online конференции

RSS

Для чего нужен большой адронный коллайдер?

(обновлено: ), , 17072
Для чего ученые планируют использовать Большой адронный коллайдер? Насколько обоснованы катастрофические предсказания, связанные с коллайдером? Что такое «черная дыра» и может ли Земля «провалиться» в нее? Насколько Россия задействована в эксперименте и заинтересована в его результатах? На эти и другие вопросы ответили: профессор, заместитель директора Института физики высоких энергий (г. Протвино Московской обл.) (ГНЦ ИФВЭ), координатор российского участия в эксперименте ATLAS на БАК Александр ЗАЙЦЕВ; профессор, заместитель директора по научной работе НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ (ННИЯФ МГУ), координатор участия российских институтов в создании и работе БАК Виктор САВРИН; член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), член рабочей группы по изучению безопасности БАК Игорь ТКАЧЕВ.
Большой адронный коллайдер - детектор CMS


Скоро, очень скоро начнет работать Большой адронный коллайдер. Это, действительно, уникальная установка, призванная исследовать очень существенные и очень важные аспекты природы. Прежде всего, что это такое. Это такая машина, где сталкиваются протоны с энергией 7 ТэВ в каждом пучке. Создавалась она достаточно долго. Первые обсуждения были еще в конце 70-х годов. И вот, наконец, эта установка сделана, и на этом коллайдере созданы четыре экспериментальных установки для исследования этих взаимодействий. Чтобы рассказать о масштабах всего этого дела, необходимо сказать, что в двух самых больших установках, которые называются ATLAS и CMS – компактный спектрометр, - участвуют примерно по две тысячи человек. В «Атласе», скажем, это две тысячи человек из 35 институтов. И стоимость каждой из этих установок свыше полумиллиарда долларов. Предметом изучения является взаимодействие при сверхвысоких энергиях. И здесь очень важным является то, что, перейдя к энергии в 14 ТэВ, мы переходим очень важный порог. Каждый серьезный ускоритель или коллайдер строился с расчетом на некую физику, которую можно делать на этой машине. Так строился, скажем, трехГэВный ускоритель (ускоритель мощностью 3 ГэВ - ИФ) для открытия антипротонов, в Протвино, скажем, ускоритель для исследования так называемой асимптотики в сильных взаимодействий. В ЦЕРНе коллайдер для открытия Z-бозона. Вот этот вот коллайдер при энергии взаимодействия в 14 ТэВ позволит нам изучать очень важные и абсолютно новые аспекты природы. Достаточно сказать, что вопрос, который задается в связи с этими исследованиями, это вопрос о том, откуда берется масса всяких объектов, нас с вами в том числе, из чего состоит Вселенная в целом. Мы знаем, что на сегодняшний день из известных нам частиц состоит всего 4% вселенной, а остальные 96% – это нечто неизвестное. В тех экспериментах, которые мы будем проводить на этом коллайдере, мы надеемся ответить, в том числе, и на эти вопросы. Спектр задач там чрезвычайно широк и исследования эти будут продолжаться лет 20 предположительно. Но в этом году первые столкновения будут зарегистрированы, как мы надеемся, и в следующем году регулярные более менее исследования характеристик этих взаимодействий начнутся. Как мы уже слышали, на Большом адронном коллайдере будут происходить столкновения элементарных частиц. Ну и просто по определению ничего другого в этих столкновениях, кроме элементарных частиц, родиться не может. Возможно, не все знают, и следует сказать, что Большой адронный коллайдер, это не единственный коллайдер, который существует и работает на Земле. Например, в пригороде Чикаго вот уже 25 работает другой адронный коллайдер – Тэватрон. Оба коллайдера очень похожи. Энергия Тэватрона в семь раз меньше, правда. Есть также другой коллайдер в Соединенных Штатах – коллайдер тяжелых релятивистских ионов (RHIC, находится в Брукхейвенской национальной лаборатории), он уже тоже работает семь лет. Ничего принципиального с точки зрения всевозможных страшилок, которые в последнее время появились в прессе и в Интернете, между этими коллайдерами нет. На самом деле и Тэватрон, и RHIC – коллайдер релятивистских ионов, и Большой адронный коллайдер – они абсолютно безопасны. Дело в том, что в природе постоянно и повсеместно происходят столкновения частиц, ускоренных естественным образом до таких же или до еще более высоких энергий. Частицы, которые ускорены в природе естественным образом, называются космическими лучами. Поток таких космических лучей, их энергия, достоверно измерены на земле. И получается, что например, только в Солнечной системе природа-матушка уже произвела 1 миллиард полных 10-летних программ Большого адронного коллайдера. Еще раз подчеркну, что такие столкновения происходят везде, не только в Солнечной системе, и на всех других звездах, на планетах, и вот всесторонний анализ этих данных позволяет… несмотря на бомбардировку, постоянную бомбардировку этими космическими лучами, Земля, Солнце, все другие планеты продолжают существовать. И всесторонний анализ этих данных позволяет нам с уверенностью утверждать, что и Большой адронный коллайдер, и все другие ускорители – абсолютно безопасны. Я, может быть, скажу несколько слов о месте и вкладе России в этот проект. Вообще надо сказать, что сотрудничество России и Советского Союза с ЦЕРНом насчитывает уже больше 40 лет, это очень плодотворное сотрудничество, и нам многих ускорителях, которые были созданы в ЦЕРНе, наши институты, физики работали и получали очень интересные результаты. С другой стороны, в результате вот этого сотрудничества и вообще, как говорится, отношения в нашей стране, в Советском Союзе и сейчас к этой отрасли науки, дало возможность развить очень мощные ведущие научные школы, которые вот осуществляли эти исследования. И вследствие этого, были созданы специальные институты и специальные институты, и созданы школы, как я сказал, которые пользуются большим авторитетом во всем мире и признаны как действительно ведущие школы. И это не случайно, и можно привести просто пример, что в 67-м году был, в Протвино, кстати, вот откуда Александр Михайлович, был запущен ускоритель – протонный синхротрон, - который в то время в течение нескольких лет был самым мощным в мире ускорителем. Вот это показатель того, что наши школы действительно занимали ведущее положение во всем мире. И в то время на нашем ускорителе работали не только наши физики, но и приезжали физики из-за рубежа, практически из десятка стран, в том числе и из ЦЕРНа, то есть была вот ситуация несколько обратная. Ну, в последнее время, в силу экономических изменений, у нас новые установки не были построены, и поэтому пришлось нашим физикам и этим ведущим школам переориентироваться и работать на зарубежных установках. Проект БАК, идея его и начало положено было где-то лет 20 назад, и с самого начала наши физики интеллектуально участвовали в разработке и в проектировании отдельных подсистем как ускорителя, так и детекторов. Ну вот уже в 90-х годах было принято окончательное решение, что этот коллайдер будет построен, и Россия заключила специальное соглашение, протокол с ЦЕРНом об участии вот в этом проекте, и как с в создании самого коллайдера, так и всех четырех установок. Был подписан протокол на эту тему, как я сказал, и Россия уже взяла обязательства вкладывать не только интеллектуально, но и материально в эти проекты. И, если говорить о цифрах, то в этом протоколе было зафиксировано, что Россия в течение 10 лет на сооружение коллайдера и детекторов поставит оборудования на сумму 200 миллионов швейцарских франков – это достаточно большая сумма, тем более, что это решение было принято в период еще не очень стабильного финансирования и вообще экономики России. И эти обязательства были выполнены полностью, Россия вложила эти средства. Вернее, она вложила в денежном отношении меньше, но оборудования было поставлено им, наверное, на эту сумму, так была организована система финансирования этого проекта, и это было определено вот в том протоколе, о котором я говорил. Координировало эту работу Министерство науки, оно в течение последних лет переименовывалось часто, вы знаете, ну вот сейчас, вы знаете, это Министерство образования и науки, и существующее при нем Федеральное агентство по науке и инновациям. Так что в этом смысле обязательства выполнены и Россия, действительно, внесла не только интеллектуальный вклад, очень широко признанный, я бы сказал, что некоторые решения и некоторые подсистемы были разработаны, были сконструированы в России, изготовлены в российской промышленности и поставлены в ЦЕРН, и вот сейчас они уже начнут работать. Ну, материально тоже. Кроме того, нужно отметить, что большое участие в создании вот этих подсистем было со стороны промышленности российской, то есть многие заказы были размещены на российских предприятиях. Заказы были сделаны успешно. И можно привести еще такую цифру, что примерно 10 номинаций или 10 наград ЦЕРН дал нашим предприятиям за своевременное и качественное выполнение этих работ.

