Зачем нам нужен Большой адронный коллайдер?

25 августа 2014
Михаил Данилов

Н. АСАДОВА, корр "Эхо Москвы" – Да, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Сегодня у нас потрясающая и интересная тема: «Зачем нам нужен Большой адронный коллайдер?». Почему мы про это говорим? Потому что закончился очередной этап модернизации Большого адронного коллайдера, теперь он будет сильнее, энергичнее. И у нас в студии Михаил Владимирович Данилов, российский ученый в области физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН, лауреат премий Планка и Карпинского в 1996-м и 1998 годах и заведующий кафедрой физики элементарных частиц в Физтехе. Здравствуйте.

М. ДАНИЛОВ – Добрый день. Ну, я должен сказать, что я заведую кафедрой также и в МИФИ.

Н. АСАДОВА – Да. Так что со всех сторон уважаемый человек. Мы начинаем нашу передачу всегда…

Е. БЫКОВСКИЙ, корр "Эхо Москвы" – Как обычно.

Н. АСАДОВА – …С нашей постоянной рубрики «Новости науки» с Мариной Максимовой. Давайте послушаем, что произошло в последнее время с большими адронными коллайдерами.

«НОВОСТИ НАУКИ».

М. МАКСИМОВА – Косвенно засвидетельствовать, как бозон Хиггса, открытый в 2012 году, придает остальным элементарным частицам массу, удалось физикам, работающим с Большим адронным коллайдером в рамках эксперимента ATLAS. Об открытии они сообщили в статье, принятой к публикации в журнале «Physical Review Letters». Ученые утверждают, что только одно из 100 триллионов протон-протонных столкновений приведет к этому событию. Для того чтобы зарегистрировать процесс, необходимо провести множество сеансов.

«Мы наблюдали за миллиардами протон-протонных столкновений в коллайдере, прежде чем обнаружили следы распада», – рассказывает ведущий автор исследования Марк-Андре Плейе. Проводя эксперимент, Плейе и его коллеги планируют определить, действительно ли бозон Хиггса ведет себя так, как предсказывали ранее теоретики. На сегодняшний день существует целый ряд версий того, как элементарные частицы обретают свою массу. Изучение процессов рассеивания, утверждают ученые, является универсальной проверкой Стандартной модели и одновременно окном в новую физику.

По итогам своего исследования ученые исключили некоторые модели и прогнозы, на которые они прежде опирались. Теперь им предстоит повторить эксперимент при более высоких энергиях, чтобы увидеть «отпечатки пальцев» более четко.

Новый коллайдер Future Circular Collider, длина которого составит от 80 до 100 километров, планирует построить в течение предстоящих 15 лет Европейский центр ядерных исследований. Для сравнения: длина Большого адронного коллайдера 27 километров. Новый ускоритель сможет разгонять частицы энергии в 100 ТэВ (тераэлектронвольт), тогда как потенциал БАКа – всего 14 ТэВ.

Ученые планируют с помощью нового сверхмощного ускорителя проникнуть глубже в тайну материи, антиматерии, а возможно, и вплотную приблизиться к созданию темной материи – одной из самых больших научных загадок современности.

Не отстает от Европы и Китай. К 2028 году здесь планируют построить новый протонный коллайдер длиной 52 километра. Мощность электрон-позитронной установки составит несколько сотен гигаэлектронвольт, а мощность адронов, на которые рассчитывается ускоритель – 70 ТэВ.

«Большой протонный коллайдер сможет создавать в семь раз больше энергии, чем Большой адронный. Это позволит изучать столкновения, которые происходят в подземном кольце, с большей точностью», – говорит руководитель проекта Ванг Яйфанг. Кроме того, электрон-позитронный коллайдер будет производить более чистые столкновения, которые легче анализировать – установка сможет с большей легкостью обнаруживать и распознавать простые и сложные частицы.

Н. АСАДОВА – Это были «Новости» с Мариной Максимовой. Сейчас мы прервемся на рекламу, но буквально на одну минутку. Никуда не уходите.

Н. АСАДОВА – Мы продолжаем передачу «Наука в фокусе». Сегодня говорим о том, зачем нам нужен Большой адронный коллайдер. В студии, как обычно, Наргиз Асадова и Егор Быковский. И наш гость – Михаил Владимирович Данилов, российский ученый в области физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН, лауреат премий Планка и Карпинского 1996-го и 1998 годов, заведующий кафедрой физики элементарных частиц на Физтехе. Вы знаете, если я буду все ваши регалии перечислять, то у нас вся передача на это уйдет. Расскажите нам, пожалуйста, вкратце…

М. ДАНИЛОВ – Но про МИФИ нельзя забывать.

Н. АСАДОВА – Да, и МИФИ тоже.

Е. БЫКОВСКИЙ – А про Физтех разве можно забывать?

М. ДАНИЛОВ – А про Физтех не забыли.

Н. АСАДОВА – Про Физтех мы не забыли, да. Что такое Большой адронный коллайдер и что такое адроны?

М. ДАНИЛОВ – Замечательный вопрос.

Е. БЫКОВСКИЙ – И что такое коллайдер, кстати?

М. ДАНИЛОВ – Вот именно про это я и хотел вам рассказать. Ну, что такое большой, все, наверное, представляют. Хотя не посмотрев на эту в действительности громадную установку, представить это нельзя. Это намного больше, чем кольцевая линия метро московского.

Но давайте перейдем к другим словам. Во-первых, «коллайдер». Коллайдер – это означает… «Collide» – это «сталкиваться». Это означает, что в этом ускорителе частицы сталкиваются друг с другом. Для чего это делается? Дело в том, что если просто разогнать частицу и ударить ее о другую частицу, то очень большая часть энергии уйдет на движение вот этих двух частиц столкнувшихся – и энергии на то, чтобы родить что-то новое, произвести что-то новое, будет немного. Вот так работали раньше ускорители, и они назывались «ускорители с фиксированной мишенью».

