Что вы представляете, когда слышите термин «адронный коллайдер»? Маленькую деталь или большую машину?
Дадим подсказку сразу: эта неведомая «штуковина» не просто большая, а невероятно огромная. И внутри неё зачем-то и каким-то образом сталкиваются частицы. Но зачем и как? И безопасно ли это?
О принципе работы и всех возможных и невозможных рисках расскажет Кузьма Тужиков.
Большая наука кажется далёкой и загадочной для многих. И дело в том, что люди часто испытывают страх перед новыми технологиями и не понимают, зачем они им нужны. Адронный коллайдер — одна из таких технологий. В мире широко известен Большой Адронный Коллайдер, а у нас в России строится свой, хоть и не такой крупный. Однако и он окружён мифами и загадками, вызывающими страх у людей. Давайте разберёмся, что такое «адронный коллайдер». Вместо туманных терминов и сложных понятий дадим ясные и понятные ответы.
Начнём с конкретики: адронный коллайдер — это ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света с помощью воздействия электромагнитных полей. Строится он в подмосковном городе Дубна, в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), в научном комплексе NICA. Проект поражает своими масштабами: огромные павильоны, сравнимые со стадионами, горы техники, приборов, труб и сложных механизмов. Попасть туда не так-то просто, поскольку всё это охраняется Росгвардией и даже визуально внутри выглядит весьма дорого.
Естественно, у людей возникает ряд вопросов: зачем нужен адронный коллайдер и почему его так бережно охраняют? Учёные обычно говорят про разгон частиц и их столкновения. Но зачем сталкивать частицы и почему на это тратится столько средств? На эти вопросы не так-то просто ответить, ведь квантовый мир, мир частиц, сильно отличается от нашего привычного представления о вещах. Вот пример одного из частых комментариев, который можно увидеть под видеороликами об адронных коллайдерах: «Ну и сделали коллайдер, пока вижу только одни понты. Лучше бы пенсию добавили» или «Так что же нашли при помощи адронного коллайдера? Не забудьте рассказать всем, когда найдёте!» и даже «Учёные — самые хитрые жулики».
Вполне логично, что незнание приводит к распространению мифов, например, о возможности разрушения или ослабления магнитного поля Земли, создании чёрной дыры, которая уничтожит нашу планету, или об использовании технологии адронного коллайдера в военных целях.
Что такое адронный коллайдер и с чем его едят?
В этом вопросе нам поможет Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований. Он давно работает над этим проектом и хорошо с ним знаком. Он начал свой монолог с истории, чтобы ввести меня в курс дела.
«Я работаю на ускорительном комплексе лаборатории физики высоких энергий в историческом здании, в котором расположен магнит легендарной установки синхрофазотрон, который стал элементом российского и международного фольклора как что-то сложное и непонятное. Эту установку в своё время предложил академик Векслер, изобретатель принципа автофазировки, на основе которого работают все современные ускорители высоких энергий».
Почему он взялся за эту задачу? Свою деятельность он начинал с исследования космических лучей, падающих на Землю. Из космоса на нас прилетает огромное количество частиц самых разных энергий. Векслер был одним из тех, кто обнаружил, что процессы множественного рождения частиц были экспериментально зарегистрированы в широкие атмосферные ливни (космические частицы попадают в атмосферу Земли). Когда прилетают частицы очень высокой энергии, они сталкиваются с атомами воздуха в атмосфере и рождают сотни тысяч частиц, которые можно отследить на огромной площади. По инициативе Векслера построили станцию наблюдения за космическими лучами на Памире, а распределённые на нескольких квадратных километрах датчики зафиксировали одновременный прилёт частиц.
Но этот процесс «слежки» за частицами неудобен: нужно постоянно угадывать момент, когда произойдёт столкновение частиц. Идея Векслера состояла в том, чтобы перенести этот процесс в лабораторию и исследовать в очень удобных условиях, разместив датчики в непосредственной близости от явления. Отсюда и возникла энергия ускорителей высоких энергий. И когда исследователь спроектировал синхрофазотрон, его устройство стало первым ускорителем в мире, у которого энергия выше порога множественной реакции, множественного рождения частиц. Отсюда и пошла вся физика, которой занимается сейчас наш современный ускорительный комплекс.
