Бохан Ю.И. БАК (Большой адронный коллайдер) — реальность, перспективы, надежды

ВВЕДЕНИЕ

Пожалуй, со времени создания А. Эйнштейном общей теории относительности событие научного мира, а точнее, создание пусть уникальной, но экспериментальной установки, не вызывало столь большого интереса широкой и в общем далёкой от фундаментальной науки публики. Ввод в эксплуатацию Большого адронного коллайдера (БАК) вызвал оживление в средствах массовой информации и породил большое количество спекулятивных публикаций. Достаточно того факта, что некоторые обыватели подали в суд (США) на физиков, якобы желающих превратить нашу планету в чёрную дыру в результате запуска БАК.

К сожалению, автору пришлось отвечать на такие "любопытные" вопросы даже специалистам — пусть не в физике высоких энергий (ФВЭ), но по своему образованию должным достаточно квалифицированно оценивать поступающую информацию. Это и послужило посылкой к написанию статьи с достаточно простым, но без профанации изложением целей и задач, которые ставятся перед БАК. Необходимо разъяснить и некоторые вымыслы, сопровождающие это событие. К сожалению, в Беларуси не издаётся журнал, аналогичный переводному "В мире науки", который не всем, увы, доступен. Кроме того, требования "В мире науки" — статья без формул, понятная специалисту, далёкому от темы, — выглядят несколько "экстремистскими". Физика всё-таки наука точная, и без формул изложить материал о передовых фундаментальных исследованиях, по-видимому, невозможно. По крайней мере, автору это не удавалось никогда. Публикация статьи в журнале "Фізіка: праблемы выкладання" наиболее актуальна. Можно не сомневаться, что школьным учителям физики уже не раз приходилось отвечать любопытным учащимся, что такое БАК. Если представленная статья поможет разобраться в этом вопросе, автор будет считать свою задачу выполненной.

РЕАЛЬНОСТЬ

Прежде чем рассматривать особенности БАК [1], приведём несколько основных параметров таких физических приборов, как ускорители заряженных частиц. Коллайдер (от англ. collide — сталкиваться) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. По виду коллайдеры подразделяются на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Еигорёеп pour la Recherche Nucleaire, CERN), и линейные. Благодаря коллайдерам учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую энергию, а после их столкновений наблюдать образование других частиц.

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайде-ра. В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (14 тераэлектронвольт или 14*10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5*10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер "Тэватрон", который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории имени Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США). Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты будут работать при температуре 1,9 К (-271 °С). 11 августа 2008 года успешно завершена первая часть предварительных испытаний, во время которых пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. На втором этапе испытаний была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки. 10 сентября 2008 года был произведён официальный запуск коллайдера, во время которого запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки.

Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров [1]. Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или прогон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов. В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков.

Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 10¹⁵ в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы, и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце, и пучки многие часы, даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения. Важной характеристикой коллайдеров является светимость. Светимость L выражается в см^-2*с^-1. Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости БАК, равной 10³⁴ см^-2*с^-1, процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (2*10^-35 см²), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.

Для того чтобы определить, какие частицы образовались в результате столкновение, применяются детекторы. Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят, как правило, из нескольких структур, входящих в состав единого регистрирующего комплекса. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с определёнными характеристиками.

Отдельные структуры детектора расположены так, чтобы различного типа частицы, последовательно проходя через них, оставляли о себе определённую информацию. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы, как её тип, энергия, импульс, характеристики распада. Принципы организации такого комплексного детектора отражены на рисунке (см. ниже).

Соударения протонных пучков будут происходить каждые 25 наносекунд. Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 10⁶ гигабайт в год), будет делиться среди примерно 2000 физиков из 34 стран и анализироваться ими.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNa на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт • ч, из которых 700 ГВт*ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

ПЕРСПЕКТИВЫ

К исходу XX столетия физики имели завершённую и весьма успешную теорию элементарных частиц, описывающую три из четырёх фундаментальных сил, действующих в природе, — электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Как явствует из Стандартной модели физики элементарных частиц, а именно из теории электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики (КХД), квантовая теория поля, насколько можно судить, теоретически описывает все наблюдаемые в природе силы. Стандартная модель (СМ) крайне успешна и очень хорошо проверена. Сотни экспериментов, проведённых в основном на ускорителях элементарных частиц, позволили проникнуть в структуру материи на расстояния до 10^-18 см. И во всех этих экспериментах теория — Стандартная модель — работает очень хорошо. Точность экспериментальной проверки Стандартной модели необычайно высока. В случае квантовой электродинамики (КЭД) можно проверить теоретические предсказания с точностью до 10^-10. В случае объединённой теории электрослабых взаимодействий точность экспериментальных проверок теории иногда приближается к 10^-5. И даже в случае сильных взаимодействий сегодня получена точность экспериментальной проверки предсказаний КХД с погрешностью менее одного процента, приближающаяся в некоторых экспериментах к одной тысячной. Таким образом, Стандартная модель на основе квантовой теории поля необычайно успешна.