Новосибирские физики предложили сделать по-другому: разогнать частицы и столкнуть их лоб в лоб. И тогда вся энергия, которая была истрачена на разгон этих частиц, превращается в энергию, которая может производить все что угодно: новые частицы, новые явления.

Н. АСАДОВА – А какого рода частицы…

Е. БЫКОВСКИЙ – Прошу прощения. А почему эта мысль пришла в голову далеко не сразу? Мне она кажется очевидной (возможно, это не вполне очевидно). Проще всегда сталкивать две частицы на скоростях, чем одну в качестве мишени.

М. ДАНИЛОВ – Да, конечно. Если вы автомобилист, вы прекрасно понимаете, что если вы столкнулись лоб в лоб, то последствия будут намного…

Е. БЫКОВСКИЙ – Намного хуже

М. ДАНИЛОВ – …Хуже, чем если вы стукнули в хвост другую машину. Да, это, с одной стороны, очевидно, но, с другой стороны, это казалось совершенно утопичным. Потому что для того, чтобы частицы столкнулись, пучки частиц нужно сфокусировать в очень-очень плотные сгустки.

Н. АСАДОВА – Поэтому я и спрашиваю: что это за частицы? Чтобы было понятно, что они настолько малы, что их столкнуть довольно.

М. ДАНИЛОВ – Да, попасть тяжело друг в друга.

Н. АСАДОВА – Да, попасть тяжело.

М. ДАНИЛОВ – Эти частицы называются в Большом адронном коллайдере… Это протоны сталкиваются. Но в названии звучит – Большой адронный коллайдер. Что такое адроны? Адроны – это термин, который ввел в науку Лев Борисович Окунь, который работает в ИТЭФ, и он означает сильно взаимодействующие частицы, то есть частицы, которые принимают участие в сильном взаимодействии или, как его раньше называли, в ядерном взаимодействии.

Поэтому я иногда шучу, что Россия внесла очень большой вклад в Большой адронный коллайдер – именно 33%. Ну, потому что Большой адронный коллайдер – одна треть наша.

Е. БЫКОВСКИЙ – Одно слово, да. Я сразу всех предупрежу на всякий случай, что «андроном» его называть не надо. «Андрон» – по-древнегречески это «мужчина», и в общем, это совершенно другая история.

Н. АСАДОВА – Да. А я сейчас предлагаю послушать нашу еще одну рубрику «Статья по теме» с Львом Гулько. И я напоминаю, что эта рубрика у нас всегда адресует, переадресовывает наших слушателей к статье в журнале «Наука в фокусе». И расскажет нам тоже о том, что такое Большой адронный коллайдер, и как один из журналистов «Науки в фокусе» побывал там, в ЦЕРНе.

«СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ».

Л. ГУЛЬКО – Впервые ускорители частиц стали использоваться в науке в конце 20-х годов XX века для исследования свойств материи. Ускорители частиц работают за счет электрических полей, которые используются для ускорения (во многих случаях до скоростей, приближенных к скорости света) и удержания на заданной траектории заряженных частиц (например, электронов, протонов или более тяжелых ионов). Простейший бытовой пример ускорителей – это телевизоры с электронной лучевой трубкой.

Ускорители используются для разнообразных экспериментов, в том числе для получения сверхтяжелых элементов. Для исследования элементарных частиц также используются коллайдеры (от слова «collide» – «столкновение») – ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. Ученые придают пучкам большие кинетические энергии. При столкновениях могут образоваться новые, ранее неизвестные частицы. Специальные детекторы призваны уловить их появление.

Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась еще в 80-х годах прошлого века. После окончания экспериментов на швейцарском коллайдере его оборудование было демонтировано, а на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера – самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ.

Одной из главных задач Большого адронного коллайдера называли экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создает всю массу во Вселенной. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960-м британским физиком Питером Хиггсом, однако до сооружения Большого адронного коллайдера ее не удавалось обнаружить экспериментально.

При помощи этого коллайдера физики, возможно, смогут ответить на вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4% Вселенной, в то время как остальная часть – это темная материя и темная энергия, которые участвуют только в гравитационном взаимодействии.

При помощи этого коллайдера физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва.

Ученые также рассчитывают ответить на другой важный вопрос, стоящий перед Стандартной моделью: почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя теоретически после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну?

Возможно, Большой адронный коллайдер поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырех измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в «теории струн», описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и ее более простых расширений.

Уже полтора года коллайдер не работает. «Мы собираемся запустить первые пучки на Большом адронном коллайдере в январе 2015 года. Когда придут первые интересные результаты, я не знаю. Энергия коллайдера будет увеличена почти вдвое – это, по сути, новая машина. Так что мы должны быть очень осторожны при ее запуске», – сообщил нам генеральный директор Рольф-Дитер Хойер.

Чего ждет Рольф Хойер от пуска Большого адронного коллайдера после модернизации? «Я мечтаю о том, что здесь нам удастся найти следы частиц темной материи. Это будет замечательно. Но это только мечта! Я не могу гарантировать, что мы это найдем. И, разумеется, мы можем открыть какие-то новые вещи. С одной стороны, есть Стандартная модель – она поразительно хорошо описывает мир, но ничего не объясняет. Слишком много параметров введено вручную. Стандартная модель – это фантастика. Но вне Стандартной модели – еще большая фантастика».

Н. АСАДОВА – Ну вот, это была рубрика «Статья по теме» с Львом Гулько. И из всего выше услышанного я поняла, что Большой адронный коллайдер, в частности, призван проверить правильность и доказать экспериментальным путем существование Стандартной модели. Вот что это за Стандартная модель?

