Парфенов К.В.
Истина Божия едина, как един Бог, источник истины, хотя она многовидна в мире вещественном и духовном. Все роды наук служат единой истине, все, занимающиеся ими, причащаются животворной сердечной радости, которая есть дар всякой истины изыскателям и любителям ее. Все занимающиеся науками с усердием, из любви к истине, … делают дело Божие и имеют свидетельство в своем сердце, в своей совести, что дело их угодно Господу, Начальнику истины.
Святой праведный Иоанн Кронштадтский
Конечно, предмет этой статьи довольно специфичен. Но так уж получилось, что в последнее время вопросы развития экспериментальной техники в физике элементарных частиц широко обсуждаются не только физиками-профессионалами. Высказывается много различных мнений, но нередко при этом «за кадром» обсуждения остаются вопросы наиболее важные: что же такое Большой Адронный Коллайдер (сокращенно БАК, используется также английское сокращение LHC – от Large Hadron Collider), зачем он нужен физикам и насколько он может быть полезен или опасен для человечества. Давайте, уважаемый читатель, постараемся вместе разобраться во всем этом, не прибегая к методам современной физики, привыкшей излагать свои результаты чеканным языком многоэтажных математических формул.
Что же такое БАК? Основной элемент всей установки – это ускоритель частиц. Заряженные частицы набирают энергию, двигаясь в электрическом поле, а для управления направлением их движением используются магнитные поля. Для того, чтобы разогнать частицы очень сильно, их заставляют пройти через область ускорения много раз – поэтому их обычно заставляют двигаться по кругу. Чем быстрее движутся частицы, тем труднее их заворачивать даже с помощью самых сильных магнитов. Поэтому канал ускорения представляет собой огромный кольцевой тоннель. Слово «коллайдер» (от английского “collide” – «сталкивать») попросту означает, что в этом канале разгоняются одновременно до одинаковых энергий два пучка частиц с разными зарядами, которые затем направляются навстречу друг другу. В результате образуется почти покоящийся «сгусток энергии», в котором происходит рождение новых частиц. Для изучения этих частиц используются шесть детекторов. Каждый из них – по сути целый зал, заполненный множеством электронных устройств.
Ни у кого не вызовет никакого сомнения, что БАК действительно «большой». Достаточно просто познакомиться с его техническими характеристиками. Тоннель, в котором смонтирован основной канал ускорения (есть еще три «предварительных» ускорителя меньшего размера) расположен на глубине около ста метров под землей и имеет длину 26, 7 км. Для удержания и фокусировки пучков используется 1624 сверхпроводящих электромагнита. Режим сверхпроводимости необходим, так как в обмотках этих магнитов течет ток до 10000 ампер! Магниты работают при температуре около минус 2710С, которая достигается только в жидком гелии. Поэтому для поддержания работы БАК требуется целая «фабрика» по производству жидкого гелия, которое технически довольно сложно и требует больших расходов энергии. Расчетное потребление энергии коллайдером во время работы составляет 180 миллионов ватт. Для сооружения ускорителя и детекторов потребовалось объединить усилия многих стран и обошлось оно в 4 млрд. евро. Россия принимает в этих работах активное участие.
Знакомство с этими данными сразу порождает желание задать и второй из упомянутых выше вопросов: зачем это нужно? Ради чего расходуются столь значительные материальные ресурсы? Для осмысленного ответа нам следует хотя бы в некоторой степени познакомиться с историей развития и современным состоянием физики элементарных частиц.
«Элементарными» физики традиционно называют частицы, которые мельче атомов и молекул. В начале ХХ века было обнаружено, что атомы состоят из тяжелых ядер и легких электронов, которые удерживаются вблизи ядер благодаря электрическим силам. Далее физики узнали, что ядра состоят из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию. За это их и подобные им частицы стали называть «адронами» (от др.-греч. «άδρό» - «сильный»). Именно это слово входит в название БАК; таким образом, «адронный коллайдер» - это установка, в которой сталкиваются частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Но на этом путешествие «вглубь материи» не закончилось. В 60-е годы установили, что протоны, нейтроны и прочие адроны сами состоят из более мелких объектов, которые назвали кварками. Всего сейчас известно уже более пяти тысяч адронов, и все они состоят из шести видов (или, как говорят физики, «ароматов») кварков. Эти ароматы физики обозначают первыми латинскими буквами их названий: u (“up”), d (“down”), s (“strange”), c (“charm”), b (“bottom”) и t (“top”). Как видно, при погружении в тайны микромира даже у физиков иногда «захватывало дух». Именно поэтому и возникли в физике столь романтические термины, как «очарованный кварк». Также было обнаружено ровно столько же – шесть – видов («ароматов») частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Их назвали лептонами (от др.-греч. «λεπτόσ» - «легкий»). Одним из лептонов является уже знакомый нам электрон. Другие – это мюон, тау-лептон и три сорта нейтрино.
