День рождения Большого адронного коллайдера: оправдало ли кольцо за €4,6 млрд 10 лет работы

10 сентября 2008 года начал работу Большой адронный коллайдер. Свое название он вполне оправдывает: расположился в кольцевом тоннеле длиной 27 км на территории сразу двух стран — Швейцарии и Франции — на глубине около 100 м. Подземные помещения больших экспериментов — CMS и ATLAS — по зрелищности уверенно составляют конкуренцию Новоафонской пещере. Именно благодаря этим двум экспериментам ученым удалось в 2012 году объявить об открытии бозона Хиггса. Всего же в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) на коллайдере работает около 7 тыс. физиков.

Гигантские детекторы регистрируют события, происходящие при столкновении двух пучков протонов. Чтобы события получились «интересными», то есть позволяли делать важные научные открытия, протоны приходится разгонять до скорости, близкой к скорости света, которая, как вы, наверное, помните, недостижима. Частицы разгоняют с помощью магнитного поля, а его сила достигается с помощью сверхпроводимости. К сожалению, она пока реализуется совсем не при комнатной температуре: 10 тыс. т жидкого азота и еще 90 т жидкого гелия используются для достижения -271,3°C. Это холоднее, чем в открытом космосе (там -270,5°C) и очень близко к абсолютному нулю -273,15°C. Тоже недостижимому.

Четыре подлодки

Сколько стоило все это удовольствие? Затраты на строительство, которое шло с начала 1990-х и продолжается по сей день в форме различных усовершенствований, оцениваются в €4,6 млрд. Внесли эти средства в основном страны — члены и наблюдатели CERN, причем Россия и США сделали свой вклад по большей части натурой — оборудованием и людьми. Британские ученые так поясняют масштаб затрат своим налогоплательщикам — это £34 млн в год, что в пересчете на душу населения за тот же год составляет менее одной пинты пива. Всего пинта пива в год на науку, дамы и господа. Нам ближе другие сравнения: например, в атомных подводных лодках. Один БАК — это две-четыре АПЛ (в зависимости от серии и страны). Цена, беспрецедентная для научного мира, оказывается вполне рядовой для мира пива и ядерного оружия.

Конечно, не все в этой работе шло гладко. Многие элементы коллайдера — передний край науки и техники, или даже пространство перед ним — БАК проектировали в самом начале 1990-х годов, поэтому некоторые элементы предполагали использование технологий, которые только еще будут созданы. Гарантий на такой штучный прибор никто не даст, и самые тщательные проверки, как оказалось, не помогают: первая большая авария произошла в том же 2008 году, почти сразу после запуска — в контакте в супермагните наступил перегрев, разрушилась герметичная оболочка, в тоннель полился жидкий гелий. Еще одной аварии позволить себе CERN не мог, и работа по подготовке нового запуска затянулась еще на полтора года. Зато в апреле 2010 года все произошло с блеском и в прямом эфире — присутствовали несколько сот журналистов со всего мира, протоны начали циркулировать по кольцу в заранее анонсированный день и час. Возможно, это решение добавило седых волос ответственным за его исполнение: физики не работают в таком тайминге, запуск обычно происходит тогда, когда все готово, а не к дате пресс-конференции. Тем не менее этот поступок — знак большого уважения ученых к тем, кто финансирует их работу, — налогоплательщикам.

Ценная частица

Долго запрягавшие затем поехали очень быстро. Уже летом 2012-го физики БАК объявили об открытии, ради которого все и было затеяно. Им удалось зарегистрировать бозон Хиггса — частицу, которая завершает картину мира современной науки. Это понимание не на уровне атомов и молекул, а куда более фундаментальное и потому столь важное. Вся материя во Вселенной — и мы сами, и далекие звезды — состоит из элементарных частиц. Два типа — кварки и лептоны — представляют собой вещество. Еще три типа — глюоны, фотоны и бозоны — являются переносчиками взаимодействий, которые и держат частицы вместе, обеспечивая все многообразие материального мира. Все эти частицы были не только предсказаны теоретически, но и открыты экспериментально до конца ХХ века. Кроме бозона Хиггса. Он занимает некое промежуточное положение — собственно, механизм Хиггса, предложенный Питером Хиггсом и Франсуа Энглером, объясняет, откуда у частиц берется масса. Если бы это объяснение оказалось неверным, то и всей стройной системе мира — Стандартной модели — грош цена. Вот почему бозон Хиггса так искали, а когда нашли, уже через год дали за это Нобелевскую премию. С точки зрения фундаментальной науки это настолько крупное открытие, что многие из читающих этот текст могут и не застать за время своей жизни ничего близкого по масштабу.

