Эксперименты на коллайдерах
Физик Павел Пахлов объясняет, что происходит с частицами на ускорителях и как изучать структуру вакуума
Постичь законы природы, опираясь лишь на математику, логику или философию, было бы весьма заманчиво, однако многовековой опыт человечества показывает, что сила мысли позволяет разгадывать тайны, лишь имея солидную базу экспериментальных подсказок. Со времен Галилея ученые не стесняются искать эти подсказки, задавая вопросы природе («А что произойдет, если сделать так-то и так-то?») и не сомневаясь, что природа не слукавит и всегда даст честный ответ. А дальше именно наша сообразительность — математика, логика и просто интуиция — позволяет истолковывать результаты эксперимента. Такой подход оказался исключительно продуктивным: со времен Возрождения естествознание, опираясь на эксперимент, развивалось и продолжает развиваться фантастическими темпами, принося огромные блага для всего человечества.
И все же точка в наших исследованиях природы еще не поставлена. Мы знаем много, но далеко не все о том, как устроен мир. Уже более 40 лет в физике микромира главенствует так называемая Стандартная модель — теория, позволяющая точно описывать физические явления на малых расстояниях (до одной тысячной размера протона). Сегодня физики убеждены, что Стандартная модель, оставаясь правильной теорией для своего диапазона расстояний, не сможет работать на меньших расстояниях. Что произойдет дальше (вернее, ближе), не знает никто, существует лишь множество догадок, как модифицировать теорию, чтобы она продолжила работать.
Более 70 лет основную информацию о законах природы физики получают из ускорительных экспериментов. Во многом эти эксперименты напоминают микроскопы, позволяющие разглядеть мелкие детали, недоступные нашему глазу. Каждый раз, когда удается улучшить разрешение микроскопа, открываются новые явления. Вспомним, как три с половиной столетия назад Роберт Гук с помощью усовершенствованного им микроскопа впервые увидел клетки в срезе пробкового дерева, а спустя несколько десятилетий Антони Левенгук, улучшив увеличение микроскопа еще почти в десять раз, открыл одноклеточные организмы, эритроциты крови и многое другое.
Оптические микроскопы имеют предел разрешающей способности: мельче какого-то расстояния (примерно размер атома) изображение начинает размываться, и ничего с этим поделать нельзя. Картинка станет четче, если перейти из оптического диапазона к меньшей длине волны фотонов, то есть к большей энергии. Чтобы, к примеру, разглядеть структуру атома, нужны на много порядков более энергичные, чем оптические, фотоны. Вот только где их взять? Оказывается, вместо фотонов можно использовать заряженные частицы. Чтобы увидеть атомное ядро, Эрнест Резерфорд использовал альфа-частицы (ионы гелия) от ядерных распадов — в то время ускорителей еще не было. Энергия альфа-частиц составляет несколько мегаэлектронвольтов, в то время как энергия оптического фотона всего около 1 электронвольта. Спустя 50 лет с помощью электронов, разогнанных уже в ускорителе до энергии в несколько десятков гигаэлектронвольтов (миллиард электронвольт), удалось рассмотреть кварки внутри протона.
В современных ускорителях пучки частиц — протонов, электронов или их античастиц — с помощью электрического поля ускоряют до колоссальных энергий, с помощью магнитного поля пучками управляют (поворачивают и фокусируют), а затем сталкивают в определенной точке. По своей технической сложности и насыщенности передовыми технологиями исследовательские ускорители превосходят космические корабли. Судите сами: провести частицу, летящую почти со скоростью света, по многокилометровому кольцу надо с микронной точностью, а задача усложняется тем, что в пучке таких частиц миллиарды, они начинают друг на друга влиять. Не будучи специалистом в ускорительной технике, скажу, что я снимаю шляпу перед теми, кто умеет разрабатывать и строить эти фантастические приборы. Место столкновения окружают сверхчувствительные детекторы, регистрирующие все, что происходит. Это «все» представляет собой множество частиц, рожденных в столкновении, а чтобы восстановить картину по измерениям в детекторе, требуется немалый труд — и талант! — экспериментаторов.
Что происходит во время ускорительных экспериментов?
Как ни странно прозвучит мой ответ, но в этих экспериментах, обошедшихся налогоплательщикам в немалые деньги, не происходит почти ничего такого, чего не происходило бы во Вселенной и без нашего участия. Скажем, в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН, стоившем более 6 миллиардов долларов, сталкивают протоны с энергией почти 10 тераэлектронвольт (триллион электронвольт). Но протоны гораздо большей энергии производятся самой природой и неизбежно сталкиваются с протонами вещества, а энергия в системе центра масс таких природных столкновений может достигать значений даже больших, чем достигнутые на БАК. Поэтому не следует опасаться, что в результате ускорительных экспериментов произойдет что-то ужасное: если бы глобальные катаклизмы могли произойти из-за неосторожного обращения с энергичными протонами, они бы сплошь и рядом случались во Вселенной. И хиггсовский бозон, открытый на БАК, многократно рождался в нашей Вселенной, однако без построенного ускорителя и детекторов мы не были в этом уверены и тем более не могли определить его свойства. Прелесть ускорительных экспериментов в том, что наблюдатель заранее знает, где и когда может произойти что-то интересное, и «подставляет» туда свой глаз-детектор.