М. ДАНИЛОВ – Большой адронный коллайдер не просто доказал, что Стандартная модель работает, он нашел последний кирпичик в этой стандартной модели, который называется бозоном Хиггса. Стандартной моделью – так скромно ученые называют, по-видимому, самую совершенную теорию, которая описывает все, что мы видим с вами вокруг нас, и иногда с потрясающей точностью, со многими числами после запятой. Так вот, эта скромная Стандартная модель без бозона Хиггса, без механизма Хиггса – все бы частицы в ней были безмассовыми. А поле Хиггса дает этим частицам массу.

Как это можно пояснить? Ну, представим себе, что мы бросили на стол маленькие кусочки бумаги, а потом дунули – они мгновенно улетели. Это означает, что они безмассовые. Если малейшее усилие приводит к тому, что тело приобретает скорость – значит, у него нет массы или очень маленькая.

Е. БЫКОВСКИЙ – Или она минимальная, вообще-то.

М. ДАНИЛОВ – Да. Ну, здесь я, конечно, не буквально говорю. В любом случае эта аналогия совсем неидеальная. Но если мы нальем на стол масла и бросим эти же кусочки бумаги, то когда мы дунем, они будут двигаться, но двигаться уже совсем с другой скоростью, с небольшой скоростью – они приобрели массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.

И вот этот механизм, он был предложен несколькими учеными, надо заметить. Кроме Хиггса было еще несколько людей. И Нобелевскую премию получил не только Питер Хиггс, но и Франсуа Энглер, который также предложил этот механизм.

И вот открытие бозона Хиггса завершило эту Стандартную модель. Она в действительности очень проста и намного проще, чем таблица Менделеева в химии. Все мы состоим из двух кварков: из электрона и нейтрино. Вот все, что мы вокруг себя видим – это всего лишь четыре частицы, ну и соответствующие античастицы. У каждой частицы есть античастица. Это кирпичики, из которых построена материя.

А еще имеются переносчики взаимодействий. Таких взаимодействий в Стандартной модели три (гравитация там не рассматривается): это электромагнитное взаимодействие – его переносчиком является фотон всем известный; это сильное взаимодействие – его переносчиком являются глюоны (от слова «glue» – «клей»); и наконец, слабое взаимодействие – его переносчиком являются W- и Z-бозоны.

Все эти частицы были открыты. И все, что мы видим вокруг, можно построить из вот этих частиц, и все замечательно описывается. Правда, имеется одна проблема – это то, что кроме этого простого набора из четырех частиц (двух кварков, электрона и нейтрино), природа создала еще два набора: очень похожие, но более тяжелые, похожие на периоды таблицы Менделеева. Для чего они нужны, пока неясно до конца. По-видимому, для того чтобы организовать различия в свойствах материи и антиматерии.

Е. БЫКОВСКИЙ – То есть можно сказать, что Большой адронный коллайдер выполнил полностью поставленную перед ним задачу.

М. ДАНИЛОВ – Да.

Н. АСАДОВА – Подождите, не все задачи выполнены. Например, есть еще вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4% Вселенной, а темная материя и темная энергия – это все остальное. Почему так? То есть мы знаем, что это так есть, хотя еще у нас нет доказательств.

Е. БЫКОВСКИЙ – Мы с известной степенью уверенности предполагаем.

М. ДАНИЛОВ – Мы не знаем, из чего она существует, но мы знаем, что она существует, в этом нет сомнений.

Н. АСАДОВА – Да. Но мы не понимаем, почему именно так и никак иначе.

М. ДАНИЛОВ – Мы не понимаем, почему это так. Действительно можно сказать, что Большой адронный коллайдер завершил стройное здание Стандартной модели, оно уже существует. Но Стандартная модель не отвечает на много вопросов, и поэтому мы думаем, что должно быть что-то еще, выходящее за рамки Стандартной модели. И вот важным вопросом…

Е. БЫКОВСКИЙ – Простите, я поясню просто на секунду. Это как ньютоновская механика: она очень хороша при каких-то обстоятельствах, но потом, когда выходишь за ее рамки, требуется какая-то другая теория.

М. ДАНИЛОВ – Совершенно верно. И такие поиски новых явлений, выходящих за рамки Стандартной модели – это и является теперь основной целью как Большого адронного коллайдера, так и других коллайдеров, которые сейчас планируется строить, а некоторые уже строятся. Я надеюсь, мы к этому вернемся.

Н. АСАДОВА – Да, мы обязательно про это поговорим. Но я просто еще по поводу задач Большого адронного коллайдера.

М. ДАНИЛОВ – Так вот задача, одна из важнейших задач – это поиск частиц темной материи. Темная материя может состоять из разных типов частиц. Но, может быть, наиболее популярным являются так называемые суперсимметричные частицы – частицы, которые являются двойниками тех частиц, которые мы уже знаем, но имеют, по-видимому, несколько большую массу.

Кстати, идею суперсимметрии впервые высказали российские физики Гольфанд и Лихтман в ФИАН. И эта теория настолько красива, что несмотря на то, что до сих пор нет никаких ее экспериментальных подтверждений, очень много ученых в нее верят, потому что она очень красивая, в ней много можно вычислить. И эта теория дает естественного кандидата для частицы темной материи. И вот такие суперсимметричные частицы ищутся.

Пока что на Большом адронном коллайдере получены только пределы на параметры этих новых частиц гипотетических. Но с увеличением энергии есть надежда, что диапазон доступных параметров сильно расширится – и, может быть, они будут найдены. Ну, либо будут поставлены более жесткие ограничения.

Н. АСАДОВА – А вот скажите, каким образом ищутся эти частицы на Большом адронном коллайдере? Просто чтобы все понимали, как это выглядит. 27 километров туннель на глубине 50-175 метров, на границе Швейцарии и Франции – это, собственно, основная эта установка. В этом проекте участвуют ученые из 170 институтов со всего мира, там больше 40 стран-участниц.

А для того чтобы обрабатывать эти данные, тоже какое-то огромное количество центров используется. В каждом эксперименте столкновение каких-то миллиардов-миллиардов этих частиц – и каждую нужно проанализировать. Как это происходит? Скажем так, как ученые поймут, когда они найдут частицу темной материи?

