Какая польза от адронного коллайдера

Что такое масса?
Масса – одно из самых сложных понятий в физике. И то, что ее определение вводится в школьном учебнике в самом начале курса физики, мало что меняет. Это и мера энергии, и мера инертности: есть масса гравитационная и инертная. В макромире масса аддитивна – это значит, что если гирю весом 32 кг распилить пополам, то получится два куска по 16 кг. А вот в мире элементарных частиц масса не аддитивна – при распаде частицы на две другие сумма их масс может быть меньше массы исходной частицы. Куда же «пропадает» масса? Она переходит в энергию движения осколков. Получается, что часть массы просто исчезает, а на ее месте возникает энергия. В этом и заключается принцип эквивалентности массы и энергии, впервые полученный Альбертом Эйнштейном и выраженный им в виде знаменитой формулы E = mc2.

Можно пойти даже дальше и задать вопрос:

если масса и энергия эквивалентны, то, может быть, существует что-то, у чего вообще нет массы, а есть только энергия?

Казалось бы, это нарушает все наши обыденные представления. Можно попытаться представить себе стул или стол с очень маленькой массой, например с массой в 1 кг или 0,5 кг, или даже с массой в одну тысячную долю грамма. Но как представить себе стол или стул, у которых масса отсутствует вообще? Оказывается, такие объекты присутствуют в микромире, среди элементарных частиц. Один из самых известных примеров — это фотон, частица — переносчик электромагнитных взаимодействий.

Существуют и другие частицы с нулевой массой. Долгое время ученые не знали, есть ли масса у нейтрино. Нейтрино – это еще одна элементарная частица, основным отличительным свойством которой является очень маленькое сечение взаимодействия. Что это значит? Представьте себе мячик, который вы кидаете в стену. Ударившись, мячик отскочит обратно. А вот нейтрино проскочит сквозь стену, даже не заметив ее. Более того, нейтрино пролетает насквозь через весь земной шар, а для того, чтобы оно ударилось в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 1014 нейтрино, испущенных Солнцем. При этом вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю.

Регистрировать нейтрино по тем же причинам чрезвычайно сложно. Теоретически существование нейтрино предсказал в 1930 году великий немецкий физик Вольфганг Паули, пытаясь объяснить парадокс «несохранения энергии» при b-распаде. Тогда же, однако, он заключил пари, что нейтрино никогда не откроют экспериментально, – и проиграл: первые экспериментальные доказательства существования нейтрино появились в 1956 году, еще при жизни ученого.

Как же объясняет понятие массы современная квантовая теория? Согласно ее представлением,

масса – это сила взаимодействия частиц с полем хиггсовского бозона.

То есть экспериментальное обнаружение этого бозона позволит однозначно определить природу важнейшей фундаментальной характеристики объектов Вселенной – массы. Эту задачу планируют решить два крупнейших эксперимента БАК – CMS и ATLAS.
Проблема антиматерии

Якобы страшно опасная, антиматерия известна широкому читателю по пугающим рассказам из книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны». Давайте разберемся, что там сказка, а что не совсем. Античастицы – «двойники» обычных частиц, имеющие такую же массу и спин. Однако некоторые другие квантовые характеристики античастиц противоположны по своему значению тем же характеристикам частиц, например электрический заряд. При столкновении античастицы и частицы обе они исчезают и происходит выделение большого количества энергии – фотонов (частиц с совершенно нулевой массой), как и предрекает нам Дэн Браун.

В своей книге Дэн Браун описывает, что из CERN украден небольшой кусочек антивещества, с помощью которого злоумышленники собираются взорвать Ватикан. Но так ли опасно антивещество на самом деле? Да, автор действительно не преувеличил.

Кусочка антивещества массой всего один грамм было бы достаточно, чтобы произвести взрыв, сравнимый со взрывом ядерной бомбы над Хиросимой.

Теоретически существование антивещества (материи, состоящий из античастиц) предсказал в 1928 году английский физик Поль Дирак, один из создателей квантовой теории. Вскоре частицы антиматерии удалось наблюдать экспериментально: в 1932 году позитрон (античастица для электрона) был открыт в космических лучах, в 1955 году был получен антипротон, в 1956-м – антинейтрон, в 1965-м – антидейтрон, а в 1995 году даже атом антиводорода.

