ЧАСТИЦА БОГА И ПЕРВОКИРПИЧИКИ ВСЕЛЕННОЙ

Когда-то я неисповедимыми путями попал в ЦЕРН, на Большой адронный коллайдер (ускоритель – LHC или БАК) и целый день русский физик Павел Невский меня водил по тоннелям, шахтам, детекторам и всем чудесам коллайдера. Это было совершенно невероятным путешествием в будущее. Я и раньше интересовался устройством мира, частично – по профессии, так как у меня был спецкурс “Философия естествознания” в Физтехе. Но после коллайдера возникло нечто вроде addiction.Поэтому и сейчас я вторгаюсь в среду высоколобых академиков и прошу разъяснить некоторые темные для меня (и не только) вопросы. И даже высказывать кое-какие соображения, так сказать, мировоззренческого масштаба.Как раз поэтому на днях просил дать обзор по такой физико-философской проблеме: каковы перспективы познания устройства материи при “движении вглубь”?Пока что структура любых объектов узнавалась через сталкивание изучаемых частиц. Чем выше энергия соударения, тем на меньшие “дребезги” разбивался изучаемый объект, то есть, таким образом мы узнаем, из каких составных частей состоит изучаемый объект. Энергия БАКа 14 ТЭВ в сталкивающейся системе центра масс позволила получить такую частицу как бозон Хиггса, ответственный за массы всех фундаментальных частиц (кроме фотона и гравитона, поскольку у них масса покоя равна нулю ) . Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем достоверности 5 сигма. Так что сомнений нет.Завязалась переписка, из которой я ниже приведу свои соображения.Начну с того, о чем уже писал: микрообъекты непредставимы для человека. Исключительно потому, что мы и они относимся к мирам совершенно разных масштабов. Разница – на 15 и более порядков. При таких количественных различиях наступят и качественные. Но человек не может уйти из мира понятий, которые сформированы размерами его окружения. Он живет в мире частиц, тел, волн, траекторий, скоростей, координат. Посему и микрообъекты поначалу описывались как маленькие шарики, имеющие свою траекторию и координату. Так как , например, электрон вовсе не маленький шарик, а некая неведомая зверюшка, то для более адекватного описания экспериментов пришлось считать его не только частицей, но, одновременно и волной.А что же такое электрон “на самом деле”? Он точно не шарик, не мелкая частица, не волна, не частица и волна одновременно вроде кентавра. Правильный ответ: электрон есть электрон и ничто иное.

Принцип дополнительности Бора в философском смысле слова говорит о месте человека в мире, а это то место, которое нам позволяет узнавать масштаб микромира только как две дополнительные картинки: либо как частицу с координатой, либо как волну с энергией (скоростью). Иначе говоря, узнать что-то о микрообъекте можно только при взаимодействии этого микрообъекта с классическим прибором, с макрообъектом, который соразмерен нашему телу и нашим органам чувств, и показания прибора мы считываем при акте наблюдения в эксперименте.

Для физика вообще-то все эти образные картинки вроде частицы и волны необязательны. Для него микрообъект – это ряд цифр вроде массы, заряда, спина, магнитного момента, радиуса и таких параметров, которые обозначаются как цвет, аромат, очарованность и даже странность (это все у кварков). В общем- квантовые числа. Вот такой-то набор этих цифр – это будет электрон. А такой – протон. Кварки – это на порядок вглубь материи и потому они также отличаются от уже привычных протонов-нейтронов, как те – от маленьких шариков. У кварков, например, дробный электрический заряд, чего никак не может быть у респектабельных “элементарных” частиц.

Но все же физик тоже свой брат-человек и все равно какие-то образы будет применять. И электрон у него будет, конечно, не шарик, а некое пульсирующее облачко, которое окружает ядро и даже иногда через него проскакивает. С чем можно сравнить кварки пока не рашается представить никакой физик.