М. ДАНИЛОВ – Ну, сначала мы, может быть, чтобы представить масштабы всего этого явления под названием Большой адронный коллайдер… Я скажу, что энергия пучков, которые крутятся в тоннеле, она равна примерно энергии скоростного поезда. Там мчатся два скоростных поезда со скоростью 200 километров в час друг навстречу другу. Представляете, какая громадная энергия там запасена?

Как увидеть суперсимметричные частицы? Ну, что происходит? Происходит столкновение протонов – и рождаются, могут рождаться разные частицы, в том числе и суперсимметричные. Затем они начинают распадаться, и по продуктам их распада, в которых имеются лептоны или убегающая энергия, недостающая энергия – самая легкая суперсимметричная частица, по-видимому, стабильная и улетает из детектора незамеченной – и вот по таким характеристикам и пытаются найти эти частицы.

Но можно их искать и по-другому. Вот есть путь повышения энергии ускорителей – это Большой адронный коллайдер, Международный линейный коллайдер, о котором мы еще поговорим, как я надеюсь. Но есть другой способ очень точно изучать редкие процессы – например, распады прелестных частиц. Прелестные – это не мое отношение к ним, это научный термин, это квантовое число.

Е. БЫКОВСКИЙ – Charming.

М. ДАНИЛОВ – Нет, charming – это другое квантовое число. Это тоже…

Е. БЫКОВСКИЙ – Рассказывайте нам подробнее, а то мы сейчас запутаемся в прелестях и в charming.

М. ДАНИЛОВ – Да. Есть «очарование» и есть «прелесть» – это два разных квантовых числа и две разных частицы. Так вот, в распаде, например, прелестной частицы может на короткое время возникнуть суперсимметричная частица. Она опять поглотится, но при этом она изменит свойства тех частиц, которые мы видим, и приведет к каким-то процессам, которых в Стандартной модели нет.

И изучая очень точно распады прелестных частиц, можно получить чувствительность к новым частицам большую, чем на Большом адронном коллайдере, что и было сделано в Японии в эксперименте «Belle», в котором участвует и наша группа. И там было показано, что заряженный хиггсовский бозон, который присутствует в суперсимметричных моделях… Ограничения на него были получены более жесткие, чем в прямых поисках на Большом адронном коллайдере.

Н. АСАДОВА – То есть более точно установили, сколько он весит.

М. ДАНИЛОВ – Да. Ну, мы пока, к сожалению, его не нашли. Мы показали, что это заряженный (это не обычный нейтральный, а заряженный), который мы искали, но мы не нашли его. И на Большом адронном коллайдере тоже не нашли. Но пределы, которые поставлены из распадов прелестных частиц, они более жесткие, чем на Большом адронном коллайдере.

Н. АСАДОВА – Егор.

Е. БЫКОВСКИЙ – А вот скажите, Михаил Владимирович, когда разговариваешь с физиками, они так совершенно спокойно выговаривают…

М. ДАНИЛОВ – «Михаил Владимирович». Может, проще как-то? В нашей среде принято обращаться по имени.

Е. БЫКОВСКИЙ – Хорошо, Михаил. Физики очень свободно говорят: «Мы вот зафиксировали взаимодействие элементарных частиц». Даже мне это не очень понятно на самом деле. А многим моим друзьям совсем будет непонятно. Как можно представить себе миллиарды друг навстречу другу протонов, какая-то часть из них столкнется (видимо, небольшая)? Как это фиксируется? Чем? Господи…

Н. АСАДОВА – Есть детекторы.

Е. БЫКОВСКИЙ – Наргиз, ты себе представляешь, как это происходит?

Н. АСАДОВА – Я почитала литературу. Один детектор весит в три раза больше, чем Эйфелева башня, при этом он в 400 раз меньше. То есть это какая-то очень мощная установка.

Е. БЫКОВСКИЙ – Мощная, да. Понятно, что она большая. Но как она действует?

М. ДАНИЛОВ – Эти детекторы используют самые последние достижения и технологии. Это очень точные приборы, которые могут устанавливать точку прохождения частицы с микронными точностями – несколько микрон, скажем, 5-10 микрон. И несмотря на то, что установки очень большие, в результате можно определить энергии этих частиц, которые вылетают, их увидеть, грубо говоря, увидеть результаты взаимодействия.

Конечно, мы видим только частицы, которые родились в результате этого взаимодействия. И потом, если что-то новое родилось, какая-то новая частица, то она распадается на известные стабильные частицы. И измеряя свойства этих известных нам уже частиц, мы можем доказать, что имеется новая частица, как доказали, что есть бозон Хиггса.

Е. БЫКОВСКИЙ – Понятно. Во всей этой истории участвует масса разнообразных частиц, мы об этом поговорили. А как вы их различаете? Они оставляют какой-то уникальный электромагнитный след или что?

М. ДАНИЛОВ – Да, заряженные частицы на своем пути выбивают электроны, и эти электроны регистрируются точными приборами. Нейтральные частицы (например, фотоны), для них существуют установки, называемые калориметрами. Электроны создают электромагнитный ливень – большое количество фотонов, электронов. И энергия этого ливня измеряется.

Ну а, допустим, еще другие частицы, которые называются мионами – они не взаимодействуют и проходят через всю установку, и именно поэтому их идентифицируют. Они не поглощаются, как адроны, а проходят через большое количество материала – и тем самым мы знаем, что это мионы.

Н. АСАДОВА – В общем и в целом большой увлекательный мир, о котором я до сегодняшнего дня ничего не знала. Сейчас мы прервемся на новости и рекламу, а затем вернемся в эту студию и поговорим о том, могут ли эксперименты, которые проводятся на Большом адронном коллайдере, на других коллайдерах, представлять опасность для человечества. Никуда не уходите.

