29 сентября исполняется 50 лет ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям). Этот крупнейший в мире и единственный в своем роде научно-исследовательский центр в области физики элементарных частиц расположен к западу от Женевы на территории Швейцарии и Франции, у подножия горного массива Юра, геологические и сейсмические условия которого позволяют без опасения строить ускорители элементарных частиц.
Идея создания ЦЕРН принадлежит французскому физику, нобелевскому лауреату Луи де Бройлю. В 1949 году на европейской конференции по культуре в Лозанне он предложил создать международную организцию для проведения научных исследований. Де Бройль сказал: "Наше внимание сосредоточено на создании новой международной организации для проведения научно-исследовательских работ, выходящих за рамки национальных программ… Эта организация могла бы взять на себя решение таких задач, объем и сущность которых не под силу какому-либо одному национальному институту… Это начинание оправдает затраченные усилия… укрепит связи между учеными разных стран, расширит сотрудничество, упростит распространение результатов научных работ и информации в целом. Кроме того, создание научного центра явится символом объединения интеллектуальных сил Европы". Видимо, он был прав. В бедной и обескровленной войной Европе не было другой возможности сохранить фундаментальную науку.
Conseil Europeen de la Recherche Nucleaire - Европейская организация по ядерным исследованиям. В настоящее время ее членами являются: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словацкая Республика, Чешская Республика, Финляндия, Франция, Швейцария и Швеция.
Статус наблюдателя имеют: Израиль, Индия, Российская Федерация, Соединенные Штаты Америки, Турция, Япония, Европейская Комиссия и ЮНЕСКО.
Идея де Бройля получила поддержку правительств европейских государств, и уже в 1952 году Европейская организация по ядерным исследованиям была создана. Официальным днем рождения ЦЕРН считается 29 сентября 1954 года, когда 12 стран-участниц ратифицировали договор о ее создании. Сейчас в организацию входят 20 стран, есть и страны-наблюдатели, в том числе Россия, США, Япония и Китай. Их научные центры активно участвуют в работе ЦЕРН.
Руководящий совет организации состоит из представителей стран-участниц, по два - от каждой: один представляет правительство, другой - научное сообщество. Таким образом, совет имеет возможность соотносить пожелания ученых с финансовыми возможностями государств.
Сегодня на экспериментальном оборудовании ЦЕРН трудятся около 7000 ученых 80 национальностей из 500 научных центров и университетов - половина всех физиков, изучающих микромир. Это настоящий Вавилон ученых, возможно, единственное место в мире, где люди работают ради идеи познания мира и понимают друг друга независимо от нации, вероисповедания и должности.
Первый ускоритель. Рисунок с сайта www.cern.ch
Lenta.ru
ЦЕРН создан для поиска ответов на самые фундаментальные вопросы мироздания: что такое вещество? Откуда оно появилось? Каким образом из вещества образуются сложные объекты: живые существа, планеты, звезды? На протяжении 50 лет здесь раскрываются тайны мироздания и по крупицам добываются данные о том, как рождаются вселенные, куда миллиарды лет назад исчезла антиматерия и почему все имеет массу. Далекому от физики высоких энергий и прочих премудростей человеку ЦЕРН подарил "Всемирную паутину": в 1989 году ученый-компьютерщик из Оксфорда, сотрудник ЦЕРН Тим Бернерс-Ли изобрел этот принципиально новый способ свободного доступа в Сеть.
Сотрудничество ЦЕРН с Россией началось в 1960-х годах, когда европейские физики приехали под Серпухов, в поселок Протвино, чтобы принять участие в исследованиях на самом мощном по тем временам ускорителе (76 гигаэлектронвольт - ГэВ). Холодная война 1950-х годов не располагала к доверию на международной арене. Но ученые - не политики: взаимный интерес к физике и желание понять друг друга помогли найти общий язык, завязалось не только тесное сотрудничество, но и крепкая дружба между учеными и даже их семьями. А когда в 1974 году в ЦЕРН построили ускоритель SPS мощностью 400 ГэВ, российские физики из многих научно-исследовательских институтов приняли участие в 20 проводимых на нем экспериментах. Часть этой программы продолжается и сегодня. В целом же сотрудничество с Россией, длящееся уже почти 40 лет, особенно окрепло за последние годы, когда руководство ЦЕРН приняло решение о строительстве нового сверхмощного ускорителя LHC.