Весь микромир сегодня наиболее полно описывается Стандартной Моделью (СМ). Всего в СМ 12 разновидностей микрообъектов. Почему именно столько? Ну, так устроена природа, хотя можно считать, что это по числу апостолов. Это такие как кварки, адроны, лептоны, фотоны, гравитоны и эти 12 разновидностей состоят из 61 типа микрообъектов. Почему именно 61 – неизвестно. Может быть, по числу потомков апостолов, хотя сколько их было – никто не знает.Завершением СМ стало сначала предсказание (Хиггсом в 1964 г.), а потом и экспериментальное открытие таких объектов как бозон Хиггса (2012 г. на БАКе).

В рамках СМ бозон Хиггса отвечает за массу таких элементарных частиц, как адроны (в частности – протоны и нейтроны). Этот бозон так важен для системного понимания микромира что его назвали «god particle» (частица бога или божья частица).

Естественно, человек, да и физик в той мере, в какой он человек, помимо квантовых чисел и формул хотел бы себе как-то представить этот бозон Хиггса в виде какого-то образа. Да, бозон этот как бы некая частица, при обмене которой, скажем, протоны приобретают свою массу покоя. Но все же – как это?

Придумано несколько картинок для понимания, одна из них выглядит так.

Представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию — и есть его масса. Бозон Хиггса — это частица, соответствующая этому «липкому полю». Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырь, который очень быстро растечется обратно. Вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса, который выявляется при очень мощных столкновениях микрообъектов между собой на коллайдере ЦЕРН.

С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны как бы летают над столом, никак не затормаживаясь в липком слое.

Бозон Хиггса настолько важен для СМ, что Хиггс получил за его предсказание Нобелевскую премию. Но получил он ее в только 2013 году, спустя почти 50 лет, и только после того, как этот вымышленный бозон был экспериментально безусловно открыт.

Для этого пришлось разогнать протоны в пучке до ранее недостижимой энергии в 7 ТЭВ (ТэтаЭлетронВольт), встречный пучок разогнать до такой же скорости и столкнуть их между собой, так что суммарная энергия удвоилась = 14 ТЭВ. При этом скорости протонов достигли почти скорости света, их скорость составляла 99,9999991% от световой, и были меньше ее всего 3 метра в секунду Общее время разгона пучков составил около 30 минут и потребовало 10 процентов мощности всего кантона Женевы. А ведь в вакуумных трубках при этом находилось около 2800 сгустков (порций) протонов и всего их там было так мало, что не усмотреть микроскопом- масса всех частиц не превышает нанограмма. И вот этот ничтожное количество материи приобрело при околосветовой скорости энергию, сравнимую с энергией Боинга 747, летящему со скоростью 1000 км.час. Если бы, не дай бог, пучки протонов потеряли бы управление и сошли с пути истинного, коснулись стенок трубки, то произошел бы взрыв , значительно более сильный, чем при ударе гораздо меньшего самолета Боинг 762 в башню ВТЦ 11 сентября 2001 г. Кстати сказать, на случай отклонения малой части протонов от своей траектории предусмотрены специальные ловушки, сбрасывающие отклоненцев в поглотители энергии – это такие блоки из карбон-композита, которые переводят кинетическую энергию протонов в тепло и при этом сильно, почти до плавления, нагреваются.

Теперь остается экспериментально подтвердить теоретические представления о том, что адроны (туда входят протоны, нейтроны, мезоны и пр.) состоят из кварков. Экспериментальные подтверждения и так есть, но косвенные, а хотелось бы получить прямые – разбить адроны на составные части. Одно время считалось, что во всяких мыслимых земных условиях выделить кварки не дано, так как для этого нужна бесконечная энергия. Однако же из современных космологических моделей известно, что в самые первые триллионные доли секунды Большого взрыва вся Вселенная как раз представляла собой кварково-глюонную плазму. Равным образом, теория эволюции сверхмассивных звезд с массами от 150 до 200 солнечных также говорит о том, что на конечной стадии такая звезда, именуемая гиперновой, дает при своем взрыве и коллапсе в ЧД температуру более 10 триллионов градусов и в этот момент также рождаются кварки. Так что эти звезды называют также кварковыми.