Н. АСАДОВА – Добрый день еще раз всем. Меня зовут Наргиз Асадова. Со мной в студии Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Говорим мы сегодня про Большой адронный коллайдер: зачем он нам нужен, и вообще зачем нужны другие коллайдеры, что с ними делают, какие эксперименты на них ставят?

И сегодня нам помогает разобраться в этой теме Михаил Владимирович Данилов, российский ученый в области физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН, лауреат премий Планка и Карпинского в 1996-м и 1998 годах, заведующий кафедрой физики элементарных частиц в Физтехе. И еще вы заведуете кафедрой…

М. ДАНИЛОВ – В МИФИ.

Н. АСАДОВА – В МИФИ, да.

Я много раз это слышала (я думаю, что наши слушатели тоже), что эксперименты, которые проводят ученые на Большом адронном коллайдере, могут быть небезопасные. И об этом свидетельствует наша следующая рубрика «Pro et Contra». Давайте послушаем.

«PRO ET CONTRA».

А. НАРЫШКИН – Уолтер Вагнер, доктор права, физик: «Можно уверенно рассматривать и теорию, согласно которой работа коллайдера приведет к образованию миниатюрных черных дыр, которые будут притянуты земным тяготением к центру планеты и в соответствии с законами физики начнут поглощать окружающую материю».

М. КОРОЛЕВА – Физики Эллис, Гуидче, Ткачев, Мангано и Видеманн (авторы доклада о безопасности БАК): «Возможность образования микроскопических черных дыр не отрицается, однако в нашем трехмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях на 16 порядков больших энергии пучков в БАК.

Гипотетически микроскопические черные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если черные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц. И для того чтобы это произошло, микродыра должна разрастись до большого размера».

Н. АСАДОВА – Это была рубрика «Pro et Contra», и ее нам помогли озвучить сегодня Алексей Нарышкин и Марина Королева.

Скажите, пожалуйста, в итоге могут там быть эти черные дыры, которые потом засосут всю Землю?

М. ДАНИЛОВ – Черные дерны там могут быть. И если они образуются на Большом адронном коллайдере – это будет громадное открытие, которое просто перевернет наше представление о том, как устроен мир. Это будет говорить…

Н. АСАДОВА – А мир наш не перевернет?

Е. БЫКОВСКИЙ – Сейчас наши слушатели упали в обморок в этот момент, вы знаете, Михаил?

М. ДАНИЛОВ – А мир не перевернет. Дело в том, что эти дыры, как уже говорилось, быстро испарятся и приведут просто к большому рождению большого количества частиц, которые можно будет зарегистрировать на Большом адронном коллайдере.

Е. БЫКОВСКИЙ – А почему мы думаем, что они испарятся? Мы все-таки не так много знаем о черных дырах, как хотелось бы. Собственно, даже об излучении Хокинга мы знаем недостаточно.

М. ДАНИЛОВ – Нет, это очень хорошо все известно, здесь никаких вопросов о том, что произойдет, не возникает. Если они родятся, то они быстро испарятся. Родятся они в том случае, если в нашем мире имеются дополнительные пространственные измерения. Это очень интересная возможность.

Н. АСАДОВА – Да, это отдельная прекрасная тема, которая нас выводит на «теорию струн».

М. ДАНИЛОВ – Да.

Е. БЫКОВСКИЙ – То есть чтобы черная дыра осталась черной дырой и стала расти, у нее должен быть изначально какой-то объем?

М. ДАНИЛОВ – Да. Те, которые могут родиться на Большом адронном коллайдере – они все обязательно испарятся.

Е. БЫКОВСКИЙ – А если наш мир живет по Стандартной модели, то маленькая черная дыра в нем должна исчезнуть? Ну, в общем, хорошо.

М. ДАНИЛОВ – Не только по Стандартной, даже если живет по другим моделям. Ну и более того, имеется экспериментальное свидетельство того, что таких явлений катастрофических быть не может, просто исходя из космических лучей, из исследований космических лучей.

Н. АСАДОВА – Ну, судя по всему, слушатели радиостанции «Эхо Москвы» и те люди, которые читают наш блог на сайте «Эха Москвы»…

Е. БЫКОВСКИЙ – Успокоились.

Н. АСАДОВА – Да. Действительно и до нашего объяснения были довольно спокойные. Мы задали им вопрос: «Представляет ли Большой адронный коллайдер опасность для человечества?» И 69% проголосовавших сказали, что: «Нет, не представляет». Около 18% сказали, что: «Да, представляет». И 13% затруднились ответить. В голосовании приняли участие 1,5 тысячи человек. Так что можем дальше переходить к следующим коллайдерам смело, не опасаясь тех последствий, которые могут быть в результате экспериментов.

Е. БЫКОВСКИЙ – И все-таки еще одну секундочку, чтобы полностью развеять как бы все проблемы. А откуда тогда взялась, собственно, эта теория? Я понимаю, что человек, который подал в суд в 2008 году… Как там, Миша, его звали?

М. ДАНИЛОВ – Ну, это просто самореклама. Никаких оснований…

Е. БЫКОВСКИЙ – Ну, он вроде бы и физик одновременно при этом был. Зачем же он…

М. ДАНИЛОВ – Ну, какой он был физик – это тоже…

Е. БЫКОВСКИЙ – То есть все эти опасения взялись из желания саморекламы одного-единственного человека в итоге?

М. ДАНИЛОВ – Да. Но, с другой стороны, ученые, когда планировали создание установок, они, безусловно, думали о безопасности экспериментов, и поэтому это не являлось просто какой-то идеей одного человека. Различные сценарии, конечно, проверялись при создании, при проектировании установки.

Н. АСАДОВА – В общем, если говорить дальше, то тот Большой адронный коллайдер, который существует в ЦЕРНе и сейчас был модернизирован… Следующий шаг – там же, на территории Швейцарии и Франции собираются построить еще более мощный коллайдер. Его протяженность будет чуть ли не 100 километров. Зачем это делается?