Свой полувековой юбилей ЦЕРН встречает грандиозной программой строительства и запуска самого мощного ускорителя в мире и разработкой системы GRID.
Основные этапы работы ЦЕРН
Теория великого объединения - теория, объединяющая электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия.
Сильное взаимодействие - самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий. Благодаря сильному взаимодействию кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны, собравшись вместе, образуют атомные ядра.
Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие, которое возникает между частицами, обладающими электрическим зарядом.
Ускоритель частиц - устройство, которое с помощью электромагнитов дает возможность ускорять движущиеся заряженные частицы, постоянно увеличивая их энергию.
Бозон - одна из элементарных частиц.
Кварк - гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все элементарные частицы.
Нейтрон - незаряженная частица, очень близкая по свойствам к протону. Нейтроны составляют более половины частиц, входящих в состав большинства атомных ядер.
Позитрон - античастица (положительно заряженная) электрона.
Протон - положительно заряженная частица. Протоны образуют примерно половину всех частиц, входящих в состав ядер большинства атомов.
Электрон - частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом и обращающаяся в атоме вокруг ядра.
Электрон-вольт - когда один электрон приводится в движение под действием напряжения в 1 вольт, его энергия увеличивается на один электрон-вольт.
1954 год - начало строительства первого ускорителя: протонного синхроциклотрона, который заработал в 1957 году.
1959 год - запуск протонного синхротрона (PS), который стал на несколько лет самым мощным ускорителем в мире: он разгонял протоны до энергий 28 ГэВ.
1967 год - был построен первый в мире коллайдер - ускоритель, в котором осуществляются столкновения встречных пучков частиц.
1976 год - заработал суперпротонный синхротрон (SpS), который в 1981 году был приспособлен для протон-антипротонных столкновений.
1983 год - на SpS открыли W- и Z-бозоны - переносчики слабого взаимодействия. Важность открытия была столь высока, что на следующий год физики, обнаружившие эти частицы, получили Нобелевскую премию.
В начале 1980-х годов был предложен проект ускорителя, осуществляющего столкновения электронов и их антиподов - позитронов, - большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Осенью 1983 года началось строительство LEP. В долине Женевского озера на глубине ста метров был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров. Качество подземных работ было столь высоким, что, когда в 1988 году два конца туннеля соединились, расхождение между ними составило всего один сантиметр. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц.
Ускоритель неоднократно перестраивался для достижения все больших энергий частиц. То, как физики и инженеры пытались добиться повышения энергии столкновения, - отдельная и большая история. Не останавливаясь на ней, приведем лишь такой факт: ученые установили зависимость энергии разгоняемых частиц от положения Луны по отношению к Земле, от уровня воды в Женевском озере, от прибытия поездов на железнодорожный вокзал Женевы и от многих других, казалось бы, незначительных факторов. Причина их влияния - небольшие деформации кольца ускорителя, ухудшающие фокусировку пучков. Ювелирный учет таких тонкостей помог довести энергию столкновения до 210 ГэВ.
LEP за одиннадцать лет работы подарил физикам много интересных результатов, самые важные из которых - всестороннее изучение W- и Z-бозонов. Современные представления о природе этого типа взаимодействия сложились именно под влиянием результатов работы ускорителя LEP. Эксперименты на LEP позволили показать, что на самом деле слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия - электрослабого. А отсюда уже не так далеко до теории Великого Объединения, над которой ломают головы физики всего мира.
Большой адронный коллайдер
Строительство Большого адронного коллайдера. Рисунок с сайта www.cern.ch
Lenta.ru
В начале 1990-х, когда на новеньком ускорителе LEP еще не успела высохнуть краска, ученые в ЦЕРН уже начинали задумываться над тем, что бы такое построить следом за ним. И придумали - программу "Как все началось".