Стандартная модель включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. 12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три — электрон, мюон и тау-лептон несут единичный отрицательный заряд. Однако Стандартная модель не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т.д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью, такие как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.

Чем же СМ не удовлетворяет физиков? Во-первых, СМ содержит около двадцати свободных параметров (массы фундаментальных частиц, константы взаимодействий, вакуумные средние и т.д.). Во-вторых, в СМ проведено последовательное объединение только электромагнитного и слабого взаимодействий, которые можно рассматривать как различные грани универсального электрослабого взаимодействия. В-третьих, СМ не даёт ответа на вопрос о происхождении масс наблюдаемых элементарных частиц, количестве поколений фундаментальных фермионов, размерности нашего пространства-времени и механизме барионной асимметрии Вселенной.

Помимо полей, отвечающих трём фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ предполагается существование ещё одного поля, которое практически неотделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что всё пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжёлыми, а слабо-взаимодействующие — лёгкими. Читателю лишь важно знать, что без этого механизма вся конструкция СМ принципиально не может иметь места. До сих пор бозон (или бозоны) Хиггса экспериментально не найдены. Без доказательства его (их) существования СМ не может считаться окончательно подтверждённой.

Выработаны несколько стратегий поиска хиггсовского бозона в зависимости от его массы. Разумеется, факт открытия какой-то частицы в подходящей области масс ещё не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение её свойств. Надо будет проверить, что у открытой частицы нулевой электрический заряд, нулевой спин и, самое главное, что она действительно взаимодействует с тяжёлыми частицами сильнее, чем с лёгкими. Уже в ближайшее время учёным предстоит решить колоссальные по сложности задачи. При расчётной "светимости" пучка в каждом столкновении подобных иглам сгустков протонов будет происходить 20 событий в интервале всего 25 не. Частицы, разлетающиеся из точки одного столкновения пучков, будут всё ещё пролетать через внешние слои детектора, когда уже произойдёт следующее столкновение. Индивидуальные элементы в каждом из слоёв детектора реагируют на определённые частицы. Миллионы каналов данных от детектора создают приблизительно мегабайт информации от каждого события; каждые две секунды это получается петабайт (миллиард мегабайтов). Система обработки данных должна уменьшить данный поток до управляемой величины, и она имеет несколько уровней. Сеть объединяет мощности вычислительных центров и делает их доступными пользователям, которые смогут входить в эту сеть прямо из кабинетов в своих институтах. Как правило, полученные данные будут сопоставлять с уже имеющимися моделями распада частиц. Таким образом удастся избежать колоссального пересчёта данных на конкретное событие.

НАДЕЖДЫ

БАК, как и всякий уникальный физический прибор (его уникальность состоит не в том, что он единственный, а в возможности достичь новых пределов в изучении природы), вызывает надежды, но вместе с тем порождает немало вымыслов. Причём, как правило, спекуляции вокруг БАК вызваны либо непониманием достижений физики высоких энергий, либо очень вольной трактовкой гипотез и моделей, которые разрабатываются физиками с целью теоретически продвинуться в область энергий, недостижимых в настоящее время.

Один из самых ярких вымыслов заключается в том, что БАК может произвести чёрную дыру, в которую провалится планета Земля со всеми вытекающими отсюда последствиям. Согласно теории гравитации А. Эйнштейна, чтобы Солнце стало чёрной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн раз, а Землю — до радиуса в 9 мм, т.е. в миллиард раз. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 10¹⁹ кг/м³, что выше плотности атомного ядра. Наблюдения показывают, что самые лёгкие кандидаты в чёрные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца. С. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголёк, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у чёрной дыры с массой 10¹² кг (это масса средней горы) температура 10¹² К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц типа фотонов, так и массивных — электронов и позитронов.

Время полного испарения чёрной дыры пропорционально кубу её начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна — 10⁶⁴ лет. Дыра с массой 10¹² кг живёт Ю¹⁰ лет — это возраст современной Вселенной. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна Е=c² эта энергия эквивалентна массе 10^-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Но масса Ю^-23 кг намного меньше массы Планка в 10^-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой лёгкой дыры. Скорость испарения чёрной дыры тем больше, чем меньше её размеры. Испарением чёрных дыр звёздных (и тем более галактических) масштабов можно пренебречь, однако для первичных и в особенности для квантовых чёрных дыр процессы испарения становятся центральными. За счёт испарения все чёрные дыры теряют массу, и время их жизни оказывается конечным. Без квантовой теории гравитации невозможно описать заключительный этап испарения, когда чёрные дыры становятся микроскопическими (квантовыми). Согласно некоторым теориям, после испарения должен оставаться "огарок" — минимальная планковская чёрная дыра.