М. ДАНИЛОВ – Здесь имеется две цели. Это изучать то, что уже известно, в частности изучать свойства хиггсовского бозона. Потому что изучая очень точно свойства хиггсовского бозона, можно очень много сказать о том, что находится за рамками Стандартной модели, то есть можно понять, как устроена более общая теория. Ну а вторая цель, как всегда – это искать что-то совсем неожиданное. И исторически увеличение энергии обычно приводило к тому, что что-то новое открывалось, новое, неожиданное.

Но надо заметить, что тот коллайдер… Точнее, два коллайдера, потому что обсуждается возможность строительства в этом новом 100-километровом тоннеле электрон-позитронного коллайдера и протон-протонного коллайдера с энергией, намного большей, чем энергия Большого адронного коллайдера. Но перед строительством этих коллайдеров, скорее всего, будет построен другой коллайдер, который называется Международный линейный коллайдер.

Н. АСАДОВА – Это в какой стране?

М. ДАНИЛОВ – Сейчас интерес к строительству этого коллайдера выразила Япония. Они даже уже выбрали место, где строить этот коллайдер. И проект этого коллайдера уже готов, над ним трудилось большое количество людей в течение многих лет. И сейчас уже имеется проект, по которому можно строить вот этот коллайдер. И вопросы сейчас решаются уже организационные, политические.

Н. АСАДОВА – А это финансирование будет только со стороны Японии? Или это тоже международный проект?

М. ДАНИЛОВ – Нет, ожидается, что это будет международный проект, где Япония, как страна-хозяйка, внесет большую часть финансирования, но и другие страны внесут тоже свой вклад.

Н. АСАДОВА – А не оценивали, сколько это будет стоить?

М. ДАНИЛОВ – Это стоит около 8 миллиардов долларов (ну, какого-то года), масштаб вот такой. И то, что другие страны внесут вклад свой – важно не только потому, что это деньги, а важно потому, что это люди, которые будут работать на этом коллайдере и которые помогут сделать его действительно хорошо работающим и успешным.

Е. БЫКОВСКИЙ – Скажите, а вот Япония является ли удачным местом для этого? Я спрашиваю, потому что…

Н. АСАДОВА – Да, сейсмоопасная зона.

Е. БЫКОВСКИЙ – Да, там зона активного вулканизма. Я помню, что его в Швейцарии же строили, потому что там, в общем, спокойно. Мало того, даже какие-то поезда запрещали на момент проведения важных экспериментов на БАКе. Японию же трясет. Там это вообще как будет работать?

М. ДАНИЛОВ – Безусловно, эти соображения рассматривались. И вопрос о том, как навести два пучка друг на друга – это очень сложный вопрос в линейном коллайдере. Дело в том, что размер пучка по вертикали составляет 10 нанометров. 10 нанометров – это в 10 тысяч раз меньше, чем толщина вашего волоса. Представляете себе? И вот нужно…

Н. АСАДОВА – С трудом.

Е. БЫКОВСКИЙ – Нет, в 100 тысяч раз.

М. ДАНИЛОВ – Птицы, которые летят 30 километров – навести друг на друга.

Е. БЫКОВСКИЙ – В общем, я не знаю, как они это делают, честно признаюсь.

М. ДАНИЛОВ – Это почти невозможно. И сначала пучки промахиваются, не попадают. Но они отклоняются, и по этому отклонению удается их подстроить так, чтобы они сталкивались. И поэтому, поскольку идет постоянная корректировка положения пучков, те вибрации, которые существуют в Японии, они не мешают…

Е. БЫКОВСКИЙ – Корректируются на ходу.

Н. АСАДОВА – Потому что если даже возвращаться к Большому адронному коллайдеру, то я из вашего журнала «Наука в фокусе» выяснила, что даже влияние Луны, вот этих приливов и отливов – приходится корректировать.

Е. БЫКОВСКИЙ – Да, конечно. Там кора уходит на 1,5 метра.

Н. АСАДОВА – На 25 сантиметров из-за прилива грунтовых вод.

Е. БЫКОВСКИЙ – Ну, может быть, в этом месте бывает и больше. Мне кажется, что больше. Ну, хорошо.

Н. АСАДОВА – Вот, предъявляю документ, ваш журнал.

М. ДАНИЛОВ – Требования для линейного коллайдера намного жестче, но тем не менее все это исследовалось, и его можно строить в Японии. Причем Япония строит его не только как научный инструмент, для них это будет такой основой для научного города, международного научного города. То есть они хотят создать новую такую международную культуру, которая бы полностью отличалась от того, что сейчас есть в мире. И они уже сейчас думают о том, как этот город построить, как сделать так, чтобы людям разных национальностей в нем жилось удобно, приятно. И вот это все обсуждается так же тщательно, как и технические детали этого коллайдера.

Н. АСАДОВА – Я так понимаю, что еще один коллайдер строят в Китае.

Е. БЫКОВСКИЙ – Собираются.

Н. АСАДОВА – Ну, собираются.

М. ДАНИЛОВ – Да, в Китае только собираются строить – так же, как и в Женеве, это только собираются строить. Сейчас строится только один коллайдер новый – это «фабрика прелести», «фабрика прелестных частиц», о которых я уже говорил, которые тоже позволяют исследовать наш мир.

Н. АСАДОВА – А это где?

М. ДАНИЛОВ – Это в Японии.

Н. АСАДОВА – Тоже в Японии.

М. ДАНИЛОВ – В лаборатории KEK. И мы принимаем участие в создании детектора для этого коллайдера.

Е. БЫКОВСКИЙ – А он какого размера? Не детектор, а коллайдер.

М. ДАНИЛОВ – Нет, он небольшой, потому что там энергия всего лишь около 10 ГэВ.

Е. БЫКОВСКИЙ – Гигаэлектронвольт.

М. ДАНИЛОВ – То есть в 1000 раз меньше, чем на Большом адронном коллайдере.

