Большой коллайдер – своими глазами

С 13 по 20 октября в Женеве состоялась Вторая научная школа для педагогических работников Малой Академии наук Украины в рамках совместной декларации Малой Академии наук Украины и Европейской организации ядерных исследований ЦЕРН. Из 25 лучших учителей Украины Кировоградскую область в этом проекте представляли Юрий Владимирович Буряк – руководитель секции физики научного общества школьников «Дивосвіт», учитель физики и информатики Кировоградского облкомплекса «гимназия–интернат–школа искусств», Светлана Викторовна Писковая – руководитель секции «Конструирование», заместитель директора по учебно-воспитательной работе Лицея информационных технологий г. Александрия, Лариса Александровна Митленко – руководитель секции «Авиация и космонавтика» школьного научного общества «Сузір’я», заместитель директора по научно-методической работе Новопражского учебно-воспитательного комплекса.

Нам, украинским учителям, невероятно повезло: мы ехали в Женеву увидеть то, о чем детям рассказывали на уроках физики как о чем-то очень далеком и непонятном – ядерном коллайдере.

Все участники Второй научной школы – учителя физики, и мы не понаслышке знаем о строении вещества, элементарных частицах, ускорителях, методах определения частиц и других физических понятиях, но то, что мы увидели там, пожалуй, в корне изменило наш взгляд на современную физическую картину мира.

Но обо всем по порядку. Итак, нам предстояло познакомиться с легендарным ЦЕРНОм.

Несколько лет назад появилась масса сообщений, что в результате ядерных исследований в коллайдере может образоваться «черная» дыра, которая поглотит Землю. К тому же не забылся еще и фильм Рона Ховарда по одноименному роману Дэна Брауна «Ангелы и демоны», в котором одна из сюжетных линий сводится к похищению антивещества из ЦЕРНа и попытке организовать колоссальный взрыв с его помощью.

На самом деле ЦЕРН – это Европейский центр ядерных исследований, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Находится ЦЕРН на границе Швейцарии и Франции, на окраине Женевы. Территория ЦЕРНа включает в себя лаборатории, ускорительные комплексы, детекторы, производственные и жилые помещения, учебные аудитории и залы для конференций. Что касается последних, все оборудовано по последнему слову техники с максимальным удобством для общения лектора и слушателей (микрофоны, огромные экраны и много другого).

Официальным днем рождения ЦЕРНа считают 29 сентября 1954 года. Целью создания такой организации было желание восстановить потенциал Европы, ослабленный Второй мировой войной, нивелировать возможность усиления военной мощи одной отдельно взятой страны, используя результаты ядерных исследований.

Сейчас основными функциями ЦЕРНа являются фундаментальные исследования в области физики высоких энергий, развитие современных технологий, образование физиков и объединение людей. Финансируется ЦЕРН за счет взносов стран-участниц. Их сейчас 20. Ряд стран имеют статус наблюдателя, Украина собирается стать ассоциированным членом этой организации.

Официально зарплату от ЦЕРНа получают 2300 ученых, временно работают около 11000 человек, их исследования оплачивают те университеты, которые их в ЦЕРН и присылают. По большому счету, все исследования, производимые в ЦЕРНе, направлены на то, чтобы дать ответы на вопросы: «Из чего состоят материя и Вселенная? Что произошло в первые секунды после Большого Взрыва? Почему мы существуем?»

Все здания на территории ЦЕРНа однотипны – низкие одно-, двух-, трехэтажные бетонные коробки c номерами, расположенные вдоль улиц, носящих фамилии великих физиков.

Все время проведения научной школы нас сопровождали координатор образовательных проектов ЦЕРНа Микк Сторр и его коллега россиянка Марина Савино. Именно здесь мы поняли, что такое швейцарская точность, – опоздания даже на 5 минут здесь недопустимы, да и ждать тебя, собственно говоря, никто не будет.