Но «закрывать» физику еще рано. Парадоксальным образом открытие бозона Хиггса сделало поиск «теории всего» для физиков еще более увлекательным и загадочным. И масла в этот огонь подлило второе открытие последних лет, которое может приблизиться по важности к бозону Хиггса — наблюдение гравитационных волн. На самом деле они очень похожи. Оба были теоретически предсказаны, но нуждались в экспериментальном подтверждении. И в обоих случаях многие ученые в глубине души надеялись, что эксперимент не подтвердит теорию. Дело в том, что Стандартная модель описывает частицы — переносчиков всех взаимодействий, кроме гравитационного. Все эти частицы уже найдены и экспериментально, вопросов к ним нет. «Другой» Хиггс, таким образом, мог бы подсказать, в какую сторону копать в поисках гипотетического гравитона. «Другие» гравитационные волны могли бы дать подсказку о квантовой гравитации. Но этого не произошло, оба эксперимента в точности подтвердили теорию, а физикам, в том числе и на БАК, придется искать объяснение природы гравитации с чистого листа. С какой-то точки зрения это делает задачу более интересной и совершенно точно обеспечивает коллайдер работой на следующий десяток лет.

И все же вопрос, зачем это нужно людям, возникает снова и снова. Пожалуй, громче всех этот вопрос задал знаменитый американский журналист Чарли Росс еще в 2012 году. В Женеве проходила церемония вручения крупной награды — премии по фундаментальной физике, учрежденной российским бизнесменом и физиком по образованию Юрием Мильнером. Чарли Росс передал физикам вопрос «американских налогоплательщиков»: а зачем нам фундаментальная наука сейчас, когда кризис, нет денег на медицину и так далее? Отвечать на него пришлось единственной на сцене женщине — руководителю эксперимента ATLAS Фабиоле Джанотти. Она сказала, что наука — залог сохранения человека как вида, потому что способность мыслить — это единственное, что отличает нас от животных. Отметив при этом, что фундаментальная наука, конечно, приносит и практическую пользу.

Синьора Джанотти тогда заметно волновалась в американском прямом эфире, но волновалась зря. Ее ответ настолько устроил всех слушателей, что за обложкой журнала TIME последовало ее избрание генеральным директором CERN. Конечно, она стала первой в истории женщиной на этом посту.

Фундаментальная польза

Оснований не доверять госпоже директору, действительно, нет. Решение любой фундаментальной задачи требует острых технических решений, практическое применение которых — лишь вопрос времени и фантазии тех, кто может заработать на этом денег. В начале 1990-х именно в CERN заработал первый сайт Всемирной паутины. Исключительно для задач физики — ученым, работавшим вместе из разных стран, нужна была удобная и оперативная форма обмена информацией на расстоянии. Распределенные вычисления и облачное хранение информации тоже были применены CERN одними из первых и тоже исключительно для преодоления непреодолимых препятствий в науке. Дело в том, что количество данных, которые получаются на БАК, так огромно, что в одиночку с ним не справляется даже огромный дата-центр CERN. Для этого используется память и вычислительные ресурсы в странах — участницах СERN (и в России). А если вы щедрый владелец относительно мощного компьютера, то тоже можете помочь вычислениям.

Полезным может оказаться и умение строить ускорители. Большая часть таких приборов — а их на Земле сейчас более 30 тыс. — применяются отнюдь не в фундаментальной науке. 

Компактные и маломощные по сравнению с БАК ускорители нужны в медицине и промышленности. С их помощью получают промышленные мембраны и обрабатывают материалы. На ускорителях синтезируют короткоживущие радиоактивные вещества — изотопы, которые используются в медицинских целях как для терапии, так и для диагностики. В медицине используется даже антивещество, так страшно описанное у Дэна Брауна в «Ангелах и демонах». Позитронно-эмиссионная томография выполняется с помощью позитронов — антиэлектронов.

В практическую плоскость выходит и умение наблюдать элементарные частицы. По потоку нейтрино от атомных электростанций можно детально отслеживать состояние ядерного топлива. Это позволяет расходовать его более экономно, не меняя все еще годные стержни, а также избежать нештатной ситуации, заметив ее заранее. Получается, что нейтрино, ежесекундно проходящие сквозь нас безо всякого эффекта, могут выполнять томограмму ядерному реактору.

Процесс трансфера технологий из науки в промышленность не прекращается: любое сделанное в CERN усовершенствование может найти применение либо в уже существующем продукте, снизив его стоимость, либо в новом. Для распространения информации научные мегапроекты даже обсуждают на специальных конференциях вместе с коллегами из бизнес-сообщества.

Конечно, не все физики в CERN рассказывают о далеко идущих и неочевидных применениях результатов их работы. Не всех вообще интересует что-то за пределами фундаментальной физики. И, похоже, они могут себе это позволить.