Сейчас в CERN каждый год производятся миллиарды атомов антивещества. Не угрожает ли такое производство человечеству? Хватит ли этого, чтобы взорвать Ватикан? Ответ на этот вопрос отрицательный. Дело в том, что даже в грамме вещества (антивещества) содержится около 1.000.000.000.000.000 миллиардов частиц вещества (антивещества). Таким образом, для того чтобы произвести грамм антивещества, нам потребуется время, большее времени жизни Вселенной.

Визуально антиматерия неотличима от материи. То есть, если бы мы могли встретить своего двойника, состоящего из античастиц, мы не заметили бы никакой разницы до тех пор, пока не прикоснулись бы друг к другу.

Но если бы вы вдруг решили пожать своему двойнику руку, то произошел бы взрыв, который уничтожил бы не только вас, но и Землю.

На Земле антивещества в больших количествах нет. Античастицы могут рождаться на земле либо в ходе научных экспериментов, либо в результате естественных процессов, например при взаимодействии высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой. При этом античастицы обычно живут лишь считанные доли секунды, тут же аннигилируя с веществом. Но есть ли антивещество во Вселенной? Может быть, где-то существуют целые галактики, состоящие из антивещества? Ответ на этот вопрос начал интересовать ученых сразу же после открытия антивещества. Начались поиски. Сначала они проходили в непосредственной близости от Земли. Считалось даже, что Тунгусский метеорит – это кусочек антиматерии, случайно залетевший на землю из космоса. В пользу этой гипотезы говорило то, что осколки метеорита так и не были найдены. Как будто антивещество, ударившись о Землю, полностью аннигилировало с веществом Земли. Однако по мере развития астрофизики стало понятно, что антивещества в ближайших от Земли окрестностях нет. Сейчас поиски продолжаются в отдаленных уголках Вселенной. Однако пока они не дали положительного результата, и большинство ученых считает, что антивещества в больших количествах во Вселенной не существует.

Куда же делось антивещество? Современные модели эволюции Вселенной предполагают, что сразу после Большого взрыва во Вселенной родилось одинаковое количество вещества и антивещества. Несмотря на это, в последовавшем процессе аннигиляции вещество и антивещество не были взаимно уничтожены.

Проведенные оценки показывают, что из каждых 10.000.000.000 частиц вещества и антивещества выжила лишь одна частица вещества.

Таким образом, весь наш современный мир представляет собой лишь жалкие остатки того грандиозного процесса аннигиляции.

Указанный феномен носит название барионной асимметрии Вселенной. Но почему уцелело вещество, а не антивещество? Долгое время это оставалось загадкой. В 1967 году Сахаров сформулировал три условия, выполнение которых было необходимо для объяснения барионной асимметрии. Одно из этих условий требует сильного нарушения так называемой CP-симметрии, механизм которого в настоящий момент не совсем понятен. С помощью экспериментов на БАК можно будет лучше разобраться в этом вопросе.
Суперсимметрия и энергетический баланс Вселенной
В настоящий момент наиболее полное описание существующего мира дается в рамках так называемой Стандартной модели. Это теоретическая модель, придуманная более 40 лет тому назад. В течение всего времени, прошедшего с ее создания, эта модель великолепно подтверждалась всеми доступными экспериментальными данными. Однако у ученых существуют веские основания предполагать, что эта модель неполна. В результате предлагаются новые теории. Одной из наиболее популярных теорий является модель суперсимметрии. В рамках этой модели предполагается, что каждая элементарная частица имеет не только соответствующую ей античастицу, но и «теневого» суперсимметричного партнера, заметно большего по массе, чем сама частица. Пожалуй, самым интересным свойством суперсимметричных частиц является то, что они очень слабо взаимодействуют с окружающим нас миром.

Если на секундочку предположить, что человеческая рука сделана не из привычного нам вещества, а из частиц-суперпартнеров, то, попытавшись ударить по столу, мы бы обнаружили удивительную вещь: вместо того чтобы удариться о стол, рука прошла бы его насквозь, даже не заметив.

Есть ли у ученых какие-то основания предполагать, что эта теория имеет отношение к реальности? Да, такие основания имеются. Берутся они из астрофизических наблюдений.