Итак, наблюдаемый мир выглядит как состоящий из кварков и лептонов. Ясно, что такое «будничное» перечисление фактов не дает представления об огромной работе, потребовавшейся для их установления. Чтобы хотя бы частично возместить этот пробел, рассмотрим масштабы изученных явлений. Размеры атомов и молекул простираются от десятых долей до нескольких десятков нанометров (это одна миллиардная доля метра). Они участвуют в химических реакциях, в которых на каждую молекулу выделяется энергия порядка нескольких десятков электронвольт (один электронвольт – это энергия, которую приобретет электрон при ускоряющем напряжении 1 вольт; именно такую величину принято использовать в качестве единицы энергии в физике микромира). Протоны и нейтроны имеют размеры около одной миллионной доли нанометра, а энергии, выделяющиеся в ядерных реакциях, составляют миллионы электронвольт. Размеры кварков и лептонов заведомо меньше, чем миллионная доля радиуса протона, и в реакциях с превращениями кварков энергии еще в тысячи и миллионы раз больше, чем в ядерных реакциях! При внимательном рассмотрении этой «лестницы» масштабов расстояний и энергий становится заметным важное обстоятельство: чем мельче исследуемый объект, тем более высокоэнергетичные процессы приходится использовать для его изучения. Это как раз и объясняет необходимость использования ускорителей. В ХХ веке для проведения исследований были построены несколько ускорителей, все больших по своим возможностям и размерам. Именно Большой Адронный Коллайдер – наиболее мощный из них. При столкновении двух адронов (протона и антипротона) в БАК высвобождается энергия 14 ТэВ (тераэлектронвольт), то есть 14 триллионов электронвольт. Эта энергия колоссальна с точки зрения «обычных» процессов в микромире. Например, в реакциях термоядерного синтеза, обеспечивающих энергией Солнце, на каждый участвующий в них протон выделяется энергия почти в миллион раз меньше!
В результате сбора информации и тщательного ее анализа физикам удалось построить теоретическую модель, замечательно хорошо описывающую все наблюдаемые явления. Ее назвали Стандартной Моделью (СМ). Мир в рамках этой модели состоит из «материальных частиц» – кварков и лептонов и «частиц-переносчиков», обмен которыми приводит к возникновению взаимодействий. К частицам-переносчикам относятся: фотоны («частицы света»), глюоны (от английского “glue”, именно они «скрепляют» кварки внутри адронов) и бозоны слабого взаимодействия. Все эти частицы движутся в вакууме, который, несмотря на свое название (латинское “vacuum” означает «пустота»), на самом деле есть активная физическая среда, обменивающаяся энергией с частицами. Наиболее удивительная особенность Стандартной Модели – ее симметричность, которую ни в коем случае нельзя нарушать (например, не случайно число «ароматов» кварков и лептонов совпадает). Дело в том, что именно эта симметричность обеспечивает замечательную точность совпадения предсказаний СМ и данных экспериментов. Например, исходя из симметрий электромагнитных и слабых взаимодействий, теоретики предсказали все свойства бозонов и задолго до их экспериментального открытия в 1983 году. Более того, без многих «встроенных» в СМ симметрий теоретические расчеты вообще становятся бессмысленными. Можно сказать, что нарушение симметричности «здания» СМ необходимо приведет к его полному разрушению. Но требование симметричности порождает одну из главных загадок – вопрос о природе массы всех элементарных частиц. Загадка состоит в том, что для работоспособности Стандартной Модели совершенно необходимо, чтобы эти частицы сами по себе массы не имели. Наблюдения же показывают, что масса у них есть. Как же связать одно с другим? Оказалось, что это возможно, если ввести специальное поле, называемое полем Хиггса. Это поле является составной частью вакуума в СМ. «Невесомые» кварки, лептоны, и другие частицы, двигаясь в вакууме, «облепляются» частицами поля Хиггса и становятся массивными. Безмассовыми остаются только частицы, которые не взаимодействуют с полем Хиггса (фотоны и глюоны).
Для более наглядного представления об этом процессе можно воспользоваться следующим образом, предложенным одним из создателей СМ Абдусом Саламом. Допустим, в жаркий день Вы катите тележку с мороженым, которая очень легкая (скажем, почти невесомая). И вдруг Вам приходится провезти ее через большую толпу детей, которым очень хочется мороженого. Несомненно, что Ваша тележка при движении сквозь нее заметно «потяжелеет», так как Вам вместе с ней придется теперь перемещать и какое-то количество детей. Таким образом, «невесомая» тележка «приобретет массу». С помощью представлений о поле Хиггса СМ смогла даже правильно предсказать массы многих частиц. Однако если эта идея верна, то мы должны наблюдать и частицы самого поля Хиггса – так называемые хиггсовские бозоны. Из всех частиц СМ только они до сих пор не обнаружены экспериментально! Масса хиггсовского бозона по оценкам теоретиков должна быть в интервале от 1 до 10 ТэВ. И тут самое время сопоставить это с энергией, достижимой на Большом Адроном Коллайдере. Как видно, этой энергии должно быть достаточно для рождения хиггсовских бозонов!