Спасибо за вступительное слово, но я так… приблизительно поняла, что это такое. Вы, пожалуйста, объясните, как он выглядит. Я так поняла, это какой-то международный проект? Где будет работать этот коллайдер, как он будет работать, и могут ли журналисты это все увидеть, чтобы жители страны тоже это все увидели.

Большой адронный коллайдер представляет собой кольцевой ускоритель с периметром 27 километров, который помещен на глубину примерно 100 метров. В этом кольце находятся две тысячи примерно сверхпроводящих магнитов, которые отклоняют протоны и удерживают их на кольцевой траектории. Ну, это очень все впечатляет. Если вы видите своими глазами, я это все видел. Доступ туда был раньше свободный более-менее. После того, как ускоритель начнет работать, туда спуститься будет нельзя, потому что, сами понимаете, там возможна радиация, и вообще, посторонним там находиться нельзя, это опасно. В этом тоннеле будет два встречных пучка: один будет двигаться по часовой стрелке, другой – против часовой стрелки. И в четырех местах – в точках пересечения этих пучков – частицы будут сталкиваться. Там, где находятся точки пересечения пучков, будут находиться четыре очень крупных детектора – каждый будет иметь… каждый имеет, они уже построены, очень внушающие размеры. Геометрический размер одного детектора, он, примерно, равен Собору, скажем, Парижской богоматери. И эти детекторы весят десятки тысяч тонн. Это самые большие детекторы в мире построены до сих пор. Вообще, это самый большой, самый грандиозный научный проект, который человечество до сих пор предпринимало, поэтому это международный проект, ни одна страна не в состоянии это сделать по отдельности. Когда он начнет работать? 10 сентября. Он уже, в принципе, начал работать, и пробные запуски, пробные проводки частиц уже были осуществлены в ускорителе. Но полностью частицы будут циркулировать, пробный пучок будет запущен 10 сентября, послезавтра.

Я так понимаю, что пробные запуски уже были, это были запуски на определенных сегментах коллайдера, а вот большой будет 10 сентября.

Но вообще этот вопрос не ко мне, я – теоретик. Лучше к моим коллегам, которые экспериментаторы и строили все своими руками.

Может быть, кто-то еще добавит?

Я мог бы сказать, что вообще, если вы визуально хотите представить все это, то на сайте ЦЕРНа десятки тысяч фотографий и видеофильмов по поводу вот этих всех установок. Действительно, сейчас доступ туда закрыт. Более того, вы сказали, вы из Санкт-Петербурга. Вот 5-й канал в начале этого года приезжал туда, бригада приезжала журналистов, с видеокамерой, они засняли и сделали очень хорошие репортажи для программы «Прогресс» с Лобковым. И было 4 выпуска, посвященных именно ЦЕРНу, и тогда еще детекторы были открыты, и ускоритель, поэтому съемки были натуральные. Поэтому, если кто хочет представление иметь, может найти видеозапись этих передач и посмотреть.