Эксперименты в астрофизике дают уникальную возможность изучить физику элементарных частиц при энергиях, недоступных на ускорителях. Поэтому они очень важны для понимания физики за пределами Стандартной модели. Эта область знания интенсивно развивается. Большое количество интересных экспериментальных данных появляется сейчас и ожидается в ближайшие годы. В частности, в настоящее время интенсивно исследуются космические лучи сверхвысоких энергий — свыше 5*10¹⁹ эВ. Ускорение заряженных частиц до таких энергий может происходить только в экстремальных астрофизических условиях и должно сопровождаться сильным гамма- и нейтринным излучением. Данные гамма- и нейтринной астрономии ставят серьёзные ограничения на ускорительные механизмы в рамках СМ. Эта проблема может быть решена с привлечением новой физики за пределами СМ и должна изучаться в непосредственной связи с экспериментальными данными. Только полное понимание ситуации с космическими лучами сверхвысоких энергий позволит извлечь из экспериментальных данных информацию о новой высокоэнергетической физике и проверить разнообразные модели.

Идея, что все частицы на самом деле представляют собой струны, обладает хорошим потенциалом стать объединяющей, поскольку струна может принимать множество различных конфигураций и представляет собой значительно более усложнённый объект, нежели точка. Может статься, что все наблюдаемые нами частицы — просто различные гармоники, различные моды колебаний одной и той же струны. Именно такой подход постулируется теорией струн. Струна может вибрировать бесконечным числом образов, и каждая из мод её вибрации представляется нам на большом удалении точечной частицей. Мы надеемся, что теория струн поможет разрешить и другие парадоксы квантовой гравитации, такие как парадокс космологической сингулярности, которую мы наблюдаем, экстраполируя историю Вселенной вспять до точки Большого взрыва. Возможно, нам удастся сформулировать принцип, предопределяющий историю Вселенной и объясняющий Большой взрыв. Может быть, теория струн позволит как-то сгладить сингулярность точки Большого взрыва и зафиксировать начальные условия в ней или, как предвидят некоторые, рассуждая о возможных сценариях развития теории струн, показать, что Вселенная вечно пульсирует. Наконец, нужно объяснить энергию вакуума, космологическую константу. Очень трудно понять, почему космологическая постоянная, обусловливающая ускоренное расширение Вселенной (а его мы, кажется, измерили), настолько мала, а мала она невероятно. Возможно, имеется лишь единственная и неповторимая уникальная космологическая теория, объясняющая происхождение нашего мира. Но возможно, что грядущая революция в теории струн затронет наше понимание природы пространства и времени, может случиться, что критерии определения состояния Вселенной, вакуума окажутся совсем иными. Теория струн обладает таким потенциалом, поскольку свободных параметров не содержит, однако мы по-прежнему не знаем принципа, определяющего состояние Вселенной.

Теория струн также мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трёхмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений. Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации "экстрапространства". Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на БАК, могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование чёрной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбуждённых мод струн в обычных частицах.

Теория струн предлагает и другие феноменологические сценарии. Один из самых интересных заключается в том, что Вселенная заполнена космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась колоссальная энергия. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяжённость через всю Вселенную. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определённо не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационноволновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

Приведённые гипотезы и модели (в современной физике они часто называются сценариями) дадут возможность читателю составить представление о сложности и красоте современной физики, понять её единство от масштабов планковской длины и времени до размеров Вселенной и её возраста. Автор сознательно не давал ссылки на литературу в тексте, а представил её общим списком. Это сделано с целью предоставить возможность читателю самому определить наиболее интересные и близкие по стилю и сложности книги.

Благодарность. Идея написания данной работы принадлежит кандидату педагогических наук И. В. Галузо, которому автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за плодотворные дискуссии и критические замечания, способствовавшие улучшению содержания работы.

Список использованной литературы

1. Физическая энциклопедия: в 5 т. /ред. кол.: А. М. Прохоров (гл. ред.) [и др.]. — М. : Советская энциклопедия, 1988—1998. — Т. 1.

2. The Large Hadrons Collider [Electronic resource] 2008. — Mode of access: http:// public.web.cern.ch. — Date of access: 14—28.09.2008.

3. Окучь, Л. Б. a, (3, у ... Z. Элементарное введение в физику элементарных частиц / Л. Б. Окунь. — М. : Наука, 1985. — 112 с. — (Библиотечка "Квант", вып. 45).

4. Утияма, Рею. К чему пришла физика. От теории относительности к теории калибровочных полей / Рею Утияма. — М. : Знание,1986. — 224 с.

5. Богуш. А. А. Очерки по истории физики микромира / А. А. Богуш. — Минск : Навука i тэхніка, 1990. — 223 с.

6. Вайнберг, С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной / С. Вайнберг. — Ижевск : НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2000. — 272 с.

7. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории / С. Вайнберг. — М. : Едиториал УРСС, 2004. — 256 с.

8. Хоукинг, С. Краткая история времени / С. Хоукинг. — СПб. : Амфора, 2001. — 268 с.

9. Хоукинг, С. Природа пространства и времени / С. Хоукинг, Р. Пенроуз. — Ижевск : НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2000. — 160 с.

10. Хоукинг, С. Чёрные дыры и молодые вселенные / С. Хоукинг. — СПб. : Амфора, 2001. — 189 с.

11. Глэигоу, Ш. Л. Очарование физики / Ш. Л. Глэшоу. — Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2002. — 336 с.

12. Грин, Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории / Б. Грин. — М. : Едиториал УРСС, 2004. —288 с.