Создатель новых сцинтилляторов для проектов CMS и ALICE — кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института сцинтилляционных материалов НАНУ Людмила Нагорная |
— Люди всегда стремились понять, как возникла Вселенная. Аристотель считал, что у нее не могло быть начала и не будет конца. Иммануил Кант задавался вопросом, почему, если у Вселенной было начало, этому началу предшествовал бесконечный период ожидания. В 1915 году общая теория относительности Альберта Эйнштейна позволила разрешить загадку: пространство и время были не фиксированным фоном происходящего, а динамичными сущностями. Подобно тому, как нет точки южнее Южного полюса, нет времени вне Вселенной. Но оставалась еще одна проблема: теория Эйнштейна, описывающая самые крупные сущности, не согласуется с другим столпом физики ХХ века — квантовой теорией, описывающей самые мелкие сущности. Большой адронный коллайдер — это попытка приблизиться к разрешению этой дилеммы. В нем будет осуществляться столкновение элементарных частиц, которое позволит воспроизвести моменты, последовавшие за Большим взрывом, — так ответил знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг на вопрос, зачем же нужен этот огромный кольцевой туннель со сложнейшим оборудованием, требующий огромных средств и достаточно накладный в период глобального экономического кризиса.
В своем ответе Хокинг не упомянул о теоретически существующем бозоне Хиггса, который сам не имеет массы, но ответственен за появление масс у всех других частиц — электронов, протонов. Британский физик даже заключил пари на 100 долларов на то, что «божественную частицу», как еще называют бозон, в коллайдере не обнаружат. Впрочем, физики уверены, что даже отрицательный результат в эксперименте все равно будет результатом, поскольку в таком случае можно будет начать искать что-то другое. Да и вообще поле применения открытий, которые ожидают от БАК, шире, чем поиск бозона Хиггса. Например, могут проявиться предсказываемые одной из теорий «туннели во времени», не исключено открытие новых частиц и вообще опровержение всей прежней научной картины мироздания.
И все-таки дело не только в любознательности ученых. Фундаментальные исследования и создание новых технологий всегда неразрывно связаны. Не исключено, что этот эксперимент даст толчок новым технологиям в области энергетики, которые позволят человечеству забыть о проблеме нехватки энергии. Даже если говорить о конкретной пользе коллайдера уже сейчас, стоит вспомнить о том, что для обсчета событий, которые будут происходить в нем в процессе эксперимента — а это рождение 40 миллионов взаимодействий элементарных частиц в секунду, — в ЦЕРНе разработали новый глобальный проект. Это ГРИД, продвинутая инфраструктура, объединяющая множество информационных ресурсов разных типов. Потенциал ГРИДа имеет стратегический характер, в близкой перспективе он станет самым современным на Земле вычислительным инструментом для развития высоких технологий в различных сферах деятельности.
На Большом адронном коллайдере одновременно будут проходить тысячи экспериментов. Энергия в пучках частиц будет повышаться очень постепенно, однако физики надеются, что к концу 2010 года она уже будет достаточной, чтобы зарегистрировать бозон Хиггса и обнаружить одиночный топ-кварк, самую тяжелую из субъядерных частиц с дробным зарядом. К 2011 году есть надежда увидеть первые следы слептонов — суперсимметричных партнеров лептонов (позитронов и мюонов) — и нейтралино, гипотетической частицы, из которой, возможно, преимущественно и состоит темная материя. Первые выводы относительно реализации хиггсовского механизма генерации масс можно будет сделать после 2013 года. И лишь после этого у мирового сообщества появятся основания готовиться к по-настоящему неожиданным открытиям.
По масштабам международной кооперации и диапазону задействованных в ней специалистов проект БАК можно сопоставить лишь с проектом ITER по созданию первой рабочей модели термоядерной коммерческой электростанции. Что характерно, при этом сопоставимы и сроки получения результатов от этих грандиозных замыслов, и значение для будущего цивилизации.
И немножко украинского акцента
За 14 лет создания БАКа было задействовано около 130 украинских ученых из девяти научных центров.
Одной из главных причин, которая подвигла ученых построить БАК, является теория суперсимметрии и супергравитации, разработка которой стала одним из наиболее ярких и значительных достижений физики второй половины XX века. Пионерские работы в этой области были выполнены в 70-е
годы прошлого века коллективом ученых ННЦ «Харьковский физико-технический институт», который возглавлял академик Дмитрий Васильевич Волков.