Вот людей, которые слово «коллайдер» услышали все-таки не сегодня впервые, интересует другой вопрос. Катастрофический сценарий. Я бы хотела, чтобы вы все-таки рассказали подробно, почему этого не может быть. Не потому, что этого не может быть никогда. Очень много сомнений, сейчас, в общем, весь мир в истерике. Что предрекают нам скептики? Это, во-первых, образование черных дыр, потом антиматерия, насколько я понимаю, и нарушение пространственно-временного континиума. Вот объясните конкретно по каждому пункту, почему этого не может быть. Спасибо.

Как я уже сказал, в природе постоянно происходит столкновение частиц с такими же или с еще более высокими энергиями. И, например, в данный момент прямо у нас над головой каждую секунду происходит столкновение частиц с еще более высокими энергиями. Скажем, ну вот говорилось, что в столкновениях частиц на БАК может открыться какой-то портал в другие измерения, может возникнуть машина времени… Ну - как мы знаем, никакие машины нам на голову не падают сверху. И никакие порталы не открываются. Ну, если разбирать конкретно эти ужастики. Черные дыры. Ну, начнем с того, что столкновение двух протонов на большом адронном коллайдере имеет энергию, равную кинетической энергии столкновения двух комаров в полете. Это меньше, чем вот хлопок в ладоши. Так? Астрофизические черные дыры, которые могли бы поглотить, засосать кого-то внутрь, имеют массу, по крайней мере, больше, чем масса Солнца. Ну и, опять же, «черная дыра» - это не какой-то магический пылесос, который может затащить, засосать в себя все с расстояния… в Интернете даже появляются высказывания, что там возникнет «черная дыра» и засосет в себя всю Вселенную. Такого в принципе быть не может. Гарантированно в центре нашей галактики находится черная дыра, очень массивная черная дыра, масса этой черной дыры равна 6 миллионов масс Солнца. И плотность звезд там очень большая, в центре галактики. Скажем, ну, понятно, она гораздо больше, чем рядом с нами, и поэтому расстояние от этой черной дыры до ближайшей звезды гораздо меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды к нам. И звезды вращаются вокруг этой звезды, которая весит 6 миллионов масс Солнца на расстоянии таком же, ну, в общем, сравнимом с расстоянием от Земли до Солнца. Скажем, если бы мы сейчас вместо Солнца поместили в центр черную дыру, она бы нас не засосала, ничего бы не произошло, мы также… мы бы, с точки зрения движения Земли ничего бы не произошло. Мы потеряли бы тепло, которое Солнце нам дает, но Земля так же продолжала бы вращаться вокруг Солнца. Чтобы попасть в черную дыру, нужно к ней подлететь очень близко. И подлететь специальным образом. Скажем, чтобы попасть в черную дыру с массой, равной массе Солнца, нужно подлететь на расстояние 10 километров к этой дыре. Теперь, возвращаясь к большому адронному коллайдеру. Энергия столкновения равна энергии двух комаров в полете. Кинетическая энергия двух комаров. Поэтому, естественно, объект, который там может родиться, он не может иметь массу больше, чем эта энергия. Поэтому то, что там может родиться, это элементарные частицы. И, если это черная дыра, то это микроскопическая черная дыра, которая должна еще вырасти, чтобы представлять какую-то опасность. Так? Теперь. В рамках хорошо проверенной общей теории относительности, черные дыры в столкновениях частиц рождаться не могут, это однозначно, в нашем четырехмерном пространстве. За последнее время появились некоторые спекулятивные, очень спекулятивные теории о том, что наш мир – многомерный. Вот в таких многомерных теориях, к которым большинство физиков относится очень скептически, образование микроскопических черных дыр, в принципе, возможно. Но, опять же, в рамках этих теорий – эти черные дыры должны испаряться. В физике микромира, если что-то может родиться, то всегда возможен и обратный процесс, он обязан существовать. Если этого не происходит, это будет обозначать фундаментальное нарушение квантовой механики, квантовых принципов, которые хорошо проверены и достоверно известны. То есть, такого в принципе случиться не может. Но скептики говорили, что – хорошо, на таких масштабах мы никогда не работали, и вот испарение черных дыр, предсказанное Хоккингом, экспериментально не наблюдалось. Кто знает, может быть, они таки и не испаряются. Вот это был аргумент скептиков. Ну, на самом деле, даже если это так, то все равно сценарий был бы такой. Черная дыра, рождаясь в столкновениях кварков, которые имеют заряды, она бы тоже обладала зарядом, тормозилась бы в Земле, и эти черные дыры постоянно рождались бы в Земле и постоянно бы накапливались. Опять же, даже если бы вот черная дыра родилась нейтральной – все равно она бы приобрела заряд, потому что она должна накопить массу, она будет сталкиваться с протонами, с электронами внутри вещества земли, и протоны, они в тысячу раз тяжелее, чем электроны, они сильнее взаимодействуют, и черная дыра поглощала бы, такая микроскопическая черная дыра поглощала бы сначала протоны, она приобрела бы положительный заряд. И, опять же, она бы затормозилась. И опять мы из существования Земли знаем, что такого случиться не может. Теперь можно представить, что эта черная дыра будет нейтрализоваться – там будет происходить квантовое рождение пар, частица с одним зарядом будет поглощаться черной дырой, дыра станет нейтральной, другая улетит, но это само по себе противоречит тому, что черные дыры не испаряются. Если такой процесс возможен, то черные дыры должны испаряться. И испарение, оно очень быстрое - черная дыра должна испариться, не долетев еще до стенок детектора, если бы она вообще рождалась. Еще я должен сказать, что это вот все спекуляции, которые, может быть, люди, далекие от физики, не очень понимают. Поэтому физики уверены, что ничего страшного случиться не может. Это нужно понимать и чувствовать. Здесь очень много накручено спекуляций. В частности, я вот еще не сказал - мы должны предположить, что мир многомерный. Но этого мало. Дополнительные измерения, они компактны, и размер этих компактных измерений должен быть очень подобран под энергию коллайдера, чтобы эти все процессы происходили. Так? Но, опять же, как устроен мир, мы не знаем. Это спекулятивно очень, физики не верят, что такая вот невероятная картина построения вселенной действительно реализуется. Но нам нужен аргумент, который бы нас убедил, что, несмотря на то, что вот… Если мы предположим эту очень спекулятивную гипотезу, этот очень спекулятивный сценарий, тем не менее, все равно это безопасно. И такие построения действительно существуют, эмпирические построения, которые не зависят от наших фантазий. Как я уже говорил, космические лучи, они бомбардируют не только Землю, но и остальные звезды, в частности, компактные, очень плотные звезды, и даже если бы черные дыры, рождаясь в космических лучах, улетали бы из Земли, они обязательно застревали бы в таких звездах, скажем, как белые карлики. Черная дыра там такая же. Но вещество белого карлика плотнее, чем вещество земли, поэтому все процессы будут идти быстрее. И можно однозначно из фундаментальных физических принципов показать, что, если бы вот такой сценарий реализовался, то Земля жила бы в 10 тысяч раз дольше, чем белый карлик, после того, как такая черная дыра туда попадает. А мы знаем из наблюдений, это тоже достоверно известно, что возраст белых карликов равен 1 миллиард лет. Поэтому, даже в этом гипотетическом и совершенно невероятном сценарии гарантировано, что Земля будет жить в тысячу раз больше. Ну, антиматерия, вообще не понимаю, причем здесь. Антиматерия к глобальной катастрофе в принципе привести не может. Античастицы, конечно же, всегда рождаются в столкновениях частиц на любом коллайдере, они рождаются, они … это микроскопические процессы, которые всегда происходят.