Программа была очень насыщенной. Лекции читали ведущие специалисты ЦЕРНА. Особо выделю лекции профессора Национальной академии наук Украины Геннадия Зиновьева. Интеллигент, умнейший человек, поговаривают, что именно он — один из следующих кандидатов на Нобелевскую премию.

Перед нами выступали талантливые молодые ученые – Алексей Кононенко, Максим Титов, Дмитрий Горбунов, Дмитрий Ковальский. Порадовала нас и молодая украинская аспирантка Леся Щуцкая. Лекция – просто чудо, английским владеет в совершенстве, независимая, веселая, уверенная в себе. Но! Она, как и многие другие, получила контракт для проведения исследований не из Украины, а из университета Флориды. Вот где наглядно видишь, как наши «мозги» работают за границей…

Ну а теперь, пожалуй, надо рассказать и о самих экспериментах в ЦЕРНе.

Сейчас даже школьникам известно, что вещество состоит из молекул или атомов, атом, в свою очередь, состоит из атомного ядра и электронов, а атомное ядро – из протонов и нейтронов. На протяжении ХІХ-ХХІ столетий физики проводили множество экспериментов по выявлению этих частиц, на основе чего и была выстроена современная модель строения вещества, согласно которой, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Они и являются одной из составляющих материи.

Для того, чтобы выяснить, что же происходит во время реальных физических процессов в природе, необходимо «разогнать» частицы до очень высоких скоростей, сравнимых со скоростью света, и столкнуть их. В результате их столкновения образуются частицы, фиксируя характеристики которых, можно сделать выводы о строении вещества.

Именно с этой целью физики и создали ускорители элементарных частиц. Начиная с 70-х годов советским школьникам уже было знакомо слово «синхрофазотрон». В свое время на территории бывшего СССР были созданы ускорители в подмосковной Дубне и Новосибирске.

В ЦЕРНе в 2001 году было начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК) LHC – ускорителя заряженных частиц, предназначенного для разгонов протонов и тяжелых ионов свинца и изучения продуктов их столкновения. Диаметр основного кольца коллайдера – 27 км, находится он под землей, на гранитной плите, на глубине 100 м. Для того, чтобы разогнать частицы до скорости, близкой к скорости света, в вакууме, протону необходимо пройти несколько этапов: из емкости с водородом протоны «впрыскиваются» в линейный ускоритель Linac, в следующих ускорителях PS, BOOSTER, SPS постепенно увеличивают энергию, и лишь потом пучки адронов попадают в БАК. После этого пучки частиц сталкивают. В результате этих столкновений образуются новые частицы, которые ученые изучают.

Энергию движущихся в БАК частиц можно сравнить с кинетической энергией самолета, хотя масса всех частиц – порядка нанограмма, их не увидишь не то что невооруженным глазом, но даже и в микроскоп. Поэтому в местах столкновения частиц построены огромные детекторы ALICE, ATLAS, CMS, LHCb фиксирующие результат столкновения частиц.

Надо сказать, что сам проект – колоссальный, причем колоссальный во всем. Во-первых, по вложению денег. Планировалось, что строительство БАК будет стоить 3 млрд евро, обслуживание – 700 млн евро. Но обошлось все это намного дороже. И заметьте, это только стоимость БАК!

Во-вторых, здесь задействованы самые передовые технологии, здесь трудятся самые умные люди планеты, здесь над одним проектом работают тысячи ученых! Вот хотя бы один пример. В ЦЕРНе разработана и успешно функционирует система GRID. Это компьютерная система, предназначенная для обработки данных с БАК. Идея состоит в том, чтобы не пытаться сосредоточить все мощные компьютеры в одном месте, а объединить то, что уже есть, в разных уголках планеты. GRID имеет четкую иерархическую структуру. Первый нулевой уровень Tier 0 находится в компьютерном центре ЦЕРНа и насчитывает более 14500 процессоров. Здесь получают информацию с детекторов и хранят данные до конца экспериментов на специальных лентах. Следующий уровень Tier 1 предполагает хранение копий полученных данных в 11 точках мира. Уровень Tier 2 – это вычислительные центры, расположенные по всему миру, которые обрабатывают полученные данные и присылают их обратно в ЦЕРН. Кстати, у нас в Харькове есть компьютерный центр, который работает над задачами ЦЕРНа. Приятно, правда?

