Результаты работы Большого адронного коллайдера и перспективы его «преемника» мы попросили оценить замдиректора Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, научного координатора рабочей группы по сотрудничеству с ЦЕРНом Виктора Саврина.
Фото: CERN / AFP
— Виктор Иванович, зачем Большому адронному коллайдеру (БАК) сменщик? Он уже не справляется?
— Хочу сразу предупредить: Большой адронный коллайдер хоронить рано, он будет работать еще много лет. Есть планы по его модернизации, в частности по повышению светимости, важнейшей характеристики, позволяющей установить частоту столкновения частиц (чем больше светимость, тем чаще столкновения). Обсуждаются проекты, которые позволят поднять ее в десять раз! Что же касается планов по созданию новых ускорителей, то это далекая перспектива, учитывая их сложность. Думаю, тот же Будущий циклический коллайдер (БЦК) появится не раньше 2040 года…
— А откуда эта гигантомания? Согласно планам, радиус БЦК намного превысит радиус Большого адронного…
— Чем больше радиус, тем больше энергия. Когда пучок частиц движется по окружности, то есть по кривой, эти частицы начинают излучать так называемое синхротронное излучение и теряют энергию. Чем меньше кривизна, тем меньше и интенсивность излучения, а значит, меньше потери энергии и частицы можно разогнать сильнее. Отсюда задача: добиться, чтобы траектория искривлялась как можно более плавно. Так вот, если у БАКа длина туннеля сейчас 27 км, то у БЦК она будет 100 км. Все логично.
Но дело не только в длине туннелей. Другой важный момент — магниты, которые являются основной частью ускорителей. Есть два типа таких магнитов — квадропольные (они фокусируют пучок, то есть делают его более тонким, а значит, столкновения в таком случае становятся более интенсивными) и дипольные, которые отклоняют частицы, чтобы пучок двигался по окружности. Для Будущего циклического коллайдера нужны магниты с гораздо большей напряженностью поля, чем те, что есть сейчас. И специалисты пытаются понять: как эти магниты создать, каким должен быть диаметр окружности, чтобы потери энергии при движении частиц были минимальны… Словом, вопросов множество. Зато в случае успеха мы получим новые данные о строении материи.
— Объясните, пожалуйста, как именно ускорители помогают изучать материю?
— Ну смотрите: ускоритель — это, образно говоря, микроскоп. Допустим, существуют оптические микроскопы, в которых мы видим клетки. Клетки, как известно, состоят из молекул, молекулы — из атомов. Увидеть атомы можно уже только с помощью электронных микроскопов (когда вещество облучают электронами и таким образом получают информацию о том, из чего оно состоит). А вот ускорители вроде БАКа позволяют заглянуть еще глубже: увидеть, что атомы состоят из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны — из кварков. Но самое интересное: возможно, кварки тоже состоят из каких-то более «мелких» частиц. И так до бесконечности. По крайней мере, никто не доказал обратного!
А теперь вернемся к ускорителям: чем больше энергия у пучков частиц, которые сталкиваются в них, тем глубже мы можем проникнуть в структуру материи.
То есть без новейших ускорителей мы бы, к примеру, не открыли кварки. Но теперь надо двигаться еще глубже, смотреть, как эти кварки взаимодействуют друг с другом, состоят ли они из чего-то или это конечные элементы материи.
— Что конкретно удалось найти при помощи Большого адронного коллайдера? Все мы слышали про бозон Хиггса…
— Разумеется, речь не только о нем. На Большом адронном коллайдере проходит, напомню, четыре основных эксперимента. Установки ALICE и LHСb более узконаправлены. Допустим, на LHСb идет эксперимент по изучению б-физики, связанной с b-кварком. Сейчас известно шесть «ароматов» кварков (такое понятие введено, чтобы их различать.— «О»), один из них — так называемый b-кварк. Чем важно его изучение? Ну, например, тем, что b-кварки образуются в результате распада частиц, однако такие распады так редки, что обнаружить их очень трудно,— этим они и интересны. Эксперимент LHCb также связан с изучением «нарушения CP-симметрии» — важнейшей научной загадки (ученые пытаются выяснить, почему материя в нашем мире превалирует над антиматерией.— «О»).
Эксперимент ALICE имеет свою специфику: здесь разгоняют ядра свинца, которые состоят из десятков протонов и нейтронов, и сталкивают их. Задача интересна тем, что столкновения тяжелых ядер ведут к закипанию вещества и образованию так называемой кварк-глюонной плазмы. В свою очередь, кварк-глюонная плазма образовалась сразу после Большого взрыва, когда у вещества еще не было структуры, и это очень интересный момент! Что касается самой плазмы, то ее, кстати, удалось получить на современных ускорителях.
