Он собирал коллайдер

АрхивИнтерактив

На вопросы корреспондента "Компьютерры" (от "для чего предназначен и кому нужен коллайдер?" до "чем всё это может закончиться?") отвечает сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в ЦЕРН, Илья Орлов.

Большой адронный коллайдер, сокр. БАК (англ. Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения результатов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. - Цитата из "Википедии".

Многие обыватели опасаются "адской машины" и считают, что, вероятно, именно коллайдер станет причиной гибели нашей планеты, иногда даже не попытавшись разобраться в том, чем является этот уникальный научный прибор. Не будем на эту тему вновь спекулировать сами, лучше предоставим слово человеку, принимавшему участие в разработке установки. На вопросы "Компьютерры" (от "для чего предназначен и кому нужен коллайдер" до "чем всё это может закончиться") отвечает сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в ЦЕРН, Илья Орлов.

Илья Орлов

- Илья Олегович, как вы оказались причастным к БАК?

- Я работаю в ИЯФ, а наш институт уже около 40 лет сотрудничает с Европейским центром ядерных исследований. Сотрудничество наше заключается преимущественно в том, что по заказу ЦЕРН наш институт выполняет определенные технические работы. У нас была сделана часть магнитов кольца большого адронного коллайдера. И почти постоянно кто-то из нашего института находится в Женеве, в штаб-квартире организации. Я туда за последние два года съездил четыре раза и в сумме провёл восемь месяцев из двух лет.

- То есть вы собирали БАК?

- В каком-то смысле – да. Я лично специализируюсь на других задачах. Занимаюсь отладкой аппаратуры и разработкой программ для одного из детекторов на БАК. Детектор ATLAS, на котором я работаю, предназначен для поиска бозона Хиггса. Участники проекта из нашего института занимаются инженерными работами – разработкой и монтажом оборудования, конструкторскими задачами, изготовлением в цехах нашего института магнитов и другой специализированной аппаратуры по заказу ЦЕРН. Некоторые занимаются чисто физическими задачами, но с этим пока некоторые проблемы, поскольку эксперимент пока еще не запущен.

- А чисто физические – это что за задачи?

- Мы знаем, что в атоме есть ядро, вокруг ядра, условно говоря, крутятся электроны. Естественно, интересно, что дальше. Мы углубляемся внутрь ядра атома, которое состоит из протонов и нейтронов. Тут начинается ядерная физика со всеми приложениями типа ядерных реакторов и атомных бомб. В 60-х годах XX века была предложена гипотеза кварков: что протоны и нейтроны на самом деле не являются элементарными частицами, а состоят, в свою очередь, из трех кварков. На настоящий момент элементарных частиц известно около четырехсот, самые известные из них – это электрон, протон и нейтрон. Частицы в большинстве своем являются короткоживущими, со временем жизни около 10^-24 секунд. Это миниатюрные промежутки времени, которые в обычных условиях совершенно неизмеримы. Естественно, возникает вопрос, а почему частиц так много? На него отвечает Стандартная Модель – современная теория физики элементарных частиц. Но есть одна частица, существование которой предсказано этой теорией, хотя в эксперименте пока ее не нашли.

- Бозон Хиггса?

- Да. Одной из основных задач БАК является экспериментальное обнаружение бозона Хиггса. Тут есть варианты. Могут его не найти, могут найти, могут найти штук пять разных, например, и под каждый из таких результатов уже есть своя теория.

- То есть уже все готово, осталось только найти.

- Да, уже все подготовлено, осталось выбрать, какая теория правильна, именно так. Естественно, для решения одной задачи такой большой комплекс не построят. Там есть очень много дополнительных задач, связанных с такими экзотическими понятиями, как суперсимметрия, темная материя, черные дыры...

- Получается, эта машина удовлетворяет любопытство создателей всех теорий?

- Есть надежда, что эксперименты на БАК позволят выбрать из всех теорий одну правильную. Насколько эта надежда будет оправдана, ученые расходятся во мнениях. Я в этом плане оптимист. Надеюсь, что бозон Хиггса найдут, а если не один, то тогда еще интереснее.

Детектор ATLAS БАК

- На БАК потрачены немалые средства. Планируется ли, что он каким-то образом окупится?

