ЦЕРН - в поисках базона

    Упомянутые выше Х-лучи стали причиной еще одного важного начинания. Именно за их открытие в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену была присуждена первая в мире Нобелевская премия по физике. При награждении отмечалась 'важность этого открытия для практической хирургии... и лучевой терапии...'. Таким образом, ядерная физика и ускорительная техника с самых первых дней стали верой и правдой служить людям. Эти два направления из области физики элементарных частиц - наблюдение скрытых от глаз процессов и явлений и воздействие на живую и неживую природу с помощью специальных 'лучей' - и сегодня являются самыми перспективными и востребованными.
    Современные компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь человеческого организма и понять, что там неправильно функционирует, - это детище ядерной физики, научившейся не только формировать узкие сканирующие пучки и регистрировать интенсивность невидимого излучения, но и восстанавливать картину поглощения рентгеновских лучей, то есть строение внутренних органов человека.
    Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с

Из тысяч таких 15-метровых элементов будет составлено 27-километровое кольцо LHC. 1 - канал, внутри которого летит пучек ускоренных частиц. 2 - сверхпроводящая обмотка, создающая магнитное поле, заставляющее протоны двигаться по кругу. 3 - сигнальные шины. 4 - встречные пучки. 5 - защитный диод. 6 - питание различных устройств. 7 - труба проводов. 8 - тепловая защита. 9 - радиационный экран. 10 - теплоизоляция. 11 - немагнитная вставка. 12 - железное ядро сверхпроводящего магнита. 13 - сверхпроводящая шина. 14 - область заполненная сверхтекучим гелием-2 при температуре всего 2 Кельвина. 15 - теплообменник.

Большой Адронный Коллайдер (LHC)

Модель столкновения двух ядер свинца - цветные мелкие кружочки - это кварк-глюонная плазма, более крупные светлые шарики - нейтроны и протоны, не встретившие преграды при не совсем лобовом столкновении двух ядер.

физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.
    Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году. Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.
    Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за З секунды, а за 10 - достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины 'Формулы-1' не могут достичь 400 км/ч. В микромире - другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.
    Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон - вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус успокоительного кольца, необходимого для получения нужных энергий. Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими - синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.
    Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон - Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наиболее продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.
    В целом общее свойство всех ускорителей, включая линейные, - постепенность в накапливании энергии. Еще одна их особенность - это одновременное ускорение нескольких больших сгустков заряженных частиц - банчей (bunch). Так, на ускорителе LHC (Большом Адронном Коллайдере) планируется ускорять около пяти тысяч таких банчей, и каждый из них будет содержать до сотен миллиардов протонов. Суммарная энергия этих суперрелятивистских частиц будет достигать 500 миллионов джоулей при толщине сфокусированного пучка 20 миллионных долей метра.
    В ускорителе, вращаясь навстречу друг друry, одновременно будут носиться два таких пучка. В четырех точках, как раз там, где расположены измерительные комплексы, эти пучки будут пересекаться, порождая столкновения протонов между собой. Сгyстки протонов будут встречаться 40 миллионов раз в секунду, каждый раз выдавая около 20 протон-протонных столкновений. Далеко не все из происходящих в ускорителе событий будут интересны физикам, но все акты столкновения они обязательно зафиксируют и поместят в базу данных. Причем каждое столкновение будет генерировать до 10 миллионов бит информации. Помимо этого, здесь планируется запечатлеть рождение хиггсовского бозона, упомянутого выше. Если все состоится, то само рождение будет хоть и неоднократным, но все же для микромира крайне редким: одно на 10 триллионов столкновений. Ведь для такой удачи нужно, чтобы не только протоны, но и входящие в их состав кварки врезались точно 'лоб в лоб', поэтому в день ожидается одна 'божественная частица' и не более.