Надо отметить, что все работники ЦЕРНа очень гордятся своим местом работы и теми достижениями и открытиями, которые были сделаны в стенах этой крупнейшей лаборатории мира. Нам не раз напоминали, что в одной из лабораторий ЦЕРНа работал «отец» современного Интернета Тим Бернерс Ли. Именно он в 1989 году создал первый в мире сайт info.cern.ch, опубликовал на нем описание новой технологии World Wide Web, основанной на протоколе передачи данных НТТР, системе адресации URL и языке гипертекстовой разметки HTML, описал принципы установки и работы серверов и браузеров, предложил концепцию операционной системы Linux.

А еще всех посетителей ЦЕРНа поражают колоссальные энергии, используемые в проекте. Говорят, что, когда работает БАК, он потребляет столько же энергии, сколько весь кантон Женева в целом!

А чего стоят только магниты! Их в БАК – 9300! Они создают индукцию магнитного поля, равную 7,4 Тл (например, магнитное поле Земли на экваторе имеет индукцию 0,00003 Тл). Магниты необходимо охлаждать, для этого используется самая большая холодильная установка в мире, которая состоит из 10800 т жидкого водорода при температуре -193,2 оС и 60 т жидкого гелия при температуре -270 оС. Нам говорили, что для охлаждения магнитов был использован гелий, произведенный за год всеми производственными мощностями мира!

Таких примеров можно приводить еще множество. Нам приходилось многому удивляться, особенно во время посещений запланированных в программе объектов. Например, осматривая компактный мюонный соленоид CMS, мы спустились на специальном лифте на глубину 100 м, увидели множество сложнейших конструкций. Для того, чтобы создать этот детектор, необходимо было остановить подземную реку: соленую воду при низкой температуре заставили несколько месяцев циркулировать вдоль будущего объекта, заморозили, а потом выкопали воду и зацементировали стенки шахты. Размеры шахты 53х27х24 м – то есть приблизительно два сессионных зала Верховной Рады. Сам детектор – сложнейшая конструкция весом 125 000 т (столько железа хватит на Эйфелеву башню), каждое кольцо корпуса весит 1300 т. А как опускали в шахту оборудование стоимостью 60 млн евро – целая история. Это, как говорится, вам не блоки египетской пирамиды один на другой поставить. Кстати, в CMS тоже есть огромный магнит. Если бы этот магнит работал без охлаждения, с его помощью можно было бы расплавить 18 т золота только во время одного включения.

Все это впечатляет, и сразу напрашиваются аналогии с чудесами мира. Безусловно, БАК – это вершина инженерной мысли современности, можно сказать, квинтэссенция современной науки, но… Очень часто у нас возникал вопрос: насколько это нужно и безопасно? Ведь по всей территории ЦЕРНа развешаны предупреждения о радиоактивной безопасности. И, наверное, недаром ЦЕРН так серьезно и последовательно внедряет множество образовательных программ для разных категорий заинтересованных людей: учителей, студентов, школьников, аспирантов, ученых. Думаю, что и простым смертным при желании туда можно попасть. Скорее всего, это хорошо продуманная стратегия, ведь народ должен знать, куда идут деньги налогоплательщиков.

А еще возле проходной детектора ATLAS есть замечательный музей Microcosm. Он посвящен физике элементарных частиц. Его ежегодно посещают более 20 тысяч человек. Он популярен среди посетителей потому, что, кроме необычного «космического» дизайна, в нем можно самому провести еще кучу познавательных экспериментов, увидеть космические лучи, поиграть с молниями, увидеть новейшие технологии в действии.

