Парфенов К.В.
ИстинаБожия едина, как един Бог, источник истины, хотя она многовидна в миревещественном и духовном. Все роды наук служат единой истине, все, занимающиесяими, причащаются животворной сердечной радости, которая есть дар всякой истиныизыскателям и любителям ее. Все занимающиеся науками с усердием, из любви к истине,… делают дело Божие и имеют свидетельство в своем сердце, в своей совести, чтодело их угодно Господу, Начальнику истины.
Святойправедный Иоанн Кронштадтский
Конечно,предмет этой статьи довольно специфичен. Но так уж получилось, что в последнеевремя вопросы развития экспериментальной техники в физике элементарных частицшироко обсуждаются не только физиками-профессионалами. Высказывается многоразличных мнений, но нередко при этом «за кадром» обсуждения остаются вопросынаиболее важные: что же такое Большой Адронный Коллайдер (сокращенно БАК, используетсятакже английское сокращение LHC – от Large Hadron Collider), зачем он нуженфизикам и насколько он может быть полезен или опасен для человечества. Давайте,уважаемый читатель, постараемся вместе разобраться во всем этом, не прибегая кметодам современной физики, привыкшей излагать свои результаты чеканным языкоммногоэтажных математических формул.
Чтоже такое БАК? Основной элемент всей установки – это ускоритель частиц.Заряженные частицы набирают энергию, двигаясь в электрическом поле, а дляуправления направлением их движением используются магнитные поля. Для того, чтобыразогнать частицы очень сильно, их заставляют пройти через область ускорениямного раз – поэтому их обычно заставляют двигаться по кругу. Чем быстреедвижутся частицы, тем труднее их заворачивать даже с помощью самых сильныхмагнитов. Поэтому канал ускорения представляет собой огромный кольцевойтоннель. Слово «коллайдер» (от английского “collide” – «сталкивать») попростуозначает, что в этом канале разгоняются одновременно до одинаковых энергий двапучка частиц с разными зарядами, которые затем направляются навстречу другдругу. В результате образуется почти покоящийся «сгусток энергии», в которомпроисходит рождение новых частиц. Для изучения этих частиц используются шестьдетекторов. Каждый из них – по сути целый зал, заполненный множествомэлектронных устройств.
Ниу кого не вызовет никакого сомнения, что БАК действительно «большой».Достаточно просто познакомиться с его техническими характеристиками. Тоннель, вкотором смонтирован основной канал ускорения (есть еще три «предварительных»ускорителя меньшего размера) расположен на глубине около ста метров под землейи имеет длину 26, 7 км. Для удержания и фокусировки пучков используется 1624сверхпроводящих электромагнита. Режим сверхпроводимости необходим, так как вобмотках этих магнитов течет ток до 10000 ампер! Магниты работают притемпературе около минус 2710С, которая достигается только в жидком гелии.Поэтому для поддержания работы БАК требуется целая «фабрика» по производствужидкого гелия, которое технически довольно сложно и требует больших расходовэнергии. Расчетное потребление энергии коллайдером во время работы составляет180 миллионов ватт. Для сооружения ускорителя и детекторов потребовалосьобъединить усилия многих стран и обошлось оно в 4 млрд. евро. Россия принимаетв этих работах активное участие.
Знакомствос 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 систорией развития и современным состоянием физики элементарных частиц.
«Элементарными»физики традиционно называют частицы, которые мельче атомов и молекул. В началеХХ века было обнаружено, что атомы состоят из тяжелых ядер и легких электронов,которые удерживаются вблизи ядер благодаря электрическим силам. Далее физикиузнали, что ядра состоят из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместеблагодаря сильному взаимодействию. За это их и подобные им частицы сталиназывать «адронами» (от др.-греч. «άδρό» — «сильный»).Именно это слово входит в название БАК; таким образом, «адронный коллайдер» — этоустановка, в которой сталкиваются частицы, участвующие в сильномвзаимодействии.