Ядерная лаборатория. Ускорители элементарных частиц


1 - Крупнейший, длинной 3,2 км, линейный ускоритель SLAC, успешно работающий в Стенфордском исследовательском центре уже 40 лет, энергия до 50 ГэВ. 2 - Ускоритель Джефферсонской лаборатории JLab. 330 ускорительных сверхпроводящих камер разгоняют мощный электронный пучек до 50 ГэВ, среди прочих исследований проводятся работы по созданию лазера на свободных электронах. 3 - Крупнейший действующий ускоритель TEVATRON. Лаборатория Ферми, Батавия, США. Кольцо длинной 6,3 км позволяет доводить энергию протонов до 1000 ГэВ. 4 - Знаменитый немецкий ускорительный комплекс DESY расположен недалеко от Гамбурга. Ускоритель HERA имеет кольцо длинной 6,3 км и разгоняет электроны до энергии 27 ГэВ, а протоны - 900 ГэВ. 5 - Вильсоновская лаборатория по исследованию элементарных частиц, ускоритель LEPP, Корнеллский университет, США. Как видите, денег на исследование микромира США не жалели. 6 - При длинне туннеля в 27 км без монорельсовой дороги не обойтись при профилактических осмотрах и регламентных работах. На фотографии мы видим один из четырех поездов, работавших еще при старом электрон-позитронном коллайдере LEP. 7 - Брукхейвенская национальная лаборатория США. Ускоритель тяжелых ионов RHIC, длинна кольца 3,8 км, энергия до 200 ГэВ. 8 - Институт физики высоких энергий, Серпухов, Россия. Протонный синхротрон на 76 ГэВ с длинной кольца 1,5 км, крупнейший действующий российский ускоритель.

Управлять процессом столкновения частиц, то есть направлять их 'лоб в лоб', пока невозможно. Они летят навстречу случайным образом, цепляя друг друга, как получится. И только благодаря огромному количеству этих касаний и столкновений у исследователей появляется материал для самого разного рода теорий и гипотез, позволяющих во многом понять, как устроен мир.

Элемент структуры	Описание элемента структуры
ALISE	Образующие протоны и нейтроны кварки не могут существовать в свободном состоянии. Этот эффект получил название конфайнмент-'пленение' кварков. Одна из возможностей подробного изучения кварков и связывающих их глюонов - это увеличение размера области, в которой они 'заперты'. Для того чтобы добиться этого, нужно столкнуть ядра свинца, ускоренные до высоких энергий. Никто пока не знает, что произойдет при переходе от обычного состояния ядерного вещества к кварк - глюонной плазме, которая в современной Вселенной, возможно, присутствует в ядрах больших нейтронных звезд. Столкновение тяжелых ядер свинца, разогнанных почти до световой скорости (энергия более 1 000 ТэВ), должно позволить достаточно подробно изучить тот 'кварковый суп', в котором варилась наша Вселенная первые мгновения после Большого взрыва. Ионы свинца будут сталкиваться 'лоб в лоб' при энергиях в десятки раз выше, чем те, которые достигаются сегодня. При этом разогретое до триллионов градусов ядерное вещество окажется в состоянии в десятки раз более плотном, чем внутри обычных ядер, и будет очень сильно напоминать первые мгновения Большого взрыва и сердцевину нейтронных звезд. Для диагностики состояния разогретого вещества необходимо будет регистрировать характеристики тысяч частиц, образующихся при каждом столкновении ядер.
Ускоритель	По накопительному кольцу ускорителя летают сгустки разгоняемых частиц. В кольце предварительного разгона достигаются энергии в единицы ГэВ. В радиочастотной камере под действием переменного электрического поля происходит ускорение частиц. Линейный ускоритель разгоняет частицы до сотен миллионов электрон-вольт (в случае электрона его скорость уже на этом начальном этапе ускорения всего на тысячные доли процента отличается от скорости света). Пушка, генерирующая поток ускоряемых частиц, - это просто нагретый катод, который отлично испускает в вакуум электроны (если синхротрон работает с электронами). Магнитное поле, перпендикулярное плоскости ускорителя, заставляет частицы двигаться по кругу; кроме этой основной задачи, выполняемой дипольными магнитами, есть еще не менее важная задача фокусировки пучка, которая решается многополюсными системами отклоняющих магнитов, не позволяющими частицам выходить за пределы кольцевой вакуумной камеры. Линия выхода пучка образуется, если выключить на мгновение магнитное поле. Частицы тогда летят по прямой, таких точек может быть несколько, по числу установок. Экспериментальные установки регистрируют столкновения частиц с мишенью, и все последствия такого столкновения фиксируются.
ATLAS и CMS	Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии, или SUSY. Следуя этой теории, для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, то часть этих суперсимметричных частиц должна быть найдена с помощью ускорителя LHC. По этой теории - на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другими спином и массой, называемая 'скварк', а на каждый лептон - свой 'слептон'. Такие переносчики энергии, как фотоны, W- и Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон приобретает сразу несколько партнеров. SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может обосновать наличие таинственного 'темного' вещества во Вселенной, которое существует и создает гравитацию, но больше никак себя не проявляет. Некоторые физики предполагают, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Таким образом, предельно высокие уровни энергии LHC позволят экспериментально проверить многие теории. Для разрешения этих вопросов в 2007 году на ускорителе LHC будут запущены два самых крупных эксперимента - ATLAS и CMS. СМS-современный прибор универсального назначения одной из первых задач которого будет поиск хиггсовского бозона, отвечающего за массу элементарных частиц. Не менее важные задачи стоят перед ним и в плане проверки теории суперсимметрий - SUSY. Слои детектора СМS устроены в виде цилиндрических 'луковиц', охватывающих пространство, где сталкиваются пучки.
Детекторы	Детекторы напоминают цилиндрические 'луковицы' размером с многоэтажный дом, наполненные сложной сверхсовременной аппаратурой и электроникой. Столкновения происходят в центре детектора, различные слои которого определяют свойства рождающихся частиц. Ближайшие к центру трековые детекторы позволяют 'видеть' траектории заряженных частиц, образовавшихся при столкновении. 3атем размещены калориметры - приборы, измеряющие энергию, - здесь большинство частиц заканчивает свой путь. Внешние слои 'луковицы' состоят также из трековых детекторов для регистрации мюонов. Магниты, встроенные в детекторы, позволяют измерить импульсы частиц по отклонению в магнитном поле. Каждую секунду на ускорителе будет происходить до миллиарда столкновений, а каждое столкновение даст около 10 миллионов единиц информации. Обработка и анализ информации будут одновременно вестись во всех участвующих институтах. Для этого разработан принципиально новый подход распределенных вычислений. А для его реализации будет создана всемирная компьютерная сеть GRID, которая в будущем дополнит WWW, обязанную своим появлением на свет также ЦЕРН. Именно здесь в 1989 году Тим Бернерс Ли и Роберт Кай изобрели мировую компьютерную сеть WWW, что явилось откликом ЦЕРН на быстро развивающееся научное сотрудничество. Сегодня планируемые эксперименты LНС требуют невиданного до настоящего времени уровня глобальной интеграции вычислительных ресурсов. Особенность экспериментов - невероятно большой поток данных: годовой прирост объема будет составлять петабайты (миллионы гигабайт). Эта информация должна быть сохранена, обработана и проанализирована.

