока и не наблюдаем. Если ввести такие понятия, можно объяснить наличие масс частиц и их иерархию.

Сколько времени пройдёт, начиная от завтрашнего пуска прежде чем появятся какие-то конкретные научные результаты?

- Есть разные оценки. При благоприятном исходе - если пуск коллайдера пройдёт благополучно, если до конца года будет обеспечен выход на энергию пять тераэлектронвольт на каждый пучок, а к весне - семь тераэлектронвольт, если ускоритель будет нормально работать - результатов можно ждать через год. Результаты - это вопрос статистики, они зависят от того, сколько будет собрано информации. Её нужно набрать как можно больше. Пока её мало, пока статистические результаты не обеспечены, мы не можем быть уверены, что сделано открытие. Так что, по некоторым оценкам, скажем, через год работы уже будет результат. Но это не расчёт, а ощущение.

Нужно набрать статистику, ещё потребуется время на её обработку. Потому что детекторы не дают готовый результат, который мы ищем или хотим увидеть, они дают просто набор информации. Её надо быстро снять, сохранить, с помощью специальных программ выделить полезные сигналы о новом явлении или об известном явлении в новых условиях. Для обработки нужно большое количество времени и людей.

Придётся ждать. Хотя, не исключено, что нечто появится сразу: физика так устроена.

Кругом красивые французские и швейцарские деревеньки, сады, аэродром прямо над самим ускорителем...
Что, если он сломается?
Вернёмся к известному вопросу о безопасности коллайдера. Какие риски, связанные с его запуском, с дальнейшим использованием Вы считаете существенными?

- Глобальных рисков быть не может в принципе, это фантастика. Не может быть и экологических последствий. Если и произойдёт какой-то сбой или неполадка, это будет катастрофа для самого коллайдера или для детекторов. В этом случае потребуются средства и время, чтобы ликвидировать поломку, если она произойдёт. Механически система очень сложная - это охлаждающие системы, где содержится 130 тонн гелия при температуре два градуса Кельвина; это огромные токи - миллионы ампер идут по сверхпроводникам, колоссальные магнитные поля. Система такой сложности не исключает возможности срывов и сбоев. Но это будет ущерб для самого коллайдера, для детекторов, но никак не для людей.

ALICE - проект, направленный на изучение кварко-глюонной плазмы (КГП) Электромагнитное поле от сверхмощных магнитов может повлиять на окружающую среду, на людей, которые живут в непосредственной близости от района эксперимента?

- Нет! Во-первых, сам ускоритель находится на глубине ста метров под землёй. Во-вторых, построена бетонная защита, которая исключает проникновение радиации во внешнюю среду. И французы, и швейцарцы очень щепетильны в таких вопросах, как безопасность. Если бы они заподозрили что-нибудь неладное, то просто перекрыли бы возможности для сооружения коллайдера ещё на этапе, когда принималось решение о строительстве БАКа на их территории. Ведь он расположен не в чистом поле! Кругом красивые французские и швейцарские деревеньки, сады, аэродром прямо над самим ускорителем. Так что всё скрупулёзно просчитано.

Что за БАКом?
Когда-то Большой адронный коллайдер закончит свою работу. Есть информация о том, что будет создаваться новый Международный линейный коллайдер, и даже существуют планы создать его в России, в Дубне. Вы можете об этом что-то сказать?

- Это мечта, и не только мечта! Существуют проекты по созданию не протон-протонного, как БАК, а электрон-позитронного линейного коллайдера.

Эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах уже проводились. В том же кольце, где сейчас построен Большой адронный коллайдер, был так называемый БЭП (Большой электрон-позитронный) коллайдер. Он работал 15 лет, получены замечательные результаты, они до сих пор обрабатываются.

Детектор CMS - высокоэффективный прибор общего назначения, целью которого является поиск новых направлений в физике, какие бы формы они не приняли
Но дело в том, что электроны и позитроны в кольцевом ускорителе разогнать до больших энергий нельзя. Хотя у них заряд тот же самый, что у протона, но есть так называемое синхротронное излучение: когда частицы движутся по круговой траектории, они начинают излучать свет и теряют энергию. Интенсивность излучения обратно пропорциональна массе частиц в четвёртой степени. Поэтому сколько ни разгоняй электрон или позитрон по кольцевому ускорителю, разогнать его выше некоторого предела нельзя, он просто начинает терять всё больше и больше энергии, и всё. Для электрон-позитронных ускорителей луч должен быть линейным, тогда такого излучения нет.

Здесь есть свои плюсы и сложности, но сам по себе процесс столкновения электронов с позитронами очень интересен. Он "чище", чем столкновение протонов. Протон - это сложная протяжённая частица. При столкновении протонов рождается много "мусора", который нам не интересен, приходится проделывать огромную работу, чтобы от него избавиться, получается такая научная "каша", 90% информации оказывается ненужной. У электрон-позитронных ускорителей нет таких побочных, фоновых явлений, как мы их называем.

90% информации, полученной в ходе экспериментов на протон-протонных коллайдерах, вроде БАКа, оказывается ненужной
Один из наиболее продвинутых проектов такого ускорителя был сделан в DESY, под Гамбургом, где находится очень большая немецкая национальная лаборатория с электронным синхротроном. Было уже запланировано строительство нового ускорителя, но это оказалось достаточно сложно и дорого, и немцы переключились на другую программу.

Пока научное сообщество не созреет чтобы объединиться, как было с Большим адронным коллайдером, строительство линейного ускорителя будет откладываться. Заявки на размещение ускорителя на своей территории подавали американцы, японцы, но проект ещё находится в стадии обсуждения. Несколько лет назад Международный институт ядерных исследований выступил с инициативой построить электрон-позитронный коллайдер в Дубне. Там даже провели геологоразведку.

Ускорение частиц обеспечивается ниобиевыми ускоряющими структурами разделенными на 8 криомодулей, охлаждаемых жидким гелием. В ускорителе использован металл Ниобий (Nb), довольно редкий и дорогой элемент Это очень престижно - построить такой объект в России. Но есть негласное требование: если международная установка глобального значения строится в определённой стране, то доля финансирования, выделяемая этой страной, составляет не менее 35%. Например, американцы заявляют, что оплатят половину работ, если коллайдер будет строиться у них. У нас этот вопрос может быть решён только на самом высоком уровне - на уровне президента...

Кажется, деньги в стране сейчас есть...

- Деньги, казалось бы, есть. Потратить их на престижный международный проект имело бы смысл. И с политической точки зрения, и с точки зрения экономики. Этот проект изменил бы инфраструктуру нашей науки - вообще всей. Он дал бы очень сильный толчок для общего экономического развития.

Даже из ЦЕРНа в Россию поступало много заказов в связи с сооружением БАКа, и это помогло предприятиям встать на ноги, некоторые из них были удостоены наград ЦЕРНа за своевременное и качественное изготовление отдельных детекторов или элементов. Если бы было принято решение о выделении средств на новый международный ускоритель в России - это было бы грандиозно.

http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=15416
Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован