Возвращение героя

Примерно в это же самое осеннее время два года назад во всех СМИ и в блогах беспрерывно муссировалась одна и та же тема - запуск Большого адронного коллайдера (БАК). Немалая часть дискуссий велась в ключе "что именно с большей вероятностью уничтожит Землю - родившиеся в коллайдере черные дыры или же появившаяся в нем странная материя?" Против будущего истребителя человечества даже подавали иски в суд, но, несмотря на все сомнения и массовую истерию, коллайдер все-таки запустили. Земля не превратилась в сгусток антиматерии, и журналисты потихоньку стали забывать о страшном устройстве.

Но через девять дней после запуска БАК вновь попал в заголовки - из-за серьезной аварии эксперименты на нем были прерваны, едва начавшись. Выяснение причин произошедшего и ремонт коллайдера заняли 14 месяцев, в течение которых интерес к страшному агрегату постепенно угасал и вновь возник только непосредственно перед повторным запуском. Пучки протонов начали циркулировать по ускорительному кольцу БАК и сталкиваться, мир опять устоял, и ажиотаж окончательно стих. О ходе экспериментов на коллайдере периодически писали специализированные СМИ, а далекие от физики граждане вспоминали БАК только в шутку – "вот придет 2012 год, коллайдер заработает на всю катушку, и тогда-то нам всем конец".

Но в начале этой недели БАК вновь появился в заголовках - ученым якобы удалось обнаружить свидетельства происходящих при столкновениях пучков протонов необъяснимых явлений. Как это часто бывает, в прессе писали о "попрании физики" и даже "посрамлении науки". Нередко после таких сенсационных сообщений выступает кто-нибудь из ученых, имеющих непосредственное отношение к эксперименту, и опровергает все эти интригующие заявления. Однако в этот раз исходное сообщение о необычных эффектах исходило из CERN (Европейский центр ядерных исследований - организация, которая курирует работу коллайдера).

Пресс-релиз был озаглавлен "На детекторе CMS обнаружен, вероятно, новый и интересный эффект", а в тексте сообщалось, что физики зарегистрировали корреляцию в поведении элементарных частиц, которая до сих пор никогда не наблюдалась при столкновениях протонов. Уточнялось, что у ученых есть несколько гипотез, объясняющих наблюдаемый эффект, но склониться к какой-либо одной они пока не могут - необходимо собрать дополнительную статистику.

Вместе

Что же произошло на детекторах Большого адронного коллайдера? Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно вкратце напомнить, что за опыты проводятся на БАК. Эксперименты на ускорителях не похожи на то, что обычно подразумевают под словом “эксперимент”. Ученые не проводят одни и те же действия по много раз, меняя условия - вместо этого они собирают и анализируют данные, поступающие от процесса, который непрерывно происходит в кольцевом ускорительном тоннеле БАК в течение многих месяцев. По тоннелю с околосветовыми скоростями циркулируют пучки протонов, которые сталкиваются друг с другом в нескольких точках кольца.

Как читатели (и особенно автомобилисты) знают из повседневного опыта, чем выше скорость участников столкновения, тем сильнее будут последствия. Точно такое же правило действует и в мире элементарных частиц, но в отличие от привычного нам макромира, при соударении двух объектов происходит не только их разрушение, но еще и рождение новых объектов - элементарных частиц. Изучая свойства этих частиц, например их скорость и направление движения, физики проверяют теоретические модели, объясняющие, как устроена материя, и накапливают информацию для их уточнения или создания новых теорий.

Детекторы БАК как раз и собирают информацию о том, как и куда полетели образовавшиеся при столкновениях протонов элементарные частицы. Анализируя информацию, поступившую на один из детекторов (всего их четыре) под названием CMS (Compact Muon Solenoid), ученые заметили, что некоторые пары частиц движутся не независимо друг от друга - они "предпочитают" разлетаться по близким направлениям. Физики называют такое поведение скоррелированным.

Ученые обнаружили эти корреляции не случайно - они прицельно искали именно их. Похожее явление раньше уже наблюдалось на другом коллайдере - RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider - релятивистский коллайдер тяжелых ионов), на котором сталкиваются не протоны, а целые ядра. Для скоррелированного поведения ядер у физиков есть возможное объяснение - при столкновении ядер возникает особое состояние материи, которое оказывается вытянутым вдоль направления их движения. Соответственно, траектории частиц, рождающихся в итоге соударения, также оказываются скоррелированными по этому направлению. Не исключено, что в случае столкновения протонов могут происходить похожие процессы, но эта гипотеза требует очень серьезной дополнительной проверки.

Что дальше

Пока физики собрали очень немного данных о корреляции частиц - столкновения в БАК происходят на относительно небольшой энергии 7 тераэлектронвольт, соответственно, рождается не очень много частиц. В ближайшее время ученые намерены продолжить анализ поступающей на CMS информации и уточнить характеристики корреляции. До конца октября 2010 года протоны в коллайдере будут сталкиваться на тех же энергиях, а затем до конца года будут проводиться эксперименты по столкновению ионов свинца. После физики вновь запустят в ускорительное кольцо протоны.

До конца 2011 года специалисты не будут увеличивать энергию столкновений - она останется равной 7 тераэлектронвольтам. Кстати, "небольшим" это значение стало считаться совсем недавно - до запуска БАК ни на одном другом коллайдере не удавалось даже близко подойти к таким цифрам. Другой вопрос, что максимально возможная для БАК энергия столкновений вдвое больше - и физики очень ждут, когда ускоритель сможет выйти на такие мощности. Предполагается, что при энергии столкновений пучков протонов в 14 тераэлектронвольт могут рождаться еще неизвестные физикам частицы - до сих пор все достоверно зарегистрированные в коллайдере частицы уже были описаны ранее. Тем не менее, при помощи БАК ученые получили возможность собрать о них в несколько раз больше информации, чем до сих пор.

"На полные обороты" коллайдер должен выйти в 2013 году (а не в 2012-м, как планировалось раньше), но перед тем, как физики испытают всю мощь ускорителя, им придется на год прервать эксперименты, чтобы подготовить БАК для его триумфа. Специалистам придется модернизировать электронные контакты коллайдера, чтобы избежать печального сценария 2008 года. Если ускоритель будет работать без сбоев, в 2016 году его снова остановят для того, чтобы потом проводить в нем столкновения пучков повышенной интенсивности.

Наконец, в совсем отдаленной перспективе ученые намерены модернизировать ускоритель так, чтобы он мог до 2030 года работать в режиме высокой светимости (чем больше светимость, тем чаще сталкиваются элементарные частицы из встречных пучков). Программа-максимум предполагает, что к 2035 году специалисты смогут довести энергию пучков аж до 16,5 тераэлектронвольта.

Конечно, все эти планы будут еще не раз изменяться и уточняться. Помешать их реализации может огромное количество факторов - от нехватки финансирования до технических неполадок. Но хотелось бы верить, что заманчивые перспективы, которые обещает продолжение дальнейшей работы коллайдера, помогут физикам справиться с ними и убедить власти предержащие в том, что строительство и поддержка таких масштабных проектов - дело государственной важности.