LHC - Большой Адронный Коллайдер

    На Большом Электрон-Позитронном Коллайдере, который раньше находился в 27-километровом подземном кольце ЦЕРН, при единичном столкновении возникало до 1 500 вторичных частиц. На новом ускорителе LHC это число возрастет до 50 000. Расшифровка процессов соударения разогнанных частиц будет происходить с помощью огромной системы датчиков, фиксирующих пути и энергии родившихся частиц. Сегодня это возможно: современные измерительные комплексы содержат миллиарды транзисторов и сотни тысяч индивидуальных датчиков - сцинтилляционных пластин, кремниевых сенсоров, дрейфовых трубок, газоразрядных камер, мюонных и адронных калориметров, фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. Для того чтобы можно было развести между собой пути заряженных частиц с разными массой и энергией, на всю эту систему датчиков накладывается еще и магнитное поле.
    Потоки данных, генерируемых LHC, ожидаются огромными. Для сравнения можно сказать, что они будут превышать объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Такие прогнозы заставляют искать принципиально новые способы обработки и хранения данных. И как в свое время 'WWW' - простой и доступный для любого пользователя способ вхождения в сеть - был изобретен именно в ядерной лаборатории, так и сегодня новая технология распределенных компьютерных вычислений GRID рождается и испытывается здесь же.
    Тысячи ученых во всем мире готовятся и с нетерпением ждут этой лавины информации, поскольку глубинные тайны Вселенной обещают открыться в ближайшие годы. Если же ожидаемые частицы не будут найдены, то придется пересматривать не только Стандартную Модель современной физики частиц, но и множество других теорий мироздания. Сегодня трудно точно сказать, какие загадки Природы сумеет разгадать LHC, но одно известно точно - человечество шагнет в новую эпоху фундаментальных открытий.

Николай Кульберг

Ядерная лаборатория (1-я часть) Звездные войны (1-я часть)