Нона этом путешествие «вглубь материи» не закончилось. В 60-е годы установили, чтопротоны, нейтроны и прочие адроны сами состоят из более мелких объектов, которыеназвали кварками. Всего сейчас известно уже более пяти тысяч адронов, и все онисостоят из шести видов (или, как говорят физики, «ароматов») кварков. Этиароматы физики обозначают первыми латинскими буквами их названий: u (“up”), d(“down”), s (“strange”), c (“charm”), b (“bottom”) и t (“top”). Как видно, припогружении в тайны микромира даже у физиков иногда «захватывало дух». Именнопоэтому и возникли в физике столь романтические термины, как «очарованныйкварк». Также было обнаружено ровно столько же – шесть – видов («ароматов»)частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Их назвали лептонами (отдр.-греч. «λεπτόσ» — «легкий»). Одним из лептоновявляется уже знакомый нам электрон. Другие – это мюон, тау-лептон и три сортанейтрино.
Итак,наблюдаемый мир выглядит как состоящий из кварков и лептонов. Ясно, что такое«будничное» перечисление фактов не дает представления об огромной работе, потребовавшейсядля их установления. Чтобы хотя бы частично возместить этот пробел, рассмотриммасштабы изученных явлений. Размеры атомов и молекул простираются от десятыхдолей до нескольких десятков нанометров (это одна миллиардная доля метра). Ониучаствуют в химических реакциях, в которых на каждую молекулу выделяетсяэнергия порядка нескольких десятков электронвольт (один электронвольт – этоэнергия, которую приобретет электрон при ускоряющем напряжении 1 вольт; именнотакую величину принято использовать в качестве единицы энергии в физикемикромира). 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» масштабоврасстояний и энергий становится заметным важное обстоятельство: чем мельчеисследуемый объект, тем более высокоэнергетичные процессы приходитсяиспользовать для его изучения. Это как раз и объясняет необходимостьиспользования ускорителей. В ХХ веке для проведения исследований были построенынесколько ускорителей, все больших по своим возможностям и размерам. ИменноБольшой Адронный Коллайдер – наиболее мощный из них. При столкновении двухадронов (протона и антипротона) в БАК высвобождается энергия 14 ТэВ(тераэлектронвольт), то есть 14 триллионов электронвольт. Эта энергияколоссальна с точки зрения «обычных» процессов в микромире. Например, вреакциях термоядерного синтеза, обеспечивающих энергией Солнце, на каждыйучаствующий в них протон выделяется энергия почти в миллион раз меньше!
Врезультате сбора информации и тщательного ее анализа физикам удалось построитьтеоретическую 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», обменкоторыми приводит к возникновению взаимодействий. К частицам-переносчикамотносятся: фотоны («частицы света»), глюоны (от английского “glue”, именно они«скрепляют» кварки внутри адронов) и бозоны слабого взаимодействия. Все этичастицы движутся в вакууме, который, несмотря на свое название (латинское“vacuum” означает «пустота»), на самом деле есть активная физическая среда, обменивающаясяэнергией с частицами. Наиболее удивительная особенность Стандартной Модели – еесимметричность, которую ни в коем случае нельзя нарушать (например, не случайночисло «ароматов» кварков и лептонов совпадает). Дело в том, что именно этасимметричность обеспечивает замечательную точность совпадения предсказаний СМ иданных экспериментов. Например, исходя из симметрий электромагнитных и слабыхвзаимодействий, теоретики предсказали все свойства бозонов и задолго до ихэкспериментального открытия в 1983 году. Более того, без многих «встроенных» вСМ симметрий теоретические расчеты вообще становятся бессмысленными. Можносказать, что нарушение симметричности «здания» СМ необходимо приведет к егополному разрушению. Но требование симметричности порождает одну из главныхзагадок – вопрос о природе массы всех элементарных частиц. Загадка состоит втом, что для работоспособности Стандартной Модели совершенно необходимо, чтобыэти частицы сами по себе массы не имели. Наблюдения же показывают, что масса уних есть. Как же связать одно с другим? Оказалось, что это возможно, есливвести специальное поле, называемое полем Хиггса. Это поле является составнойчастью вакуума в СМ. «Невесомые» кварки, лептоны, и другие частицы, двигаясь ввакууме, «облепляются» частицами поля Хиггса и становятся массивными.Безмассовыми остаются только частицы, которые не взаимодействуют с полем Хиггса(фотоны и глюоны).