Например, наблюдая за вращением галактик вокруг своей оси, ученые обнаружили, что скорость вращения остается постоянной, а не падает по направлению к краям галактик, как должно было бы быть, если бы галактики состояли только из привычной для нас материи. Как будто внутри галактик существует какая-то дополнительная «темная материя», взаимодействующая с обычным веществом только посредством гравитации. Суперсимметричные частицы являются одними из наиболее подходящих кандидатов на роль такой материи.

Любопытно, что, по оценкам ученых, обычная материя составляет всего 5% от общего энергетического баланса Вселенной. 30% приходится на темную материю, а оставшиеся 65% составляет так называемая «темная энергия».

Эта загадочная субстанция была открыта чуть больше десяти лет назад. До этого ученым было известно, что наша Вселенная расширяется, но считалось, что скорость расширения постоянно уменьшается. Рассматривался даже гипотетический конец Вселенной, когда расширение, все время замедляясь, сменилось бы сжатием. И через много миллиардов лет Вселенная снова бы сжалась в точку, как было во времена Большого взрыва. Однако в 1998 году ученые с удивлением обнаружили, что скорость расширения Вселенной не только не уменьшается, но и, наоборот, постоянно увеличивается. Это ускорение приписали существованию «темной энергии». Однако, какова природа этой энергии, до сих пор остается загадкой.

Вполне возможно, что о существовании суперсимметричных частиц мы узнаем совсем скоро. Ведь их поиск является одной из основных задач экспериментов на БАК. Прояснение природы темной энергии представляет собой более сложный вопрос, и пока непонятно, смогут ли эксперименты, проводимые на БАК, помочь нам в раскрытии этой загадки.
Дополнительные измерения и черные дыры
Согласно современным представлениям, наш мир трехмерен. Кроме того, существует дополнительная координата – время. Однако гипотезу о существовании возможных дополнительных измерений, бывшую раньше уделом фантастов, теперь всерьез рассматривают ученые. Возможно, существует четвертое пространственное измерение, а в нем – миры, аналогичные нашему.

С этой проблемой тесно связана и проблема черных дыр, и одна из «претензий» к экспериментам на БАК.

Из школьного курса физики известно, что сила гравитационного притяжения между двумя телами определяется законом F = G m1m2/r2 .

Экспериментально было проверено, что этот закон работает и тогда, когда расстояния между объектами измеряются астрономическими масштабами, и тогда, когда объекты находятся на расстоянии нескольких долей миллиметра друг от друга. Но как ведет себя сила гравитационного притяжения на меньших расстояниях? Пока ответа на этот вопрос нет.

В некоторых теориях с дополнительными измерениями предполагается, что на сверхмалых расстояниях закон всемирного тяготения сильно нарушается.

Это может привести к рождению на БАК небольших черных дыр. Не опасно ли это?

Могут ли микроскопические черные дыры, образующиеся, согласно некоторым теоретическим моделям, при работе коллайдера, уничтожить Землю? Ответ на этот вопрос – нет!

Даже если эти черные дыры появятся, они будут испаряться за время менее 10-27 секунды и просто не успеют хоть что-то поглотить. Кроме того, в космических лучах, постоянно бомбардирующих Землю, встречаются частицы с энергией, большей, чем будет получена на БАК (однако вероятность таких событий слишком мала для наблюдений, поэтому ученые строят ускорители).
Устройство БАК
Большой адронный коллайдер (БАК) – кольцевой ускоритель длиной 27 км, расположенный на глубине 100 м под землей. В ускорителе разгоняются два пучка протонов в противоположных направлениях. В каждом из пучков содержится 3×1014 протонов, ускоряемых до энергии 7 терраэлектронвольт. Много это или мало? На первый взгляд, цифра 3×1014 кажется колоссальной. Однако если посчитать суммарную массу такого количества протонов, то окажется, что она составляет всего пять десятимиллиардных долей грамма. Даже человеческий волос покажется гигантом по сравнению с такой величиной.

Однако такое ничтожное количество материи несет на себе энергию, сравнимую с энергией 400-тонного поезда, движущегося со скоростью 150 км/час.