«Изюминка нашего ускорительного комплекса — это адронный коллайдер. Он такой же адронный, как в ЦЕРН (Большой Адронный Коллайдер), но не такой большой. В ЦЕРНе длина окружности коллайдера составляет примерно 27 километров, у нас всего полкилометра. Но мы исследуем некоторые общие области. И наш комплекс, в первую очередь, ориентирован на исследование фундаментальных процессов множественного рождения частиц.
Кроме того, самолёты, спутники, дальние космические экспедиции невозможны без электроники, устойчивой к воздействию космических лучей. И невозможно совершать пилотируемые экспедиции без исследования воздействия этих лучей на человека, высших животных, растения. Чтобы проводить такие исследования до полёта, а не на Международной космической станции, нужны установки, которые могут воспроизводить полный спектр космических лучей.
Перспектива освоения Солнечной системы связана с новыми видами топлива для космических кораблей. На современных видах топлива даже Солнечную систему осваивать очень неудобно и долго. Новые виды топлива — это новые виды энергии. Чтобы выйти на новые виды энергии, нужно детально изучить, как устроена наша природа».
Как именно устроен Адронный Коллайдер в Дубне?
Итак, мы выяснили, что такое адронный коллайдер и для чего он нужен. Но так и не поняли, исходит ли от него потенциальная опасность.
А поможет нам во всём разобраться Сергей Мерц, ведущий научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.
«Сейчас мы находимся в экспериментальном павильоне многоцелевого детектора. Это одна из главных точек коллайдерного комплекса. Именно здесь будет происходить первый и на данный момент главный эксперимент всего нашего проекта NICA.
То есть, как это работает: пучки (частиц) создаются и запускаются в линейном ускорителе, потом попадают в кольцевой бустер, там они добирают необходимую скорость. Дальше они попадают в нуклатрон (тоже бустер), там разгоняются до скорости близкой к скорости света и переводятся в каналы коллайдера».
«Разогнать частицы нам мало, мы хотим какой-то физический эксперимент провести. Нам с ними нужно что-то сделать. В данном случае это столкновение одного пучка с другим. Они столкнулись, у нас родились какие-то новые частицы, произошло какое-то преобразование материи, ещё что-то. И полетели новые частицы в разные стороны. И чтобы понять, что произошло в точке столкновения, нам нужно реконструировать то, что получилось после взаимодействия. А реконструкция происходит с помощью детекторов».
«Типичная форма детекторов для экспериментов на сталкивающихся пучках — это такие коаксиальные детекторы. То есть когда у нас цилиндрик один на другой насаживается, и все это помещено в магнитное поле».
Позднее Сергей уточнил, зачем в коллайдере вообще нужны магниты и магнитное поле:
«Давайте представим, что магнита, создающего магнитное поле, нет. Вот частицы столкнулись, и они по прямым линиям разлетаются из точки столкновения в разные стороны. Такой ёжик получился. Соответственно, мы можем их зарегистрировать в детекторах. Мы можем у них даже траектории эти прямые померить. Но зная прямые траектории, мы ничего про частицы знать не будем больше. Потому что оценить импульс мы можем только по кривизне. Кривизна частицы в магнитном поле напрямую связана с импульсом. То есть, если мы смогли померить, насколько она искривлённая, мы видим, что у этой частицы такой-то импульс, это более прямо полетело, у этой был больше импульс. То есть, магнитное поле для того, чтобы определять импульс. Ну, и плюс ко всему, частицы с разным зарядом, протоны, будут у нас в одну сторону поворачивать, а электроны в другую. Опять же, разнознаковые заряды в разные стороны будут лететь. То есть магнит нужен именно для этого. Для того, чтобы эксперимент давал нам максимально полную физическую картину того, что произошло при столкновении».