Дляболее наглядного представления об этом процессе можно воспользоваться следующимобразом, предложенным одним из создателей СМ Абдусом Саламом. Допустим, вжаркий день Вы катите тележку с мороженым, которая очень легкая (скажем, почтиневесомая). И вдруг Вам приходится провезти ее через большую толпу детей, которымочень хочется мороженого. Несомненно, что Ваша тележка при движении сквозь неезаметно «потяжелеет», так как Вам вместе с ней придется теперь перемещать икакое-то количество детей. Таким образом, «невесомая» тележка «приобрететмассу». С помощью представлений о поле Хиггса СМ смогла даже правильнопредсказать массы многих частиц. Однако если эта идея верна, то мы должнынаблюдать и частицы самого поля Хиггса – так называемые хиггсовские бозоны. Извсех частиц СМ только они до сих пор не обнаружены экспериментально! Массахиггсовского бозона по оценкам теоретиков должна быть в интервале от 1 до 10ТэВ. И тут самое время сопоставить это с энергией, достижимой на БольшомАдроном Коллайдере. Как видно, этой энергии должно быть достаточно для рожденияхиггсовских бозонов!
Подчеркнем,что обнаружение бозонов Хиггса – не просто открытие еще одной из предсказанныхСМ частиц. Ситуация для теоретической физики выглядит весьма драматичной: либоони будут найдены, либо придется сделать вывод о необходимости существенногореформирования СМ. Можно описать возникшую ситуацию следующим образом: физика, поднимаясьна новый уровень или, скажем, «этаж» понимания строения мира, дошла почти доконца длинного пролета лестницы. Остается сделать один шаг, чтобы выйти нановую «лестничную площадку», и мы делаем этот шаг. Либо мы выйдем на новый этаж,либо обнаружим, что лестница заканчивается тупиком и здесь нового этажа нет –тогда нам придется вернуться на этаж ниже и начать поиск новой лестницы.Поэтому неудивительно, что поиск бозона Хиггса является первоочередной цельюэкспериментов на БАК.
Ноесть еще одна задача, не менее важная. Теоретики, обсуждая возможное строениемира на еще более малых расстояниях, наметили целый ряд правдоподобныхнаправлений поиска нового в области «нестандартной» физики. Эти поиск единойприроды всех взаимодействий, поиск симметрий между частицами материи ичастицами-переносчиками, исследование гравитационного взаимодействия вмикромире и изучение природы пространства-времени. Сейчас мы не имеемэкспериментальной информации о том, какой из путей развития наших преставленийо мире наиболее эффективен. Физики надеются, что на БАК такая информация будетполучена. Продолжая предыдущую аналогию, можно сказать, что мы ожидаем увидетьна новом этаже множество дверей, ведущие на разные новые лестницы, и намнеобходимо узнать, по какой из них лучше всего продолжить движение.
Крометого, на БАК можно ставить эксперименты по столкновению тяжелых ядер.Полученная при этом информация может заложить основу для разработки «энергетикиXXII века» — более мощной и безопасной, чем энергетика термоядерного синтеза.