- В прямом смысле фундаментальная наука никогда себя не окупает. Сразу скажу, что для развития народного хозяйства, что бы под этим ни подразумевалось, БАК не нужен. От экспериментов на БАК наивно ожидать каких-то сугубо прикладных результатов, их не будет. Эта установка нацелена на фундаментальную науку, на поиск ответов на вопросы, как образовалась Вселенная, почему частицы имеют массу, почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, почему мы все вообще существуем, и вообще, почему всё так, как мы это видим.

- Не могу не спросить про Большой взрыв. На чем основаны слухи, и есть ли реальная угроза?

- Это распространенный журналистский штамп, что мы воспроизводим условия Большого взрыва. Большой взрыв в ЦЕРН повторять не намерены. Энергии не хватит, слабо пока.

- Расскажите про 10 сентября.

- 10 сентября 2008 года я как раз был в ЦЕРН. Впервые были включены все системы кольца БАК. Впервые по всему кольцу в 30 км прошел протонный пучок. В экспериментальной физике есть два способа наблюдения элементарных частиц. Первый – ждать милости от природы, то есть ловить то, что к нам прилетает из космоса. Это действенный способ, под него строятся большие установки, называемые детекторами космических лучей. На них ловятся очень интересные частицы, с очень большими энергиями, которые недостижимы на современных ускорителях. Это в миллиарды раз больше, чем то, что мы получаем искусственно, но проблема в том, что таких частиц очень мало. Частиц с интересной энергией прилетает одна штука на квадратный километр земной поверхности за сто лет. Ее нужно поймать. То есть, грубо говоря, строят установки в 100 км² и ждут год, чтобы поймать одну частицу.

- А одна частица будет представлять интерес для науки в единственном экземпляре?

- Вряд ли. Для того, чтобы был существенный статистический эксперимент, десяток-то частиц уж всяко надо. Поэтому есть второй способ – не ждать милостей от природы, а добывать их своими руками, на ускорителях.

- Это как раз то, чем вы занимаетесь?

- Именно. Этим занимаются как здесь, в ИЯФ, так и в ЦЕРН в Женеве. При столкновении частиц из вакуума рождаются новые частицы. Сам по себе это очень интересный процесс. Из вакуума, из ничего, из пустоты рождается материя. Родиться может много всего разного. Сталкиваем протон и протон, может получиться протон и антипротон, электрон и антиэлектрон, множество разных частиц. И эти вновь родившиеся частицы надо поймать, померить их массу, заряд. 10 сентября был запущен в первом тестовом режиме сам ускоритель. Это было воспринято как победа человеческого разума, это действительно так, это триумф команды из 6-10 тысяч человек, смотря как считать. Триумф в том, что все заработало, что пучок нигде в стенку не вмазался. Это говорит о правильности всех настроек.

- А сколько пучок двигался по кольцу?

- Очень маленькие доли секунды. Пучок в кольце распространяется со скоростью света. 300000 км/с. 30 км, соответственно, за 1 стотысячную долю секунды.

- То есть ученые даже поволноваться не успели?

- Успели. Запуск был поэтапный, и вся процедура заняла около часа. А когда включили кольцо полностью – мгновенный результат, аплодисменты на весь конференц-зал и так далее.

- Но после пробного запуска БАК был остановлен?

- Первоначально официальный запуск комплекса назначили на 21 октября 2008 года. В этот день состоялась официальная процедура "инаугурации", но фактическое начало эксперимента из-за поломки ускорителя откладывается примерно на весну. Эта ситуация дает дополнительное время на проверку всех систем и дополнительные надежды на то, что в результате все будет хорошо.

-По каким причинам Россия не является членом ЦЕРН?

- Определенно сказать сложно. Действительно, Россия формально не является страной-членом ЦЕРН. Есть различные мнения по поводу того, нужно нам это или не нужно. Статус члена ЦЕРН требует постоянных финансовых вливаний, от которых пока Россия частично устраняется.

- А как работается ученым в таких условиях? Нет ли ограничений?

- Фактически на проектах ЦЕРН работают сотни российских специалистов, преимущественно это физики из Москвы, Дубны, ИЯФ Санкт-Петербурга, Новосибирского ИЯФ. Российские ученые являются полноправными участниками проекта, и когда речь заходит о научных публикациях, признании вклада и так далее, никакой дискриминации нет.