Из некоторых статей я знаю, что одной из главных задач будущего коллайдера Future Circular Collider с длиной тоннеля 100 км. является получение энергии соударения на встречных пучках до 100 ТЭВ, с высокой светимостью (число соударений в секунду), что также примерно эквивалентно 10 триллионам градусов. Увеличивать длину тоннеля нужно потому, что при этом увеличивается радиус коллайдера и уменьшается потеря разгоняемых заряженных частиц на синхротронное излучение, а также уменьшаются расходы на питание магнитов, которые “заворачивают” частицы. На этом огромном коллайдере будущего ожидается (кроме бозонов W и Z) появление топ кварка t. И заодно можно будет выяснить, являются ли кварки бесструктурными точечными частицами, то есть, последними кирпичиками материи, как это постулируется в СМ.

Если же этого не произойдет, значит нащупают отклонение от стандартной модели, что даст толчок для дальнейшего развития физики по направлению к квантовой гравитации, то есть к теории великого объединения.

А если все выйдет по писанному, значит на этом уровне стандартная модель снова одержит победу и нужно будет еще и еще увеличивать энергию соударений. Или остановиться и сказать: здесь мы познали замысел Бога (тем более, что и частицу Бога – бозон – открыли) и далее хода нет.

Получил записку от космолога: “Нет свободных кварков и нет глюонов, есть их изначальное неразделимое единство”.

Так можно сказать о чем угодно. Даже о партии и народе, которые были едины.

Тем не менее в целях абстракции и модельных представлений мы говорим и об отдельных электронах, и об отдельных фотонах.

Мой вопрос: есть ли кварки последние неделимые кусочки материи и можно ли их выделить в эксперименте. В теории они есть. Равно как сначала в теории были бозоны Хиггса. Теперь бозоны выделены, пусть на самом деле они и едины со всем огромным миром элементарных частиц.

Академик В.Е. Захаров: “кварк-глюонная плазма уже получена в результате столкновения ядер золота . Это сделано в Брукхейвене. Я в курсе дела по поводу кварк-глюооной плазмы,поскольку имею в виду,если будет время,ею заняться. Она далека от термодинамического равновесия,так что для меня это есть естественная область интереса. Я уже в контакте с главным там теоретиком. Благо, это Алекандр Шуряк, выпускник моего родного Новоибирского Университета”.

Вот точно. Посмотрел на эту тему статью Игоря Иванова – отличный физик и популяризатор. Работал в Бельгии, кажется сейчас в ЦЕРНе. Он ведет сайт elementy.ru, а в нем еще отдельный раздел по церновскому коллайдеру.

Он пишет: “В 2014 году на коллайдере RHIC прошел сеанс столкновений гелия-3 с ядрами золота. Детектор PHENIX зарегистрировал примерно полмиллиарда событий с большим числом рожденных частиц, что отвечает столкновениям лоб в лоб…. когда гелий-3 ударяет всеми своими тремя нуклонами по тяжелому ядру, каждый удар порождает крошечную капельку кварк-глюонной плазмы”.

Это не совсем то, что ожидают от Future Circular Collider, но уже близко. Новый коллайдер с длиной туннеля 100 км. если и будут строить, то как раз под идею получения отдельных кварков. Получения всего на десятые доли йоктосекунды, притом же через своего рода туннельный эффект, но тем не менее…

Если это получится и при этом кварки окажутся бесструктурными объектами, то на уровне достигнутых энергий в 100 ТЭВ можно будет считать картину мира СМ завершенной. Вот ради этой великой цели. Как это было в классической физике в начале 20 века (включая ОТО).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Некоторые сведения о коллайдере в ЦЕРН (БАК – LHC), автор – Игорь Иванов. Выборочно.

LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-ускоритель и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью, близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы отмечают происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. Сгустки располагаются в постоянных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в ряде точек кольца, в четырёх из которых построены детекторы частиц.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МвТ. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя.

Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb.

В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей. Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.

Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC.

Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.

Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.

Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.

Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.

Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).
Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием.

Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием.

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Это без учета ранее готового тоннеля. Это примерно стоимость одного современного авианосца.

В проекте задействовано около 10 тысяч человек, из них около 700 специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК.

---

ВАЛЕРИЙ ЛЕБЕДЕВ,
Бостон.
Для “RA NY”