А как вы можете понять, что родится новая частица, не изученная, которой нет в природе, что она может сделать? Понимаете, насколько я правильно ли понимаю, цель этого эксперимента – узнать, что будет.

Ну, мы знаем, как устроен мир сейчас. Правильно? И можно предположить все возможные сценарии, которые не противоречат нашим знаниям, и это было сделано. И вот в рамках этих сценариев, даже предполагая совершенно немыслимые построения, о которых я говорил, они реально очень далеки, эти спекуляции, от того, что физики думают о том, как устроен мир, тем не менее, можно показать, эмпирически можно показать, что катастрофа невозможна. Ну, я не знаю, может быть полезно провести такую аналогию. Когда впервые взрывали атомную бомбу, возникали опасения, что может произойти цепная реакция в атмосфере и Земля последует за этим атомным взрывом. Был произведен соответствующий анализ процессов и было показано, что это невозможно, цепная реакция не возникнет. Но никто не рассматривал, например, возможность, что при этом взрыве, скажем, вся вода в океанах превратится в серную кислоту.

То есть коллайдер так же безопасен, как атомная бомба?

Ну, он более безопасен. На самом деле, шутить с атомным оружием не стоит и не следует. А коллайдер, он… это очень безопасная машина. Что может произойти на коллайдере? Может произойти, в принципе, техногенная катастрофа, если пучок выйдет из-под контроля. Но в этом случае будет разрушена установка, которая очень дорогостоящая установка, и это будет очень жалко и очень печально. Коллайдер – это кольцо, расположенное на глубине 100 метров под городом Женева, прямо, скажем, под международным женевским аэропортом. И местные жители… Я сам снимал квартиру прямо над кольцом в Женеве. И никто не беспокоится. Даже о техногенной катастрофе.

Сколько лет будет работать коллайдер, как его будут модернизировать, если это долгосрочная работа?