- Значит, лавры будете делить вместе.

- Лавры будут делить пропорционально фактическому вкладу, а не формальному статусу. Формально членами ЦЕРН являются всего 20 стран, фактически в экспериментах принимают участие более 80 стран, и, естественно, этот вопрос обсуждался. Но поскольку решение принимали ученые, а не политики, безоговорочно было принято, что результаты будут оцениваться пропорционально вкладу каждой страны и каждого учёного.

- Какую практическую пользу можно извлечь из исследований БАКа?

- Во-первых, сложно предположить, что получится из фундаментальных результатов. Есть легенда, что первая интернет-страничка была создана в ЦЕРН, и в результате появился WWW. Всё началось с того, что Тим Бернерс-Ли, научный сотрудник ЦЕРН, решил разработать удобный способ общения между лабораториями и впервые применил гипертекст. Что из этого вышло, мы видим. Можно привести другой пример. В начале XX века Белл разработал устройство для удаленного обнаружения грозовых разрядов, и никто не предполагал, что из этого выйдет. Это была сугубо фундаментальная задача исследования атмосферного электричества. Но все телекоммуникации начались с устройства Белла.

Что выйдет из технологических прорывов ЦЕРН (я не преувеличиваю, это действительно прорывы), никто сейчас не предскажет. Но даже хотя бы для этого нужно развивать фундаментальную науку. В процессе разработок было сделано несколько открытий именно технологического масштаба, касающихся сверхпроводников, сверхнизких температур, полупроводниковой техники и многого другого. Были открыты уникальные методы, и я уверен, что эти методы найдут прикладное применение в ближайшее десятилетие.

- А второй вектор развития?

- В процессе работы БАК будет генерироваться очень большой объем данных. Мы все знаем, что такое гигабайт и мегабайт, 5 гигабайт – это DVD. На экспериментах БАК в секунду будет генерироваться 300 мегабайт данных. Это DVD-диск за 15-20 секунд. Коллайдер будет работать десятки лет. Представьте объем данных, которые должны будут храниться, передаваться и обрабатываться! Специально для обработки такого астрономического объема данных был создан отдельный проект, называется GRID. Это некий аналог Интернета, всемирная компьютерная сеть, которая высокоскоростными каналами со скоростью порядка нескольких гигабайт в секунду соединяет научные центры в Швейцарии, в Штатах, в Китае, в Европе.

- Чем она отличается от интернета?

- Тем, что там очень жесткие требования на каналы передачи данных, скорость и надежность. Это гигабайты и десятки гигабайтов данных в секунду. Это очень высокие требования к GRID-центрам, узлам сети, где происходит обработка данных. Центральный узел, естественно, находится в Женеве, около десятка узлов первого и второго уровня – в других городах мира. Такая иерархическая сеть. Требования по быстродействию очень высокие. Настолько высокие, что Россия пока не в состоянии сделать один узел второго уровня.

- А когда будет в состоянии?

- Россия сейчас считается распределенным узлом второго уровня. Часть в Москве, часть в Питере, часть во Владивостоке, в Новосибирске. Когда будет? А когда по Транссибу проложат канал в гигабиты в секунду. Основная проблема в том, что Россия – очень большая страна, проблема в каналах передачи данных.

Эта сеть вся целиком будет отдана физикам. Основная фишка в чем? Интернет – это доступ к данным по всему миру, GRID – это доступ к вычислительным мощностям по всему миру. Данные – в одном месте, вычислительные мощности в разных местах.

Естественно, эта сеть может использоваться не только для физики элементарных частиц. Я слышал, что Стэнфордский университет заинтересовался GRID, он хочет его использовать для биологических целей, для моделирования свертывания белков, которое, возможно, позволит создать новые вакцины и лекарства, в частности, от рака и вич-инфекций. Вряд ли они будут строить свой GRID, потому что это очень затратно. Скорее всего, мощности будут разделяться: часть на эту задачу, часть на ту.

GRID – это специализированная высокопроизводительная научная сеть. И это огромное достижение. Оно, несомненно, будет способствовать развитию техники, технологий и науки. С точки зрения ЦЕРН это хороший побочный результат, но именно побочный. И таких побочных результатов, но меньшего масштаба, уже очень много.