Е. БЫКОВСКИЙ – Десяток метров диаметр?

М. ДАНИЛОВ – Нет-нет-нет, это сотня метров, но все равно это намного меньше, чем в Большом адронном коллайдере. Дело в том, что нужна только такая энергия, которая производит эти прелестные частицы, распады которых потом изучаются. А они рождаются очень хорошо при 10 ГэВ примерно. Именно такую энергию там и делают. Это называется фабрикой, потому что там производится очень много прелестных частиц, то есть «фабрика прелести».

Е. БЫКОВСКИЙ – А у меня вот еще есть такой вопрос.

Н. АСАДОВА – Про Китай мы не закончили.

Е. БЫКОВСКИЙ – Вот Наргиз у нас любит притворяться блондинкой, а я сантехником. Мне интересно, как разгоняют частицы? Как разогнать пулю, я себе представляю; стрелу – тоже. А чем разгоняют частицы?

М. ДАНИЛОВ – Электромагнитным полем. Ну, в первом приближении вы можете себе представить, что это конденсатор, через который проходит электрон, например. Когда он проходит между двумя пластинами конденсатора, то он приобретает энергию. В кольцевом ускорителе он проходит этот конденсатор много раз, и каждый раз набирает и набирает энергию. Вот так и получается энергия. Ну, реально это, конечно, не конденсаторы, а более сложные резонаторы, но принцип, собственно говоря, мало отличается от конденсатора.

Н. АСАДОВА – А в Китае зачем хотят строить коллайдер? И что это будет за коллайдер? Он будет как-то дублировать?

Е. БЫКОВСКИЙ – Неужели они испытывают такой страшный интерес к фундаментальной науке?

М. ДАНИЛОВ – Китай очень быстро развивается именно в области физики элементарных частиц. И у них очень успешно работает другой коллайдер. Это совсем маленький коллайдер, который производит теперь очарованные частицы – «фабрика charm».

Е. БЫКОВСКИЙ – Вы так показали, Михаил, пальцем размер на столе. Несколько миллиметров коллайдер?

М. ДАНИЛОВ – Нет, коллайдер по-прежнему все равно в сотни метров, несколько сотен метров (я не помню точно, сколько там у них), но он производит очарованные частицы. И это очень успешная программа оказалась, и они сейчас думают о следующем шаге. И в качестве следующего шага они обдумывают проект, аналогичный проекту в ЦЕРНе. И, может быть, они сделают его раньше, чем в ЦЕРНе. Либо там, либо там будет одинаковый проект.

Н. АСАДОВА – Вот у меня поэтому вопрос возникает. Потому что когда мы слышим про проект в ЦЕРНе и про Большой адронный коллайдер, то очень часто можно услышать, что этот международный проект осуществим только при международном участии многих стран, при финансировании с разных сторон, что нужны ученые из разных стран, из разных институтов, и что одна страна не может это осуществить. И поэтому как бы все собрались и сделали это все в ЦЕРНе. Получается, что сейчас все больше и больше коллайдеров создают в разных странах. Почему так происходит?

М. ДАНИЛОВ – Нет, это происходит с точностью до наоборот. Если раньше было много коллайдеров… Например, был коллайдер в США, который назывался «Tevatron» – его закрыли, потому что существует теперь более мощный Большой адронный коллайдер. Существовала «фабрика прелести» в США, которую тоже закрыли. И, соответственно, американские ученые, которые там работают, они присоединились…

Н. АСАДОВА – К ЦЕРНу?

М. ДАНИЛОВ – Нет, не к ЦЕРНу, а вот к японскому проекту, «фабрике прелести», которая в Японии делается. Поэтому идет концентрация усилий. Так сказать, не расфокусирование, а наоборот, фокусировка усилий на нескольких проектах.

Всего лишь несколько коллайдеров сейчас рассматривается. Это, как я уже говорил, Международный линейный коллайдер, это «фабрика прелести» в Японии, в Новосибирске рассматривается «фабрика очарования», и наконец, вот рассматриваются, как более дальняя, по-видимому, перспектива, два коллайдера либо в Женеве, либо в Китае с одинаковыми примерно параметрами (правда, там 100 и 50 километров).

Е. БЫКОВСКИЙ – То есть у них сейчас конкурс как бы идет, тендер?

М. ДАНИЛОВ – Да, в каком-то смысле. Все эти коллайдеры не будут построены. То есть будет построена, безусловно, «фабрика прелести», а вот какой из коллайдеров на большей энергии будет построен, пока неизвестно. То есть их не будет безумно много.

Н. АСАДОВА – Вот у нас осталось немного времени, но я бы хотела вернуться к одной из задач, которая стоит перед Большим адронным коллайдером – уточнить, есть ли еще какие-то измерения. Каким образом это можно измерить, понять? Как можно произвести эксперимент, который нам покажет: ага, есть еще измерения другие, не только эти, к которым мы привыкли.

М. ДАНИЛОВ – Ну, представить себе дополнительные измерения человек, по-моему, не в состоянии.

Н. АСАДОВА – Ну да.

М. ДАНИЛОВ – Я, по крайней мере, не в состоянии.

Н. АСАДОВА – А как же их зафиксировать, если мы даже представить не можем?

Е. БЫКОВСКИЙ – А зафиксировать можно как раз.

М. ДАНИЛОВ – А вот представить себе, что мы живем в мире с меньшим количеством измерений, можно. Вот представим себе, что сила тяготения намного больше, чем мы думаем (в смысле, чем в нашем мире). И тогда она нас расплющит по поверхности земли – и мы станем такими двухмерными существами.

Н. АСАДОВА – Плоскими.

М. ДАНИЛОВ – Плоскими. Мы не сможем поднять голову, хотя это измерение есть. Но тем не менее мы можем понять, что это измерение есть, у нас могут какие-то объекты туда исчезать.

Е. БЫКОВСКИЙ – Или наоборот – появляться.