Как известно из школьных учебников физики, стандартная модель возникновения Вселенной объединяет три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное. А гравитация в эту модель не вписывается, что не позволяет ученым объяснить природу темной энергии и темной материи, которые, хоть и не видимы для нас, однако составляют соответственно 73% и 23% Вселенной. Они были обнаружены косвенно по тем гравитационным эффектам, которые оказывали на наблюдаемые космические объекты. Фактически сейчас мы видим всего лишь 4% вещества — такого количества не хватает ни для объяснения природы звездных орбит, ни для полной картины мира. Включить все четыре фундаментальных взаимодействия в последовательную и самосогласованную конструкцию и позволяет теория суперсимметрии. Если с помощью БАК удастся открыть суперсимметрию в природе, представление о картине мира претерпит революционные изменения.
Украинские ученые сделали свой вклад и в разработку отдельных узлов конструкции коллайдера. Как известно, экспериментаторы попытаются в кольцевой трубе коллайдера разогнать пучки элементарных частиц во встречных направлениях до скорости, близкой к скорости света, и столкнуть их между собой. Полученные в результате эксперимента данные будут считываться и анализироваться в нескольких детекторах, установленных вокруг точек столкновения пучков протонов.
— Украинские специалисты работали над созданием трех из четырех детекторов: CMS, LHCb и ALICE, — говорит директор Института сцинтилляционных материалов НАНУ академик НАНУ Борис Гринев. — В частности, для установки CMS, построенной для изучения протон-протонных столкновений и поиска бозона Хиггса, наши специалисты создали 22 тысячи тайлов — разного размера детекторов из радиационно стойкой пластмассы. И если «божественную частицу» все-таки суждено будет «поймать», то именно внутри CMS — компактного мюонного соленоида. Разработанная нами технология изготовления таких детекторов, а также сцинтилляторов на основе кристаллов вольфрамата свинца как для CMS, так и для ALICE является уникальной.
Для детектора ALICE, который будет искать новую форму ядерной материи после столкновений ионов свинца или золота, ученые Института теоретической физики им. Н.Боголюбова и ННЦ «Харьковский физико-технический институт» получили от ЦЕРН задание создать внутреннюю трековую систему. Трудность задачи состояла в том, что из-за функциональной особенности этого детектора все его детали должны быть максимально легкими и компактными и в то же время способными выдержать мощное излучение от столкновения протонов. Чтобы добиться нужного результата, украинские специалисты сумели сократить расстояние между контактными площадками микроплат вдвое и превратили ALICE в гибкий и высокочувствительный комплекс.
При создании этого детектора была использована еще одна уникальная украинская технология создания микрокабелей на гибкой лавсановой основе, которые работают при высокой радиационной нагрузке. В создании микрокабелей принимал самое активное участие харьковский Научно-исследовательский технологический институт приборостроения. В целом же за время реализации проекта в Украине было изготовлено 40 тысяч микрокабелей разной формы и направленности, четыре тысячи очень важных для этого детектора гибридных схем, собрано две тысячи модулей.
Во время создания установки LHCb, где будут исследовать нарушения некоторых фундаментальных симметрий и пытаться обнаружить следы одиночного beauty-кварка, была впервые применена еще одна уникальная разработка — металлические фольговые детекторы. Они созданы учеными Института ядерных исследований НАНУ в Киеве вместе с немецким Институтом ядерной физики им. Макса Планка. Система определения радиационной обстановки вокруг детектора является одним из важнейших его элементов, так как опыты будут проходить при условиях очень высокого уровня радиации, эквивалентного последствиям взрыва 100-мегатонной ядерной бомбы.
Кроме названных научных учреждений, в проекте БАК участвовали также Институт микроприборов (Киев), Киевский национальный университет им. Т.Шевченко и Харьковский национальный университет им. В.Каразина. Стоит отметить, что за все это время наше государство на реализацию проекта потратило около одного миллиона швейцарских франков при стоимости всего проекта более пяти миллиардов долларов США, то есть всего 0,02%.
* * *
…Пока физики ждут, когда Большой адронный коллайдер начнет работать, необычные события в мире элементарных частиц зафиксированы на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. До запуска БАКа он остается самым мощным действующим протонным коллайдером в мире. В частности, при столкновении протонов здесь неожиданно зародилось много мюонов. Причем эти элементарные частицы появлялись иногда даже снаружи вакуумной трубы, по которой летают протонные сгустки, и сразу по нескольку штук. Получалось нечто типа «мюонной струи» — явление, по мнению физиков, совершенно невероятное с точки зрения Стандартной модели.
Если причиной аномальных событий действительно являются какие-то новые частицы, а не погрешности эксперимента, то они будут гарантированно обладать совершенно нестандартными свойствами, считают ученые. Их обнаружение ознаменует собой открытие новой грани устройства нашего мира. Тем с большим нетерпением остается ждать запуска Большого адронного коллайдера.