Однаконасколько безопасны такие масштабные эксперименты? В последнее время БАКприобрел широкую известность из-за выступлений средств массовой информации инекоторых исследователей о возможности глобальных катастрофических последствийпуска коллайдера. Все подобные опасения основаны на «наслаивании» друг на друганескольких предположений. Во-первых, предполагаются возможности рождениянекоторых гипотетических объектов: это микроскопические черные дыры, «зародыши»новых вакуумов, «червоточины» пространства-времени, магнитные монополи игиперустойчивые ядра с примесью странных кварков («страпельки»). Далее к этимпредположениям присоединяются новые – о возможном катастрофическом влиянии этихобъектов на Землю. Однако каждое из предположений имеет очень малую вероятностьоказаться справедливым. Даже возможность существования всех этих объектов досих пор не установлена. Кроме того, масштаб энергий БАК не является«критическим» для их рождения, так как для большинства из них требуются энергииво много миллиардов раз больше. Поэтому вероятность рождения этих объектовкрайне мала даже с точки зрения теорий, допускающих их существование. В теориях,где такая вероятность несколько выше (но все равно очень мала с «житейской»точки зрения), эти объекты обычно очень нестабильны и исчезают, не успевпричинить никакого вреда. Суммируя сказанное, можно сделать вывод о том, чтоаккуратный теоретический анализ не дает оснований хоть какую-нибудь из«опасностей» считать серьезной. Иногда можно услышать: конечно, вероятностьочень мала, но все-таки она не ноль. А вдруг что-то опасное осуществится «понесчастливой случайности»? На самом деле с точки зрения науки процессов свероятностью ноль вообще практически не существует – все, что мы обычно считаемневозможным, есть с ее точки зрения события «крайне маловероятные». И дело тутв величине вероятности. Например, если посадить шимпанзе за компьютер стекстовым редактором, и она начнет беспорядочно стучать по клавишам, то дляученого существует отличная от нуля вероятность, что сначала она ударит поклавише «Н», за тем «е», затем «пробел» и так далее:
Немысля гордый свет забавить…, то есть напечатает весь текст «Евгения Онегина», включаяутраченную главу. Ясно, однако, что никто не признает такое событиеосуществимым.
Помимотеоретических, есть и практические причины не верить катастрофическиможиданиям. В самом деле, энергии, достигнутые на уже существующих установках(например, «Тэватрон» лаборатории имени Э.Ферми и релятивистский коллайдертяжелых ионов Брукхейвенской лаборатории), лишь на порядок уступают энергиямБАК. Эта разница существенна с точки зрения поиска бозона Хиггса, но неявляется очень существенной для упоминающихся «опасных» событий. Если бы они моглипроисходить на БАК, физики бы обязательно увидели хоть какие-нибудь ихпроявления на этих установках. Однако ничего похожего не наблюдалось. Крометого, в просторах видимой части Вселенной немало астрофизических объектов, генерирующихпучки частиц с энергиями, о которых земные экспериментаторы даже и не мечтают.К тому же плотность потока частиц в этих пучках существенно превосходят все, чтоесть на Земле. Наблюдения за всеми этими явлениями также не обнаруживаютпризнаков рождения катастрофически опасных частиц.
Означаетли это, что шум вокруг опасностей коллайдера поднят зря? Я думаю, что несовсем. С одной стороны, этот пример – скорее успокаивающий. В самом деле, дажеприведенное выше перечисление обсуждаемых опасностей ясно указывает на то, чтоначали их обсуждение сами физики-теоретики. Причем многие из процессовобсуждались еще задолго до того, как проект БАК начали разрабатывать. Такимобразом, к этой стороне своих исследований физики отнеслись достаточноответственно. Но с другой – хорошо, что широкое обсуждение вновь напомнилоученым (и не только физикам) о том, насколько велика может быть (в прямом ипереносном смысле) цена их исследований. К сожалению, не всегда в современноммире деятели науки руководствуются «любовью к Истине». Привнесение в наукумотивов корыстолюбие и честолюбия – большая опасность не только для самойнауки. Еще большая опасность – использование достижений научного поиска безоглядки на «помехи» в виде моральных норм. Человечество сейчас сталкивается сцелым рядом проблем, каждая из которых грозит глобальной катастрофой:экологические кризисы, нарастающая нестабильность мира по отношению ксоциальным, военным и техногенным катастрофам, процессы деградации вморально-этической сфере. Задача науки – в союзе с Совестью искать пути решенияэтих проблем и стремиться не добавлять к ним новые.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.portal-slovo.ru