М. ДАНИЛОВ – Проще заметить исчезновение. И именно так дополнительные измерения ищутся на Большом адронном коллайдере (или на Международном линейном коллайдере точно так же будут искаться). Будут искаться процессы с видимым нарушением закона сохранения энергии и импульса. Допустим, вылетел фотон, а напротив него ничего нет – что-то улетело в другое измерение. И вот если мы найдем такие события…

Н. АСАДОВА – То получим Нобелевскую премию.

М. ДАНИЛОВ – Безусловно! Сомнений нет.

Н. АСАДОВА – Егор?

Е. БЫКОВСКИЙ – А у меня не было никакого вопроса, я слушал про измерения, заслушался. А сколько их может быть вообще, кстати, измерений, если уж представлять, сколько их может быть?

М. ДАНИЛОВ – Их может быть много, они могут быть разные: могут быть маленькие, могут быть большие. Это целая история, я боюсь, что мы сейчас про это не сумеем детально поговорить.

Н. АСАДОВА – А я бы тогда вернулась к вашей работе в Японии и к «фабрике прелести», потому что вы получили свои премии именно за изучение прелести.

М. ДАНИЛОВ – Да.

Е. БЫКОВСКИЙ – Какие все-таки замечательные названия в физике существуют: «фабрика прелести», «фабрика очарования».

Н. АСАДОВА – Скажите, пожалуйста, что это все-таки за частицы и что с помощью их удалось, например, ученым выяснить?

М. ДАНИЛОВ – Ну, я еще раз попробую привести пример, который показывает…

Н. АСАДОВА – Проиллюстрирует, скажем так.

М. ДАНИЛОВ – Проиллюстрирует возможности прелестных частиц и изучение так называемых виртуальных частиц. Виртуальные частицы, напомню – это такие частицы, которые возникают очень ненадолго и исчезают. Но, возникнув, они могут существенно изменить свойства частиц тех, которые мы знаем.

Вот, в частности, кварк, который называется топ-кварк, может перевести прелестную частицу в свою античастицу. И такой процесс мы в свое время обнаружили в составе международной коллаборации ARGUS. И это привело к большим последствиям.

Дело в том, что в то время на ускорителе, на коллайдере с самой большой энергией в эксперименте было заявлено об обнаружении так называемого топ-кварка, самого тяжелого кварка. Это было объявлено на конференции в Лейпциге в 1986 году. И это было настолько яркое явление, что тигренка в Лейпцигском зоопарке назвали Топ – ну, как кварк.

А через год мы обнаружили переходы прелестных частиц в античастицы и показали, что масса t-кварка намного больше, чем то, что «увидели» (в кавычках, как теперь ясно) на самом мощном ускорителе в то время. Вот таким образом, изучая виртуальные частицы, можно получить результаты, которые более точные и более чувствительные, чем при прямых поисках.

Мы долго собирались послать запрос в Лейпцигский зоопарк, чтобы переименовали тигренка, но так и не послали. Наверное, он по-прежнему Топ.

Е. БЫКОВСКИЙ – Жалко тигренка переименовывать-то все время.

Н. АСАДОВА – Если обобщить наш сегодняшний разговор и уйти уже от этих мизерных частиц к нашему миру большому, то, в общем-то, изучение процессов, которые происходят на Большом адронном коллайдере и на других коллайдерах, помогает нам на самом деле понять, как устроен наш мир.

М. ДАНИЛОВ – Правильно, конечно. Не только как устроен наш мир, но и, вообще говоря, Вселенная.

Н. АСАДОВА – Да, Вселенная.

М. ДАНИЛОВ – Потому что мы, изучая самые маленькие частицы, тем самым изучаем Вселенную во времена, очень близкие к началу ее рождения. Это все связано.

Н. АСАДОВА – А нам это важно знать? Почему?

М. ДАНИЛОВ – Да. Почему?

Н. АСАДОВА – Как родилась Вселенная.

М. ДАНИЛОВ – Зачем вообще нужна фундаментальная наука? Когда ученых спрашивают, зачем нужна фундаментальная наука, они начинают говорить о том, что: «Ну вот, все открытия в результате привели к улучшению нашей жизни: появилось электричество, теперь есть телевизор», – или какие-то еще…

Н. АСАДОВА – Бытовые приборы.

М. ДАНИЛОВ – …Бытовые приборы, которые полезны. И это все правильно. Все, собственно говоря, развитие человечества движется за счет развития фундаментальной науки. Однако, на мой взгляд, это побочный результат. А основной результат очень простой. Фундаментальная наука… Заниматься ею – это есть предназначение человечества. Человечество создано для того, чтобы заниматься фундаментальной наукой, а не для того, чтобы пить пиво, есть сосиски и смотреть телевизор.

Е. БЫКОВСКИЙ – Есть чуть проще: человечество создано для того, чтобы узнать, кто оно и зачем.

М. ДАНИЛОВ – Да, кто оно и зачем, как устроена природа, как устроен человек. И если общество этим не занимается, то оно загнивает и распадается.

Е. БЫКОВСКИЙ – Прекрасный ответ.

Н. АСАДОВА – Да. Вот на этой грандиозной ноте мы закончим нашу сегодняшнюю передачу. С вами были Наргиз Асадова и Егор Быковский. И мы благодарим нашего гостя – Михаила Данилова, российского ученого в области физики элементарных частиц, члена-корреспондента РАН, лауреата премий Планка и Карпинского 1996-го и 1998 годов, заведующего кафедрой физики элементарных частиц на Физтехе и заведующего кафедрой в МИФИ.

Е. БЫКОВСКИЙ – Большое спасибо, Михаил и Наргиз.

Н. АСАДОВА – Спасибо вам.

Е. БЫКОВСКИЙ – А слушателям я желаю удачного конца воскресного дня.

Н. АСАДОВА – До свидания!

М. ДАНИЛОВ – Спасибо большое!