Что было открыто на ускорителях?
Хотя в основу создания Стандартной модели легли по большей мере результаты доускорительных экспериментов, ее изучение проводилось в основном на ускорителях. Стандартная модель — это скорее не теория, а каркас, в который можно вставлять разные элементы. Угадать, сколько этих элементов создала природа и какими они получились, без эксперимента непросто. Именно благодаря экспериментам на ускорителях физики узнали, сколько существует поколений кварков и лептонов, каковы их массы, как они взаимодействуют с частицами полей и каковы свойства самих полей. За этим стояли десятки экспериментов и сотни открытий на них! Наконец, последняя недостающая в Стандартной модели и давно ожидаемая частица — бозон Хиггса — была найдена в 2012 году в экспериментах CMS и Atlas на Большом адронном коллайдере. Это громкое открытие позволило узнать последний свободный параметр Стандартной модели — константу самодействия хиггсовского поля, определяющую степень «любви» этого поля к самому себе.
В ускорительных экспериментах была обнаружена и к настоящему времени детально изучена структура протона. Составную природу протона открыли в конце 60-х годов прошлого века на линейном ускорителе в Стэнфорде. А чтобы заглянуть внутрь протона максимально глубоко и выяснить, что его структура намного сложнее, чем набор из трех кварков, специально был построен ускоритель HERA в Германии. Окончательные результаты экспериментов на этом ускорителе представлены в 2015 году, они дают наиболее точную картину протона, важную для понимания фундаментальных свойств материи.
Какие будущие исследования и открытия стоит ждать от коллайдеров в будущем?
На ускорителях изучают, какие законы физики работают на микроскопических расстояниях, структуру известных элементарных (элементарных ли?) частиц и структуру… вакуума. Как это ни кажется парадоксальным, но самым загадочным объектом в современной теории остается вакуум. С открытием квантовой механики ученые осознали, что вакуум не мертвая пустота — напротив, в нем кипит бурная жизнь. А Стандартная модель продемонстрировала, что жизнь эта кипит в специальной среде — хиггсовском конденсате.
Помните, в старом советском фильме «Маленькие зверушки Антони ван Левенгука» с Александром Калягиным в главной роли дочь Левенгука, обращаясь к отцу, восклицает: «И зачем все это нужно?… Не понимаю, что можно искать в чистой дождевой воде? Ну что может быть в воде кроме воды?» А ученый, десятилетиями оттачивающий свое искусство шлифовки линз, находит в дождевой капле неведомый доселе целый мир микроскопических зверушек, живущих своей жизнью и мало заботящихся о нашем существовании. Так и современные ученые надеются обнаружить новый «зверинец» в дополнение к уже известному «зоопарку» элементарных частиц. Каким он будет, мы, возможно, скоро узнаем: в этом году БАК начал набирать данные на существенно большей новой энергии пучков, через год заработает супер-В-фабрика (коллайдер сверхвысокой светимости для рождения и изучения В-мезонов), а в планах ближайшего десятилетия — строительство и запуск Международного линейного коллайдера.
Какие задачи позволяют решать ускорители?
Помимо решения задач фундаментальной науки, сегодня ускорители используются во многих областях промышленности и медицины. Промышленные ускорители не столь дороги, как исследовательские: они меньше, а главное, в них заложены уже проверенные на исследовательских ускорителях технологии. Ускорители как источники быстрых нейтронов и ионов часто используют для определения радиационной стойкости материалов, предназначенных для работы в условиях облучения, — конструкционных материалов ядерных реакторов или космических кораблей. А в полупроводниковых технологиях образование радиационных дефектов является полезным свойством: в этой области ускорители используются для ионной имплантации в поверхность полупроводника для создания зон примесной электропроводимости. На ускорителях получают радионуклиды и радиофармпрепараты для медицины, трековые мембраны для химической и пищевой промышленности и развития биотехнологий. Ускорители используют и в совершенно прозаической области — для биологической дезактивации и химического преобразования промышленных отходов. Но, наверное, самое широко известное и благородное применение ускорители нашли в медицине для лечения злокачественных опухолей, причем в некоторых случаях лучевая терапия остается практически единственным средством лечения.
Павел Пахлов
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
