Ученым мало большого адронного коллайдера — нужен очень большой

В минувшем феврале мировое научное сообщество собралось в Женеве, чтобы обсудить строительство еще одного, теперь уже Очень большого адронного коллайдера, перед которым ставят задачу сотворить темную материю и пролить свет на самые маленькие запчасти Вселенной

Большой адронный коллайдер (БАК) — это, как известно, гигантское кольцо сверхпроводящих магнитов, напичканное электроникой. Оно пролегает под швейцарским городком Мейран, международным аэропортом Женевы и французским Превесан-Моэн. БАК был запущен в 2008-м, через два года достиг рекордной на сегодня энергии в 7 тэраэлектронвольт (ТэВ), а в 2013-м, после победного обнаружения бозона Хиггса, его закрыли, повесив табличку "ремонт".

Маленький, но важный

Поимка бозона Хиггса, загадочной частицы, которая наделяет массой все существующее во Вселенной, была, по большому счету, делом времени. Когда Питер Хиггс в 1960-е годы предсказал ее существование, Стивен Хокинг поспорил с ним на сто долларов, что ее никогда не откроют. Так что Хиггс ждал своего вознаграждения больше полувека.

Одноименный бозон ученые ловили с конца 1970-х, когда появились мощные ускорители. Он оставался последним неизвестным кирпичиком Стандартной модели, которая говорила о том, что наша Вселенная заполнена неким полем, в котором "вязнут" все частицы и тем самым приобретают массы. Не будь этого, наш мир и не возник бы: частицы так бы и летали со скоростью света, не образуя вещество. И вот бозон Хиггса — квант этого поля — пойман.

— Теперь найденную частицу предстоит изучать,— говорит главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, академик Валерий Рубаков.— Нужно померить ее свойства, понять, как она взаимодействует с известными нам частицами. Это взаимодействие определяется некоторыми числами: бозон Хиггса должен соответствовать определенным величинам.

Однако, для того чтобы изучать частицу, БАК не подходит в силу того, что он предназначен для работы с протонами.

— Удар протоном по протону напоминает столкновение двух мешков с кирпичами: удар будет сильный и из мешков много что высыпется,— продолжает академик Рубаков.— Иными словами, помимо тех процессов, которые нас интересуют, при таких столкновениях еще много что происходит. Поэтому уже сейчас обсуждаются проекты коллайдеров, где ускоряются не протоны, а электроны и позитроны. Электрон — это точечная частица, тут никакого мусора нет. Однозначно можно сказать, что следующим за БАКом должен быть электрон-позитронный коллайдер высоких энергий.

Установок такого уровня в мире сегодня нет. Об их необходимости говорят все научные державы, а японцы объявили и о готовности строить современный линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию в 500 ГэВ. Вот только никто не знает, хватит ли этого.

— Сегодня есть миллион гипотез, но нет надежных предсказаний, какая энергия нужна,— говорит академик Валерий Рубаков.— Есть риск, что машина в 500 ГэВ не дотянется до той новой физики, которую нам, как все надеются, предстоит изучать. Может быть, надо делать на 750 ГэВ или на 1000. Но и в этом случае есть большой риск построить машину напрасно.

Гонка научных вооружений

Научные державы боятся упустить шанс стать первыми. Обидные промахи уже случались в ХХ веке, когда до глобальных открытий не хватало немного мощности. Тот же ЦЕРН в свое время недобрал 40 ГэВ, чтобы открыть бозон Хиггса на предшественнике БАКа.

Вообще, когда речь об установках для исследований такого масштаба, сложно понять, какого размаха работы потребуются. На встрече в феврале этого года в Швейцарии ученые поделились в буквальном смысле приземленными размышлениями по поводу Очень большого адронного коллайдера. Для кольцевого туннеля в 100 км предстоит выкопать 10 млн кубометров земли. И куда ее деть?

В начале тестовой работы БАКа на одном участке установки расплавились силовые кабели и прожгли дырку в системе охлаждения сверхпроводников. В коридоры взрывом было выброшено 7 тонн жидкого гелия, заморозивших один из отсеков почти до абсолютного нуля. А представляете, сколько сил придется тратить на мониторинг электрокабелей, учитывая, что ими можно несколько раз проложить дорогу от Земли до Луны?

Эти и другие вопросы зачастую тормозят научные аппетиты стран, включившихся в гонку за новыми элементарными частицами. Тем более что история уже знает немало заброшенных коллайдеров, которые в свое время поглощали средства не хуже черных дыр. Один из таких коллайдеров-призраков у нас в подмосковном Протвино. Его начали строить в 1983-м и за 11 лет создали 21-километровый туннель с подземными залами и шахтами. Интересно, что его диаметр точно совпадет с диаметром туннелей метрополитена: в СССР проходческие щиты были одного размера — под метро. Увы, в середине 1990-х деньги на науку закончились и проект бросили. Иногда в интернете всплывают фотографии протвинского коллайдера под названием "заброшенное чудо СССР".

В США та же история случилась с гигантским ускорителем на энергию в 40 ТэВ — в разы мощнее нынешнего Большого адронного коллайдера. Проект Сверхпроводящий суперколлайдер начали строить в начале 90-х в штате Техас, но довольно быстро оказалось: стоимость работ сильно недооценена и проект выльется в 12 млрд долларов. Правительство США сделало вид, что ему пришлось выбирать, что финансировать: МКС или суперколлайдер. Выбрали космонавтов. К тому времени уже было построено 14 км туннеля и целый город над землей.

В шаге от кипения

Интересно, что Большой адронный коллайдер до сих пор работал только в половину мощности. Причем новость о том, что ученые обсуждают строительство нового Очень большого адронного коллайдера, пришла уже в разгар ремонта БАКа. Его мощность будет казаться скромной по сравнению с новой машиной: 14 ТэВ против 100.

Физики говорят, что сейчас человечество находится у своеобразной черты: до сих пор, используя энергию БАКа в 7 ТэВ, они довольно четко представляли, какие частицы будут образовываться в столкновениях на коллайдере. Эксперимент с большими энергиями уводит нас в ту область мироздания, о которой мы знаем ничтожно мало. Чтобы дать представление о ней, ученые приводят образ: наблюдая за пузырьками воды в закипающей кастрюле, мы можем предположить, что в пределах ста градусов произойдет нечто важное, но что именно, не понять, пока мы не увидим, как кипит вода.

— У большинства физиков есть надежда, что, когда БАК выйдет на полную энергию, там будет открыто что-то еще, помимо бозона Хиггса,— подтверждает академик Валерий Рубаков.— И это будет что-то новое, чего мы никогда не встречали. Тем не менее большинство гипотез говорят о том, что это будут открытия в пределах энергий уже существующего БАКа. Во всяком случае, по-настоящему сильных аргументов в пользу того, что надо строить 100-километровый адронный коллайдер, пока нет.

Подобные вопросы мировому научному сообществу стоит решать сообща, учитывая, что Очень большой адронный коллайдер обойдется человечеству в 50 млрд евро. Стоит ли вкладывать все эти средства и все эти усилия? Такие вопросы часто задают обыватели на сайтах ЦЕРНа. Физики отвечают: да, стоит. Хотя бы потому, что именно ядерная физика "тащит" за собой технологии, развивающие нашу цивилизацию. К тому же, спрашивают в ответ ученые, разве вам не обидно, что за две тысячи лет развития мы узнали, из чего состоит только 4 процента нашей Вселенной?