Действительно, этот коллайдер существенно больше тех, что делалось раньше. И на нем можно решать задачи, которые раньше невозможно было даже содержательно поставить. Могу привести такой простой пример, аналогию, если позволите. Вот мы можем изучать воду при температуре 20 градусов, ну, мы это обычно делаем, пьем ее, скажем. Если внимательно на нее посмотреть, мы увидим там пузырьки некие, и, проводя эксперименты при температуре 20 или 30 градусов, мы можем, вообще говоря, предсказать, что где-то в районе 100 градусов случиться нечто важное – наверное, она закипит. Вот примерно в таком же состоянии к физике элементарных частиц мы находимся сейчас. При энергии 1 ТэВ мы ее изучили, мы видим эффект, и большое количество эффектов, и мы их понимаем, как мы считаем. И наше понимание позволяет нам с уверенностью говорить, что при энергиях элементарного взаимодействия масштаба 1 ТэВа произойдет нечто фундаментально важное, такое же, как закипание воды при нагревании до 100 градусов. Порог этот известен, это 1 ТэВ в системе центра масс. Вот когда мы сталкиваем 7 ТэВ с одной стороны и 7 ТэВ с другой, то элементарные процессы происходят при энергиях несколько меньших, потому что протон, он сложно устроен, там три кварка, скажем, глюоны летят, и энергия элементарных взаимодействий примерно в пять раз меньше. Но она с гарантией превосходит ту энергию 1 ТэВ, которая нам нужна для понимания той новой физики, которая с неизбежностью должна там быть. В этом смысле это объект, совершенно ясно, зачем созданный, вот этот вот Большой адронный коллайдер, и, безусловно, он откроет нечто фундаментально важное. И мы не вполне понимаем, какая физика там будет, но, как правило, при переходе к более высоким энергиям, появляются новые физические законы, в некотором смысле более простые, чем те, с которыми мы при низких энергиях сталкиваемся. Ну, подобно тому, как свободные молекулы, которые вот появляются в результате кипения воды, ну, они свободные и простые, в отличие от каких-то образований, которые в стакане воды есть. Это первое. Далее. Существенным параметром коллайдера является не только его энергия, вот в 14 тераэлектронвольт в нашем случае, но и так называемая светимость – это некая характеристика, которая говорит нам о том, как часто частицы там сталкиваются. Так вот, при номинальной интенсивности пучков, которая сейчас спроектирована, и при тех размерах пучков, которые там будут - а это, надо сказать, несколько микрон всего, 20 микрон размеры пучков, очень маленькие, и друг в друга впадают, надо сказать, - эта светимость будет такой, что взаимодействия будут происходить в количестве 1 миллиардов в секунду. Это высокая светимость. Но, ускорительная техника прогрессирует, и детекторы все лучше становятся, поэтому сейчас видно, что еще на порядок, примерно, по крайней мере, эту светимость можно повысить. Так что, в течение следующего года начнутся какие-то работы с этими пучками, затем, в течение примерно пяти лет будет достигнута номинальная светимость, и уже сейчас обсуждается программа модернизации и этого коллайдера, и физических установок для светимости в 10, а скорее в 50 раз больше той, на которую сейчас все это дело спроектировано. Ориентировочно это произойдет, вот этот вот переход к новой светимости, где-то в 2016 году или чуть позже, может быть. Так что в целом вся эта программа больше, чем на 20 лет рассчитана. Это одна сторона дела. Другая сторона дела состоит в том, что коллайдер этот адронный - сталкиваются там протоны, сильно взаимодействующие частицы. Слово «адрон» - оно произошло от соответствующего греческого слова, как многие физические термины, означающего – крепкий, сильный. Наверное, если проследить этимологию слова «ядро» или «адрон», или имя такое есть Адриано (Челентано), они все вот от этого корня – сильный, крепкий – hard по-английски, да. Вот эти частицы сильно взаимодействующие. Мы из них состоим в основном – это протоны и нейтроны. И вот там сталкиваются протоны. Это частицы, к сожалению, достаточно рыхлые и взаимодействуют с большими сечениями. Поэтому, помимо тех процессов, которые нас интересуют, в огромном числе происходят не интересные для нас процессы, которые мы знаем и которые происходят на сравнительно больших расстояниях. Поэтому эти вот адронные машины хороши для поиска новой физики, но не оптимальны для ее детального изучения. В связи с этим уже сейчас и весьма интенсивно обсуждаются проекты линейных коллайдеров, разных линейных коллайдеров, где ускоряются электроны - а электроны, это более элементарные частицы, чем протоны, скажем так, - на которых вся эта физика, о которой мы в той или иной степени узнаем на большом адронном коллайдере, будет изучена более детально. Поэтому, конечно, все это постижение природы, оно не остановится на Большом адронном коллайдере, это шаг, но я подчеркнул бы исключительную важность этого шага. И я еще раз хотел бы сказать, что вот на сегодняшний день, вот мы знаем – протоны, электроны, там еще что-то, - и предыдущая наука, она как бы формировала наши знания по принципу матрешки: ну вот есть молекулы, потом атомы, потом ядра, ядра из протонов и нейтронов, нейтроны… протоны состоят из кварков, - ну от такая какая-то иерархическая структура. Сейчас мы как бы задаем вопросы совершенно другого характера – откуда масса взялась вообще, что есть масса энергии. И, в некотором смысле даже надеемся ответить на вопрос, и это вполне содержательно обсуждается, на вопрос о том, из чего вообще вся наша вселенная состоит. Это факт же исключительно интересный. Мне кажется, журналистов он должен волновать больше гораздо, чем, скажем так, черные дыры, про которые мы знаем, что они, так сказать, вреда нам не принесут. А факт состоит в том, что все вещество, известное нам, подобное тому, из чего состоим мы, это не более чем несколько процентов существующего во вселенной вещества, а остальные 95 или 96% - это нечто вообще не изведанное. Из чего состоит вселенная - это поразительно, - после 2 тысяч лет развития науки – мы не знаем. И на Большом адронном коллайдере мы надеемся существенно продвинуться в понимании, в частности, этого важного вопроса.

Давайте начну со скучного вопроса. Вот сейчас, 10 сентября, будет пробный запуск. Потом, допустим, в следующем году, состоится запуск с полной энергией. Потом еще какое-то время будут анализировать результаты. Когда можно ждать первых содержательных результатов? Ну, вот, например, ищут бозон Хигса. Когда, по самому оптимистичному сценарию, может появиться новость о том, что его, скажем, нашли. Спасибо.

Если позволите, я продолжу как бы. Вот руководитель работ по Большому адронному коллайдеру Лин Эванс как-то сказал, что мы в нашем проекте не предусмотрели красной кнопки, которую вот так вот можно нажать и запустить этот коллайдер. Это большой и длительный процесс. И вы правильно в целом его описали. Могу сказать, что вот каждая ошибка или каждая модернизация, каждое изменение, каждый сбой стоит очень дорого. Потому что вся эта машина сверхпроводящая, и если представим себе, что где-то что-то там прохудилось, там потек гелий куда-нибудь не туда, значит сектор соответствующий, а их восемь, надо отеплять, дырку эту заварить, потом захолодить, залить, извините, 25 тысяч тонн азота, очень много жидкого гелия, довести этот жидкий гелий до сверхпроводящего, потом до сверхтекучего состояния, до температуры 1,8 градуса, и на все это дело уйдет 2-3 месяца. Поэтому вот конкретная процедура уже запуска ускорителя и выведение его на номинальные параметры, может занять длительное время. Могу сказать, что здесь есть опыт, другие коллайдеры достигали своих базовых характеристик за 2-3 года. Поэтому, если говорить о первых публикациях, об обзоре характеристик взаимодействия при сверхвысоких энергиях, какая там множественность, распределение по энергиям, еще что-то, то здесь вполне реально, мне представляется, ожидать каких-то высказываний к концу следующего года. Если же говорить о каких-то первых результатах по хигсовскому бозону, для чего нужна светимость, ну, 10 в 31-й там неких единиц - это, скорее, 2010 год.