В декабре 1991 году Совет ЦЕРН одобрил проект ускорителя нового поколения - Большого адронного коллайдера (LHC). Для него был не нужен новый подземный туннель - вполне годился и старый, тот что был вырыт для LEP. Решено было, что ускорители-"старички" PS и SpS также не останутся без работы - они будут придавать частицам первоначальную энергию.
Строительство LHC началось в ноябре 2000 года. В 27-километровом туннеле построено новое кольцо труб, в котором с помощью особым образом расположенных сверхпроводящих магнитов, поле которых составит более 8 тесла, будут одновременно разгоняться два пучка протонов. Важная характеристика - светимость, величина, пропорциональная количеству протон-протонных соударений за единицу времени, будет в сто раз больше достигнутых значений. За одну секунду на экспериментальных установках LHC будет происходить более одного миллиарда соударений! Кроме протонов, на LHC планируется разгонять и тяжелые ядра атомов - например, свинца. Запуск LHC намечается на 2007 год. В работе над созданием LHC принимают участие 720 российских ученых.
Крупнейшая в мире установка для ускорения, накопления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий. На ускорителе будут сталкиваться пучки протонов с энергиями до 7 тераэлектронвольт (ТэВ) и пучки ускоренных ядер с энергиями до 1150 ТэВ. Причем это будут не только самые энергичные, но и самые интенсивные пучки в мире. Длина вакуумного кольца, в котором будут ускоряться частицы, - 27 километров. Чтобы удержать пучок частиц в кольце, необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить только с использованием эффекта сверхпроводимости. LHC будет самой большой "сверхпроводящей" установкой в мире с удерживающим магнитным полем величиной 10 Тесла. Около 4000 тонн металла будет охлаждено до температуры на 291о ниже комнатной (-271о по Цельсию, всего на 2о выше абсолютного нуля температур). В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.
Зачем физикам такой мощный ускоритель? В 2007 году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется "Как все началось".
Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, "поймав следы Хиггс-бозона, я приду к своей бабушке и скажу: погляди, пожалуйста, - вот из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов". Но экспериментально существование бозона пока подтвердить не удалось: все надежды - на ускоритель LHC.
Система GRID - продолжение WWW
Специалисты ЦЕРН подсчитали, что потоки данных, генерируемые LHC, будут огромными. Для сравнения можно сказать, что они превысят объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Четыре гигантских детектора этого ускорителя будут накапливать больше чем 10 миллионов гигабайтов данных о событиях при столкновении частиц в течение каждого года. Это эквивалентно содержанию примерно 20 миллионов компьютерных компакт-дисков. Существующий сегодня способ использования компьютеров не позволит справиться с обработкой такого гигантского объема данных. Поэтому в ЦЕРН преложена принципиально новая концепция. По аналогии с электрическими сетями (electric power grid) ее назвали GRID.
Кварк-глюонная плазма. Рисунок с сайта www.cern.ch
Lenta.ru
Она заключается в возможности производить вычисления с помощью глобальных компьютерных ресурсов, то есть используя процессоры удаленных компьютеров. Другими словами, идея GRID проста: сеть - это и есть один огромный суперкомпьютер, натянутый на Земной шар. GRID подсоединит миллионы компьютеров из всех регионов Земли к телескопам астрономов, микроскопам биологов, суперкомпьютерам математиков и, наконец, к ускорителям физиков. Как обработать гигантские объемы данных? Где их хранить? Как получить доступ к ним с другого конца земного шара? GRID позволит решить такие задачи, оптимизировав работу с терабайтами информации. Ученые ЦЕРН уверены, что новая система произведет революцию, по своему значению подобную появлению Интернета.
Если уйти от языка цифр и физических терминов, то на ум приходит такая мысль. ЦЕРН - это некая Вавилонская башня, которую людям двадцатого века, в отличие от их далеких предков удалось построить, и которая уже 50 лет работает и выдает все новые и новые фантастические результаты. Возможно, в скором будущем именно ученым ЦЕРН удастся объяснить, как и почему все-таки образовалась наша Вселенная.
Михаил Витебский