Делаем выводы: работа этого сложного технологического чуда начинается с создания и ускорения частиц в линейном ускорителе, затем их дополнительно разгоняют в бустерах и, наконец, направляют в адронный коллайдер для столкновения. Именно в точке столкновения происходит уникальный эксперимент, где частицы взаимодействуют, порождая новые частицы и преобразуя материю. Детекторы, в особенности магнитные, играют ключевую роль в реконструкции этих событий, позволяя учёным получить полную физическую картину. Таким образом, адронные коллайдеры предоставляют уникальные возможности для погружения в мир физики высоких энергий и расширения наших знаний о строении материи.
Магниты в коллайдере
Перед тем, как развенчать или подтвердить миф о влиянии коллайдера на магнитное поле Земли, нужно обязательно сказать, что магниты находятся не только в точке столкновения частиц, а ещё и в самом коллайдере и бустерах. Я попросил Дмитрия Никифорова, начальника отдела по производству сверхпроводящих магнитов, рассказать о них подробнее: что они из себя представляют и зачем нужны.
«Магнит создаёт магнитное поле внутри апертуры. Для синхротрона (бустера), например, это важно с точки зрения ускорения пучка. То есть, магнитное поле постепенно усиливается, ускоряя пучок частиц. Это и позволяет ускорять его. На коллайдере же ситуация несколько иная. Мы сначала заводим стабильное магнитное поле. И после этого туда влетает пучок и циркулирует в постоянном поле. Это принцип коллайдера».
«Ещё раз, принципиальное отличие типов магнитов в коллайдере и в бустерах в том, что бустер — это синхротрон. Он создан для того, чтобы ускорять пучки. Он работает в быстро циклирующем режиме. Коллайдер же сам является статическим ускорителем. То есть, он имеет единое поле, которое постоянно позволяет нам регулировать, фокусировать пучки и подводить их к точке столкновения, не ускоряя.
Одно из последних научных направлений, которые мы взяли под наш отдел, это высокотемпературная сверхпроводимость. Данные технологии способны найти применение и в повседневной жизни. В частности, кроме магнитных структур на высокотемпературных сверхпроводниках мы занимаемся созданием индукционного накопителя — это большая батарейка, которая способна обеспечить электроснабжением небольшой город».
Стоит учитывать, что магнитное поле, создаваемое внутри апертур магнитов, играет ключевую роль в ускорении и фокусировке пучков частиц. В бустерах, например, магнитное поле усиливается по мере ускорения пучка, в то время как в коллайдере создаётся стабильное магнитное поле, в котором циркулируют частицы перед столкновением.
Мифы об адронном коллайдере
Даже если вам удалось понять основы этого меганаучного проекта, возможно, остались некоторые опасения.
Начнём по порядку, в частности, с аварийных ситуаций, ведь если что-то пойдёт не по плану, то ничего хорошего из этого не выйдет. О магнитах и возможных аварийных ситуациях подробнее расскажет Андрей Бутенко, директор лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.
«Смотрите, этот коллайдер сверхпроводящий. И все кольца, с которыми мы работаем, я имею в виду ускорительные кольца, они тоже сверхпроводящие. Три сверхпроводящих кольца. Магниты коллайдера используют сверхпроводимость для того, чтобы минимизировать, во-первых, их размеры, во-вторых, максимально увеличить эффективность работы ускорителя по отношению к употребляемой энергии. Магниты сделаны таким образом, что вы можете закачивать в них электрическую энергию и запасать её в апертуре магнитов в качестве магнитного поля. Наши магниты используют сверхпроводящий полый кабель. Это обычная мельхиоровая трубка, на которую сверху навит необититановый сверхпроводник. Необититан приобретает такие свойства при очень низких температурах, порядка 4,5 кельвина. До 7 кельвинов он остаётся в сверхпроводящем состоянии.
А теперь перейдём к возможным аварийным ситуациям. Как только температура становится выше 7 кельвинов, сверхпроводник перестаёт быть сверхпроводником и начинает сопротивляться протеканию через него электрического тока. Начинает греться. По нашему сверхпроводящему кабелю прокачивается двухфазный кипящий гелий. То есть он течёт, он жидкость, но он кипит. И максимально эффективно снимает тепло с этого сверхпроводника, которым обвита эта трубка.