- Существует много вопросов, связанных с безопасностью проекта. Есть ли поводы беспокоиться на самом деле?

Вопросу безопасности с самого начала работы ЦЕРН уделялось очень большое внимание. Есть специальная комиссия по безопасности ЦЕРН. Хочу успокоить и журналистов, и читателей – черной дыры не будет. Хотя бы потому, что они не могут там образоваться по законам физики. Мы допускаем, что современные теории не очень верны, и они там все-таки образуются. Такая вероятность есть, но в любом случае, они исчезнут за очень малую долю секунды и не успеют никого поглотить. В финальном меморандуме CERN Safety Committee было написано, что вероятность катастрофических сценариев меньше, чем одна стомиллионная. Основной аргумент такой: из космоса каждую секунду прилетает очень много частиц значительно больших энергий, чем будут рождаться на БАК. И доказательство того, что ЦЕРН Землю не расколет, это просто то, что Земля еще существует.

Наиболее реальны технические проблемы. Радиация, низкие температуры, высокие напряжения, выбросы веществ. Но, если поездить по нашей стране, то найдется с десяток мест, где вероятность аварий и глобальность их последствий выше, чем в ЦЕРН. С Чернобылем я и не сравниваю.

Вся радиация БАК распространяется на стометровой глубине. Тоннель запакован в шесть метров бетона. И радиация распространяется в плоскости пучка – то есть горизонтально, вверх она не идет по физике явления. Поскольку ЦЕРН – это Европейский центр по ядерным исследованиям, то уж отслеживание радиации там поставлено на очень высокий уровень. Все, естественно, просчитано. Суммарный выброс радиации за год составит одну тысячную от естественного фона.

- Насколько долгосрочным проектом является БАК, и как Россия сможет использовать полученный опыт? Имеется ли у нас на сегодняшний день соответствующая научно-техническая база?

- Программа БАК рассчитана до 2018 года точно. И вряд ли она ограничится этой датой. К тому же, сейчас уже есть проекты SLHC – сверхбольшого адронного коллайдера, но это пока только на бумаге, когда его начнут строить - непонятно, это 20-30-е годы XXI века. То есть пока это исключительно проект. Но я надеюсь, что до него все-таки дойдут. И почти уверен, что если наш ИЯФ к этому времени будет существовать, то он будет участвовать в нём.

Научно-техническая база у нас передовая, и это признают все. ЦЕРН адресным образом заказывает в ИЯФ детали ускорителя, потому что лучше нас их никто не сделает. Мы делаем это лучше всех и дешевле всех, это тоже важно. Потому что проект в целом очень дорогой, речь идет о десятках миллиардов долларов. Естественно, ни одна страна проект такого масштаба самостоятельно провести не сможет.

- Что Вы можете рассказать из того, о чем знают лишь "посвящённые"?

- Секретных исследований ЦЕРН не ведет. Нет ядерной программы, ни ядерных реакторов, ни ядерных бомб. "Сырые" данные физического эксперимента – это такая специфическая штука, которая изначально непонятна никому, кроме тех, кто этот эксперимент проводит. Если их обнародовать даже в физическом сообществе, это будут бесполезные знания, их надо как-то обработать. Обработка данных эксперимента – это процесс, который растягивается на годы. Ожидать, что в феврале включат коллайдер и в феврале же будут известны результаты, глупо. Между экспериментом и результатом может пройти год, может пройти пять лет, десять. Данные публикуются только после того, как они обработаны, но это не значит, что до того они засекречиваются. Данные доступны всем, кто готов поучаствовать в их обработке. Ничего секретного там нет и быть не может. Результаты физического исследования открыты для всего мирового сообщества. Это принципиальная договоренность всех физиков мира. Иначе нельзя. В физике и в науке в целом кончилось время одиночек. Одним из последних одиночек был, наверное, Эйнштейн, а после этого все сколь либо значимые результаты экспериментальной физики получены командами и коллаборациями. Невозможно обойтись без сотрудничества, и это очень приятно. Получается, научные исследования двигают людей к единению, что видно на примере ЦЕРН очень хорошо.