Теперь два других эксперимента — на установках CMS и ATLAS. Эти установки универсальны, они более крупные и многоплановые. Иными словами говоря, технологии там применяются разные, но практически для одних и тех же задач: важно иметь разные инструменты, чтобы повысить достоверность результатов, и если одинаковый результат получается в двух экспериментах, значит, ему можно доверять. Так было и с бозоном Хиггса. Он был, по сути, открыт на двух этих установках.
Однако бозон Хиггса — не единственное достижение БАКа. Он позволил наблюдать много других частиц и распадов, которые ранее не наблюдались. За годы работы коллайдера опубликованы тысячи научных работ! И это не говоря о том, что в ЦЕРНе много других ускорителей помимо БАКа: например, суперпротонный синхротрон, SPS, или первый протонный синхротрон, PS, с которого начинался центр,— все они так или иначе показали результат.
— Как насчет новых направлений поисков? За чем охотимся?
— Ну, например, есть понятие суперсимметрии. Согласно этой гипотезе, у тех частиц, которые мы знаем, есть так называемые суперпартнеры. Допустим, есть протоны, а есть суперпротоны, есть кварки, а есть суперкварки. Поиск этих суперпартнеров — важное направление исследований, их никто не видел, но многие ищут. Или темная материя, которую уже давно ищут на БАКе. Доказательства ее существования обнаружить на ускорителях пока не удалось, но поиски продолжаются.
В целом же все экспериментальные результаты, которые мы получаем, пока полностью укладываются в Стандартную модель. Однако идет интенсивный поиск явлений и проявлений, выходящих за ее пределы. Ученые ищут новую физику.
— Россия участвует в этих поисках?
— Конечно! Наша страна занялась такого рода исследованиями одной из первых. Просто напомню, что первый ускоритель с фиксированной мишенью — синхрофазотрон, который имел энергию в 10 гигаэлектронвольт (ГэВ) — был построен еще в конце 1950-х в Дубне. На тот момент он был самым мощным ускорителем в мире! Потом уже началось соревнование: в ЦЕРНе построили ускоритель на 30 ГэВ, затем у нас в Протвино — на 76 ГэВ, затем снова в ЦЕРНе — на 400 ГэВ… Первый коллайдер (где сталкивались уже два пучка) с энергией каждого пучка 1 ТэВ (1 ТэВ — 1000 ГэВ) появился в США. А самым мощным, конечно, стал БАК, один пучок у него имеет энергию 6,5 ТэВ. Однако зарубежные центры всегда были заинтересованы в том, чтобы наши научные группы участвовали в экспериментах, ведь у российских специалистов уникальный опыт! Только представьте: наше сотрудничество с ЦЕРНом началось еще в 1964-м. А когда в 1967-м в Протвино запустили ускоритель, здесь единовременно находились сотни зарубежных ученых. Тогда же было заключено и соглашение о сотрудничестве между ЦЕРНом и СССР, в 1993-м заключили новое — оно действует до сих пор.
— Насколько велико российское участие в Большом адронном коллайдере?
— Судите сами: БАК — это четыре эксперимента, а всего мы официально участвуем в 20 экспериментах, проводимых в ЦЕРНе. Это примерно 700 наших физиков.
К тому же Россия внесла в проект БАКа большой материальный вклад. На средства, выделенные правительством, наши институты изготовили необходимые для экспериментов изделия: например, в Богородицке в Тульской области (на Богородицком заводе технохимических изделий, БЗТХИ).— «О») выпустили около 100 тысяч специальных кристаллов для детекторов БАКа. И это не считая средств, затраченных на пребывание в ЦЕРНе наших специалистов… Словом, без России этот проект представить трудно.
— Понятно. В связи с последними планами ЦЕРНа не могу не задать вопрос о безопасности Будущего циклического коллайдера. Мир никуда не засосет?
— Кажется, СМИ были озабочены этим вопросом еще до запуска Большого адронного коллайдера. Но ведь с тех пор ничего не случилось! Все это от некомпетентности. Вот мы говорим: высокие энергии. Однако по сравнению с энергиями в макромире на БАКе они значительно меньше!
Или предположение о том, что там могут родиться черные дыры... Даже если это случится, что само по себе невероятно, они будут другого типа, чем те, которые есть в космосе и которые поглощают материю вокруг себя. Принцип будет тот же, но время их жизни окажется настолько мизерно, что ничего просто не успеет произойти. В этом я могу вас компетентно заверить.