Когда прерывается поток или подача этого гелия, или возникает воздушная пробка, сверхпроводник начинает нагреваться. Возникает сопротивление, происходит нагрев. И честно говоря, этот процесс носит взрывной характер. Большая энергия выделяется, и проводник практически расплавляется. Чтобы этого не происходило, есть система эвакуации энергии, которая очень быстро забирает всю энергию из магнитной системы, которая была накоплена в магнитном поле. И тогда при переходе в нормальное состояние нашего сверхпроводника ничего не происходит. Это обычный нормальный процесс. Мы эвакуировали энергию, охладили и снова запустили следующий цикл магнитного поля. Это происходит в течение нескольких минут, буквально. Это обычный нормальный процесс. Конечно, нельзя ускоритель выдернуть из розетки. Вы просто останавливаете систему питания, которая заводит ток в эти магниты».
Но возникает следующий вопрос: можно ли использовать коллайдер в военных целях ради истребления человечества?
«Вот смотрите, на самом деле, человек такое существо, которое стремится всё, что он знает и чего он достигает, направить в какое-то полезное для себя русло. Для какой-то части населения война является основным занятием. Можно долго рассуждать, плохо ли, хорошо ли это, но военные всегда были, есть и будут.
В общем, практически любую технологию можно поставить на пользу человечеству, а можно поставить на то, чтобы она каким-то образом справлялась с населением, с живыми организмами. Однако прямого применения наших технологий и наших разработок в военных целях мы не видим. В других, гражданских, да, но я и говорю, в военных нет. В военных мы не видим, как это можно было бы применить. Ни результаты наших экспериментов, ни те технологии, которые мы разрабатываем, ни те подходы, которые мы применяем, в военных целях применяться не могут.
Единственное, что, конечно, мы иногда используем технологии двойного назначения, которые наши коллеги военные могут каким-то образом использовать для создания каких-то систем, но, опять же, не вооружения, а, скажем, детектирования приближающихся целей. Системы радаров, высокочастотные системы, которые используются для радиолокации. Какие-то там системы, которые могут точно измерять температуру или влиять ещё на какие-то параметры атмосферные, которые тоже могут применяться. Но вот такого прямого применения, конечно, здесь нет».
На следующий миф про изменения магнитного поля Дмитрий Никифоров, начальник отдела по производству сверхпроводящих магнитов, отреагировал так:
«Это всё выдумки. Бытует мнение людей о том, что магнитные системы типа коллайдера могут повлиять на магнитное поле Земли. Это совершенно безосновательно и антинаучно с точки зрения того, что на магнитное поле Земли повлиять столь малыми масштабами невозможно. Необходимо опоясать планету несколько раз, тогда мы сможем хоть как-то повлиять».
И о последнем, заключительном мифе про чёрные дыры расскажет Сидорин Анатолий, заместитель начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ:
«По поводу всех мифов, что чёрная дыра может засосать нашу Землю: на Земной шар, как я и говорил, падает поток частиц, энергия которых намного превышает возможности всех современных ускорителей. Причём этот поток превосходит поток всех ускорителей, которые работают на Земле. Если бы образующиеся чёрные дыры могли засосать Землю, то нас бы уже давно засосало. Раз этого не произошло до сих пор, то этого не произойдет и на любой ускорительной установке, которая работает, создана человеком и функционирует на Земле.
Если говорить о микроскопических чёрных дырах, то для этого есть механизм Хокинга по испарению чёрных дыр. Для микроскопических чёрных дыр этот процесс происходит мгновенно. И у этого испарения будет своеобразный вид события, то есть частица, звезда, соответствующая чёрной дыре».
Вопрос о возможном военном применении технологий коллайдера решительно отвергнут: они не предназначены для военных целей, а основной акцент сделан на их мирном использовании.
Адронный коллайдер позволит нам лучше понять, из чего состоит наш мир, как появилась наша Вселенная. Исследования, проводимые на коллайдерах, откроют нам путь к разработке новых технологий, которые позволят человечеству отправляться в космические путешествия. Активное участие в больших проектах создаёт возможности для обучения студентов и молодых учёных, вдохновляя новое поколение на научные открытия.