Но, конечно же, нас, физиков, в ЦЕРН влекло в первую очередь желание услышать из первых уст, что там у них с открытием «частицы Бога» — бозона Хиггса.

Ученые считают, что именно обнаружение этой частицы даст понимание того, как была создана Вселенная. Согласно стандартной модели, после Большого Взрыва, когда Вселенная начала формироваться, протоны и электроны двигались беспорядочно. Но, когда они начали взаимодействовать с «полем Хиггса», состоящим из бозонов Хиггса, частицы замедлились, получили массу и структуру, сформировав таким образом состав Вселенной.

4 июля 2012 года в большой аудитории для лекций в ЦЕРНе объявили, что на детекторах ATLAS и CMS независимо друг от друга обнаружили новую частицу с массой около 125-126 ГеВ. Она и является кандидатом на бозон Хиггса, который называют еще «Ангелом Творения» и «Кирпичом, который построил Вселенную». Говорят, что желающие услышать это сообщение занимали очередь на лестнице перед аудиторией с 5 утра.

Еще раз подчеркну, что ЦЕРН поражает, заставляет задуматься о смысле жизни, дает толчок к новым познаниям. Но мы, украинцы, наверное, не были бы украинцами, если бы не попытались сравнить, как же живут люди в другой стране, особенно такой, как Швейцария.

Женева – это нечто! Мало сказать о том, что тут свой особый ни с чем не сравнимый колорит, это просто надо увидеть и почувствовать.

Во всех витринах – часы. Причем самые разнообразные – Оmega, Tissot, Rollex и даже «Зенит» и «Полет»! Здесь огромное количество чистых, ухоженных самобытных кафешек со свежей выпечкой и хорошим кофе, с улыбчивым, респектабельно выглядящим персоналом. Кстати, мы ни разу (!) не встретили на улице бродячих собак и кошек. Их здесь нет в принципе. Зато на набережной реки Роны, протекающей прямо в центре Женевы, бессчетное количество ручных лебедей, которые нагло залезут к вам в пакет за съестным.

Символом Женевы считают замечательный фонтан, который бьет прямо из озера. Вдоль моста через Рону, да и по всей Женеве – огромное количество национальных флагов. Вдоль дорог отведены велосипедные дорожки, стоянок велосипедов очень много, и, кстати, таких дорогих машин, как в Киеве, здесь практически нет (по крайней мере, мы не видели).

В Женеве находится множество штаб-квартир разных международных организаций: ООН, Красного Креста, ВОЗ, ВОТ, ФИФА, ФИБА, МОК и.т.д. Очень бросилось в глаза огромное количество эмигрантов. Нам говорили русскоязычные жители Женевы, которых мы случайно повстречали, что последние годы Швейцария активно пытается решить проблему «понаехавших». Очень часто они просто теряют документы, в какую страну их депортировать – неизвестно, так и остаются они жить в благополучной Европе.

Безусловно, здесь многое удивляет. Например, пресловутая швейцарская точность: здесь весь транспорт отходит вовремя. Здесь огромное количество шоколада, есть магазинчики, где вручную делают всякие шоколадные чудеса, но это очень дорого. Огромное количество сыров, колбас, фруктов, выпечки. Все выглядит свежим и вкусным. Удивительно, но магазины здесь работают шесть дней в неделю и максимум до семи вечера. Наша группа зашла в магазин без двадцати семь и собиралась основательно сделать покупуи. Хозяин вежливо попросил нас выйти ровно в семь вечера.

Здесь не работают до последнего покупателя, живут размеренной жизнью, и им всего хватает, они постоянно улыбаются. Как им это удается? Может, мы, украинцы, что-то не так в своей жизни делаем? Я уверена, что у каждой страны, как и у каждого человека, свой путь, и нам необходимо, наверное, еще многое пережить для того, чтобы и мы гордились своей страной, чтобы Украина, как и Швейцария, стала для европейцев туристической меккой. Будем верить, что так и будет.

Лариса Митленко.