У меня вопрос, связанный с предыдущим вопросом. Вы не могли бы поточнее описать, какие эксперименты ожидаются в ближайшее время. То есть, вы в общем говорите, из чего устроена вселенная, вот бозон Хигса этот пресловутый, а не могли бы вы описать, какие планируются вот более конкретные эксперименты, и там есть расписание какое-то, и что важно, российское участие планируется ли в каких-то конкретных экспериментах, или у нас какие-то свои идеи на этот счет? Или мы будем совместно с коллегами из других стран? Спасибо.

На этом коллайдере, как уже сказали, четыре места встречи – там, где пучки сталкиваются друг с другом, - и, соответственно, четыре установки созданы. Две из них – это большие универсальные установки, нацеленные на изучение всевозможных аспектов взаимодействий вот этих вот частиц при сверхвысоких энергиях. И в этом смысле эксперимент там выглядит не так, как в химии или в биологии, когда вот из стакана одного наливают, из пробирки другой, как-то смешивают и смотрят, что получится. Эксперимент состоит в том, эта установка запускается, она видит почти все или все, что может там происходить, и идет набор статистики. Люди там дежурят, в том числе и российские ученые занимаются этим, и вот эти вот данные поступают, будучи обработанными, отфильтрованными должным образом, упакованными, поступают в соответствующие вычислительные центры на соответствующие носители, и текут в разные страны по всем концам. Базовой здесь является система ГРИД так называемая, это новая технология, которая, в каком-то смысле является следующим шагом по отношению ко всем нам хорошо известному Интернету, и смысл ее состоит в том, что вот интернет, он дает с вами как бы доступ к информации, а ГРИД, он дает доступ не только к информации, он дает доступ к вычислительным мощностям, к программам, ко всему, чему угодно, что содержится в компьютерах, включенных в эту систему. Так что участники экспериментов, они о объединены вот этой вот системой ГРИД, в частности, Россия участвует в этом проекте очень интенсивно. Данные эти растекаются по всем участникам экспериментов, и там обрабатываются. От момента получения данных от поступления какой-то информации до момента получения физического результата – проходит от нескольких месяцев до 10 лет, скажем так. Разные бывают уровни сложности, разные проблемы там возникают. Но вот эксперимент выглядит таким образом, что установка постепенно запускается, включаются разные ее части. И это происходит прямо сейчас – сейчас люди днем и ночью сидят там, на этой установке, запускают разные ее элементы, проверяют, регистрируют, заботятся о системах сбора данных, развивают процедуру обработки, и как бы к концу года все это заработает более-менее когерентно, когда начнутся все эти взаимодействия. Вот что произойдет 10 сентября, действительно, полезно сказать. Уже как бы пучок проводился и по часовой стрелке, и против часовой стрелки – по некоторым секторам. Вот теперь должен крутиться, пучок этот должен начать крутиться в этих магнатах, в этих коллайдерах и по часовой стрелке, и против часовой, но крутиться на уровне инжекции, подчеркиваю, это 400 ТэВ всего-навсего, там не будет этих 7 ТэВ в каждом кольце с самого начала. Надо сначала покрутить пучок в ускорителе, понять его динамику, понять характеристики пучка, понять характеристики ускорителя, и затем потихонечку уже заняться повышением энергии этих пучков. Так что эксперимент выглядит как непрерывная монотонная - ну, в какой-то мере, монотонная, - как непрерывная монотонная работа в течение 20 лет. Теперь о российских физиках. Как все мы говорили уже, уже больше 20 лет всему этому делу, и на уровне формулировки, концепции этих физических установок, на уровне формулировки физической программы, на уровне развития базовых теоретических идей, которые, ну, как бы мы все здесь будем исследовать в какой-то мере, российские ученые внесли посильный вклад, в отдельных местах он существенный. И мы будем продолжать это делать как сидя там, в Женеве, так и, главным образом, сидя у себя дома и занимаясь вот этой физикой. В проекте ATLAS, например, участвует 7 институтов российских и Объединенный институт ядерных исследований. Я бы не стал здесь формулировать такие понятия как головной институт, это может быть обидно тем, которые не будут названы головными. Но могу сказать, что все крупные организации, занимавшиеся и занимающиеся физикой высоких энергий, участвуют в проекте Большой адронный коллайдер. Например, в эксперименте ATLAS, это – Институт физики высоких энергий в Протвино, это НИИЯФ МГУ, это Московский инженерно-физический институт, это ФИАН, это Гатчина, Новосибирск, ИТЭФ (Институт теоретической и экспериментальной физики) и Дубна – восемь институтов в сумме. Разные институты разный вклад внесли, но каждый их них там значим, и в целом вклад России признан и, я бы сказал, что этот проект следует рассматривать, на мой взгляд, как вполне успешный, в этом отношении по крайней мере.

Существует формула: вкладывается 1% государства в фундаментальную науку на 50-100 лет; 10% - прикладную на 10 лет и 100% - производство, которое приводит к инновационному развитию. Вот атомная физика – это инновационное развитие государства. Вы можете перечислить фундаментальные направления, в которые нужно сейчас вкладывать вот этот 1%? Спасибо.