Существуют четыре точки, в которых пучки сталкиваются. В каждой из этих точек расположено по большой экспериментальной установке, задача которых — разобраться в том, что же происходит в результате столкновений. Вот названия установок: CMS (Compact Muon Solenoid), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), LHCb (LHC «beauty» experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). CMS и ATLAS – две большие установки, основной задачей которых является открытие хиггсовского бозона и поиск «новой физики» — физических явлений, лежащих за пределами современной Стандартной модели. Установка LHCb прояснит возможную природу барионной асимметрии нашей Вселенной, то есть ответит на вопросы, почему во Вселенной осталось только вещество и куда делось антивещество. А задачей детектора ALICE является изучение кварк-глюонной плазмы – состояния материи, которое, как предполагается, существовало во Вселенной только в первые мгновения после Большого взрыва.

Название установки CMS переводится на русский язык как «компактный мюонный соленоид». На первый взгляд, оно может показаться странным: ну какой же он компактный, ведь высота и длина установки составляют 15 и 21 м соответственно. Однако CMS и вправду маловат по сравнению с его прямым конкурентом – детектором ATLAS, длина которого составляет 46 м, а высота 25 м, что сравнимо с высотой 10-этажного здания.

Детектор ATLAS является крупнейшим в мире невоенным подземным сооружением.

Несмотря на свои «скромные» размеры, CMS – самая тяжелая изо всех экспериментальных установок: её масса составляет 12,5 тысяч тонн – это вес 2,5 тысяч слонов, 30 больших самолетов или двух Эйфелевых башен.
О практической пользе фундаментальных исследований
Во-первых, практическая польза всякого фундаментального исследования проявляется с годами. Всем известен пример Булевой алгебры, которая была разработана как изящная игра мысли, а впоследствии легла в основу работы компьютеров, без которых немыслим современный мир. Известна и история Майкла Фарадея. Когда Уильям Гладстоун, канцлер казначейства Великобритании, в 1850 году, осматривая его лабораторию, задал ему вопрос о практической пользе электричества, Фарадей ответил:

«Пока не знаю, но однажды, сэр, вы обложите его налогом…»

Даже чисто научные инструменты, изначально создаваемые исключительно для нужд ученых, часто со временем находят практическое применение. Так, ускорители, придуманные более 80 лет тому назад, сначала были лишь инструментом исследований и не предполагали какого-либо практического применения. Сейчас ускорители широко используются в технике и медицине.

Аналогично протонная терапия, основанная на облучении раковой опухоли протонами, разогнанными в ускорителе, оказалась очень эффективной и безопасной для лечения ряда сложных видов рака. Этот вид терапии незаменим при раке у детей и при локализованных видах опухолей. Дело в том, что если лучевая терапия затрагивает не только клетки опухоли, но и всю окружающую ткань, то протонная терапия позволяет осуществлять точечное воздействие. Она не поражает клетки развивающегося детского организма — здоровые клетки, соседствующие с клетками локализованной раковой опухоли. Кроме того, протонная терапия незаменима и при некоторых специфических локализованных видах рака, например раке глазного яблока. Раньше единственным средством борьбы с этим видом рака была ампутация глаза. С помощью же протонной терапии излечивается 100% больных, но ампутация не требуется.

Применение в современной технике нашло даже антивещество!

Да, вы не ослышались! Использование антивещества – это не только удел писателей-фантастов и их романов о далеком будущем. Антивещество используется уже сейчас. С помощью антивещества проводится позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Этот вид томографии на данный момент позволяет получить наиболее детальные изображения человеческого тела.
Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов (напомним, что позитроны – это античастицы для электронов). Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. ПЭТ позволяет проводить комплексное исследование организма больного при низкой дозовой нагрузке на ткани.

Однако наибольшую практическую пользу приносят технологические разработки, создаваемые как побочный продукт научных исследований. Дело в том, что

ни одна частная компания (даже крупная) не может позволить себе тратить деньги на ветер и финансировать разработку технологий, про которые заранее неизвестно, будут ли они коммерчески выгодными или нет.

Такие технологии разрабатываются на деньги государства по заказу научно-исследовательских центров. Если созданная технология оказывается коммерчески выгодной, ее передают частным компаниям. Примеров таких технологий множество.

Однако, пожалуй, самый известный пример – это Web, то есть интернет в том виде, в котором его знаем мы с вами. Он был изобретен в CERN для нужд физиков. Ежегодно во время дня открытых дверей толпы туристов фотографируют посвященную этому памятную табличку, боясь зайти в соседний коридор, – там же должен быть музей? Нет, там до сих пор находятся рабочие кабинеты. Согласитесь, что уже одно это изобретение многократно окупило существование проектов CERN.