Ну, вообще, надо сказать, что цель этого проекта – Большой адронный коллайдер – это цель чисто фундаментальная, получение фундаментальных знаний. Специально никаких целей для прикладных исследований или, тем более, коммерческих целей в этот проект не вкладывается. Хотя, надо сказать, что, безусловно, создание таких установок экспериментальных - и ускорителей, и детекторов, - ведет к появлению новых высоких технологий, безусловно, в промышленности. Поскольку требования к этим установкам очень высокие, то, следовательно, и материалы, и электроника, и другие компоненты этих установок должны быть высокого уровня – очень высокого, небывалого, скажем так. И это влечет за собой развитие технологий, которые могут быть использованы и в других областях. Это вот такой аспект. Да, есть даже такое выражение, что физика высоких энергий является локомотивом развития высоких технологий. То есть требования вот именно в этой области таковы к материалам и ко всем другим компонентам, что они приводят, вынуждают создавать, изобретать новые технологии, которые, безусловно, будут использованы и других, так сказать, отраслях. Ну вот, пример уже такой расхожий, я бы сказал, это всемирная сеть, всемирная паутина, как мы говорим – www, - которая была создана в ЦЕРНе и именно по запросу физики высоких энергий. Можно много примеров привести, когда вот такой процесс происходит. С другой стороны, действительно, куда надо вкладывать деньги и какой может быть выход уже как бы в народное хозяйство или в какие-то новые технологии, и на каких масштабах времен. Надо сказать, вот сейчас особенно, в последние годы, бурно развиваются так называемые нанотенологии – везде, во всем мире. И прогресс там колоссальный, и изобретается и в биологии, и в химии, и новые материалы, в общем, охвачены многие отрасли хозяйства и жизнедеятельности человека. Но, надо сказать, что фундаментальные основы вот этих нанотехнологий были заложены 100 лет назад, когда была создана квантовая теория, на основе ее. И тогда никто не помышлял и не думал о том, что мы придем вот к такому развитию нанотехнологий. Действительно, именно на основе квантовой теории была атомная физика, молекулярная физика развита. И вот сейчас, через 100 лет, мы достигли уровень, технологический уровень общества всех стран развитых достиг такого уровня, когда мы можем эти фундаментальные знания уже воплощать в какие-то практические изделия, там лакокрасочные покрытия, ну, знаете, что такое нанотехнологии, там биодобавки и так далее. Поэтому мы не исключаем – ну, это пока фантазии, но фантазии, основанные на истории развития науки, - что те знания, которые мы получаем сейчас в микромире, они будут каким-то образом использованы для какого-то вот практического применения. Через сколько лет – не знаю. Ну, через 50 или через 100, а, может быть, и через 200. И поэтому на этой шкале, если мы сейчас достигли уровня технологического в нанотехнологиях, то те знания, которые мы получаем из физики высоких энергий, физики элементарных частиц, могут и, скорее всего, будут основой для пикотехнологий и фентотехнологий. Это вот по той же шкале: нано – от слова 10 в минус 9-й, потом 10 в минус 12-й, 10 в минус 15-й. И, действительно, те процессы, которые мы будем изучать на коллайдере, это уже на уровне 10 в минус 15-й сантиметра, 10 в минус 17-й даже, может быть. Поэтому не исключено, что когда-то эти фентотехнологии придут на помощь человеку, чтобы создавать какие-то совершенно небывалые свойства материалов и других предметов, необходимых в жизни. Я бы хотел еще по поводу ГРИДа сказать, как в продолжение. ГРИД – это такая система распределенных вычислений. И вот Александр Михайлович совершенно правильно сказал, что, когда начнется обработка данных, то, в общем-то, ученые будут сидеть у себя дома и обрабатывать эти данные. Вот на это нацелена эта система. То есть, огромный поток информации, который пойдет с детекторов, а с одного детектора будет поток информации, равный примерно всей информации, которая сейчас находится в Интернете в мире, это колоссальный поток, поэтому нужна быстрая электроника, которая снимает эту информацию, нужны специальные хранилища этой информации и так далее. А дальше ее надо обрабатывать. Так вот, оказывается, в этой области, в отличие, может быть, от других, никакой суперкомпьютер вам не поможет, нужна распределенная система проведения этих вычислений – только она может обеспечить сбор и обработку вот таких потоков информации. То есть, опять же, хотя и ГРИД как глобальная система мыслится в будущем использоваться везде и всюду, ну, так же, как интернет – физики его изобрели (я имею в виду всемирную паутину), а сейчас им пользуются все – и домохозяйки, и все школьники и так далее, в детском саду уже. Так и это то же самое. Мыслится, что в целом будет глобальная такая система. Но локомотивом, повторяю, развития именно этой системы является проект – Большой адронный коллайдер, - именно здесь сделан колоссальный прогресс, и эта система уже существует и работает, хотя еще не начался сбор данных, она уже подготовлена к этому. Смысл ее состоит в том, что физик, имея какую-то задачу, и он должен ее решить, по обработке данных и изучению того полезного сигнала, который интересен физикам. Он у себя – я немножко упрощаю, - у себя на персональном компьютере на рабочем месте, а может быть и дома, запускает эту задачу. И дальше система построена так, что он не знает и не узнает, куда эта задача пошла, я имею в виду весь земной шар. То есть, по всему земному шару во всех странах будет установлены специальные вычислительные центры распределенные, которые предоставлены любому физику, участвующему в эксперименте вот через персональный компьютер. И дальше эта система сама ищет, где есть свободный ресурс, во-первых, во-вторых, где есть соответствующее программное обеспечение, которое может конкретно эту задачу решить. Находит – посылает туда. Это может быть, вы сидите в Москве, это может быть в Японии, в Соединенных Штатах, где-то в Европе. Дальше, когда эта задача решена, ну, конкретная частная задача, она возвращается к нему обратно, к этому физику, и он получает решение. Вот такая вот система. Поэтому нет необходимости всем физикам, которые будут заниматься обработкой, скажем, сидеть в ЦЕРНе у какого-то, так сказать, дисплея или монитора, или большого компьютера, а вот так вот все работают распределенным образом, и потом все это сводится вместе и получается уже конкретный результат. Отсюда это название и появилось. ГРИД – это вообще сеть, сетка. Это название пришло из Америки, где таким словом называют энергетическую систему – ну, так же, как у нас единая энергетическая система есть. Вы же, включая, скажем, утюг в розетку, не знаете, откуда эта электроэнергия пришла туда – с Красноярской ГЭС или еще откуда-то. Вот она откуда-то пришла, потому что все это в единой системе. Точно так же и вычислениями. Так что вот это очень интересная технология.

У меня полтора вопроса и, наверное, к Игорю Ивановичу оба как к теоретику. Вот если темная материя, темная энергия, это такие вещи, которые очень слабо взаимодействуют с известной нам формой материи, с обычным веществом, то почему физики рассчитывают, что коллайдер, который предназначен для того, чтобы ускорять вещества обычными взаимодействиями, каким-то образом приведет к пониманию свойств темной материи? И второй вопрос по поводу того, чего хотят вообще физики, что рассчитывают физики увидеть нового? То есть, вот считается, что примерно 30 лет сейчас нет ни одного такого ниспровергающего основы экспериментов в физике микрочастиц, то есть вот стандартная модель идет-идет-идет, и никакого эксперимента, который бы ей противоречил, нет. И, соответственно, на жизни нынешнего поколения физиков такого даже эксперимента не было. Вот что планируют увидеть ученые физики, особенно теоретики, естественно, вот именно там, за гранью, за этим ТеВом, 14 ТеВами, может быть?

Вы правильно сказали. Действительно, мы имеем в руках стандартную модель, которая прекрасно все описывает, и вот мир, который вокруг нас, он очень сложный, а на фундаментальном уровне он оказывается очень простым. Эта стандартная модель описывает результаты всех предыдущих экспериментов, на ускорителях в частности, но эта стандартная модель не полна. Последний кирпичик, который еще экспериментально был не найден, это вот поле Хигса, который дает всем массу… Это то, что мы ожидаем, то что мы найдем, но это все в рамках стандартной модели. Но даже и без поля Хикса стандартная модель не полна, вы правильно сказали, мы совершенно твердо знаем, что во вселенной есть темная материя, есть темная энергия, и элементы вот эти вот, они должны быть вне рамок стандартной модели. Внутри стандартной модели места для темной материи нет. Ну, откуда мы узнаем, скажем, что темная материя может рождаться на Большом адронном коллайдере. Как устроен мир за пределами стандартной модели, мы не знаем. В частности, одна возможность, которая очень давно обсуждается, очень красивая возможность, это возможность суперсимметрии – это когда у каждой частицы есть суперпартнер: у фотона есть фотина, у электрона есть скалярный электрон супер-партнер, и так далее. Вот. И, если мир устроен таким образом, то мы это увидим на Большом адронном коллайдере, суперсимметрия будет открыта и, кстати, суперсмметрию открыть, может быть, будет даже легче, чем частицу Хигса, и даже быстрее это произойдет, если она реально реализуется в природе. Параметры модели, в которой есть суперсимметрия, будут измерены. И вот в рамках этой суперсимметричной теории место для темной материи уже есть. Частицы темной материи, которые возникают в теориях суперсимметричных, называются вимпы – слабо взаимодействующие массивные частицы. Если мы увидим, что мир устроен именно таким образом, что в нем есть место вимпам – ну, тогда будет как-то странно думать, что темная материя и еще другая… А непосредственно увидеть, конечно, будет очень трудно частицы темной материи, только опосредованно, как вот нейтрино мерилось, там, скажем, 40 лет назад. Что еще может быть, помимо суперсимметрии? Ну, например, как вот я говорил, в последнее время появились спекуляции, что мир многомерный. Это будет очень радикальным и коренным пересмотром наших представлений о вселенной, если это действительно так. И это тогда определит вообще направление развитие физики, если мы увидим, что мир многомерный, на ближайшие 100 лет как минимум. Ну, как я уже говорил, даже если мир многомерный – это безопасно. Черные дыры, которые будут рождаться в многомерном мире, они опасности не представляют. Но вот мы будем это изучать.

Говорилось уже, что бозон Хигса, если он будет найден, он позволит понять, как масса присутствует в элементарных частицах. Насколько я понимаю, там, если нет бозона Хигса, то массы не должно быть. А я хотел спросить, а как связано вот это представление о массе с гравитацией. У меня возникло такое впечатление, что они не связаны в этой теории. Или как?

Они никак не связаны. Нужно объяснить, как масса возникает за счет взаимодействия с полем Хигса, да? В общем, вся Вселенная, по современным представлениям, она заполнена полем Хигса. И любая частица, которая движется в этом поле, она приобретает массу вследствие взаимодействия с этим полем. Без этого поля все частицы в стандартной модели были бы безмассовыми. Ну, а к гравитации это никакого отношения не имеет в стандартной модели. Ну, гравитация… Все массивные тела, они взаимодействуют друг с другом гравитационным полем. Массивные тела искривляют пространство и время. А масса приобретается за счет взаимодействия с полем Хигса. Это два совершенно независимых компонента. Физики мечтают, конечно, построить единую теорию всех взаимодействий. Вот стандартная модель, она объединяет слабые электромагнитные взаимодействия, и похожим образом устроены сильные взаимодействия. Но есть теории, успешно построенные, но пока экспериментально не подтвержденные, в которых объединены очень красивым образом сильные и слабые электромагнитные взаимодействия все вместе. И есть теории, конечно, еще более далекие от экспериментальной проверки, где и гравитация тоже выступает единым целом с этими компонентами стандартной модели. Ну, и там могут возникать какие-то связи. А в рамках стандартной модели это совершенно два независимых элемента.

 

online конференции

Обсуждение

    • Все
    • США

    Новости

    • Свежее
    • Популярное
    • Обсуждаемое
    Партнеры