А.В.Суворов. Статья об ускорительной физике.

           "Все мы учились понемногу", и поэтому должны помнить про первую НТР – научно-техническую революцию, начавшуюся в конце XIX века. Жизнь стремительно менялась, причём, и на доступном среднему человеку уровне, поэтому бурные успехи физики не вызывали изумления, а ведь и конец XIX, и почти вся первая половина XX века прошла под знаменем пересмотра самых фундаментальных взглядов. Атом перестал быть «неделимым», сначала от него оторвали электроны, затем и ядро оказалось состоящим из отдельных протонов и нейтронов.
           Так получилось, что непаханое ранее поле стали обрабатывать сразу много гениальных учёных – то ли повезло этому времени на физиков, то ли просто в воздухе что-то такое носилось; Кюри и Резерфорд, Эйнштейн и Бор, Лоуренс и Дирак, Ферми и Сциллард, Оппенгеймер и Теллер, - а это даже не все самые известные фамилии! С какой-то яростной радостью физики по всему миру атаковали самые основы мироздания. И мироздание, казалось, охотно расстаётся со своими секретами – за каких-нибудь три десятка лет была открыта естественная радиоактивность, искусственная радиоактивность, деление ядер урана нейтронами, сверхпроводимость при температуре жидкого гелия и сверхтекучесть этого самого жидкого гелия. Казалось, будто учёные превратились в сказочных гномов – куда ни тюкнут своим молоточком, или золотая жила, или драгоценный камень…
           Как всегда, при зарождения "новой физики", экспериментальное оборудование, – приборы и установки, – физики делали сами, обходясь минимумом средств и материалов. Они отделяли радон от радия, чтобы использовать этот газ, как источник альфа-частиц, ведь радий был дорог, а радон – бесплатен, хоть и работал всего неделю. Для проверки идеи замедления нейтронов Энрико Ферми использовал фонтан – как самый большой «сосуд» с водой поблизости. Доходило до того, что для проверки активации (возможности появления искусственной радиоактивности) разных химических элементов, физики их покупали на собственные деньги – ведь требовались-то граммы, а то и доли граммов. На все физические исследования за первую треть XX века вряд ли было потрачено сто миллионов долларов, – в нынешних ценах, в тогдашних суммы выглядели ещё меньше. Постепенно, однако, инструменты становились сложнее и дороже – впрочем, в других науках происходило то же самое, везде внедрялись новые приборы и новые принципы, но всё шло медленно и казалось естественным.
           Интересно, что физики-теоретики не отставали от своих коллег-экспериментаторов, и быстро придумывали объяснения наблюдаемым результатам. Правда, часто их теории были «феноменологическими», полуэмпирическими, то есть, описывая внешнюю сторону явлений, они могли ответить на вопрос «как», но очень редко – «почему». Например, ранняя теория сверхпроводимости, - ясно было, что электроны объединяются в квазичастицы (Куперовские пары), но неясно, почему в одних материалах эти пары образуются при близости к абсолютному нулю, а в других – например, чистой меди – не образуются вовсе. Открытие нейтрино группой Ферми было таким же феноменологическим объяснением того, что вылетающие при бета-распаде из одинаковых ядер электроны имели разную энергию в широком диапазоне. На самом деле, при этом было открыто четвёртое «фундаментальное» взаимодействие. Позже его назвали «слабым», чтобы отличить его от «сильного», которое должно было удерживать протоны в ядре, несмотря на то, что они отталкиваются, как и все одноимённо заряженные частицы. Так к давно известным силам всемирного тяготения и электрическим, описанным Кулоном, прибавились ещё два типа.
           И тут уже теоретики задумались – а не слишком ли это много «для природы»? Нельзя ли найти общие корни всех четырёх типов сил? Впервые были произнесены слова «единая теория поля» - и сам Эйнштейн взялся штурмовать эту твердыню. Скажу, однако, что участь единой теории поля оказалась подобна судьбе Великой теоремы Ферма – первый автор ошибочно считал, что нашёл решение, однако и гении заблуждаются! На поиск доказательства теоремы Ферма ушло триста с лишним лет, остаётся лишь надеяться, что теория поля будет создана быстрее.
           Стремительный разбег ядерной физики был остановлен Второй мировой войной. Война всё перекроила «под себя». Бегство учёных из Европы, от фашизма и нацизма, в Америку, предопределило и характер исследований. Затраты на физические исследования резко изменились, когда самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) деления ядер урана стала из предположения реальностью. Когда военные поверили в возможность использования ядерной энергии, деньги на фундаментальную физику пролились настоящим золотым дождём – а она к этому времени стала в них нуждаться, ведь впервые появились физические явления, которые принципиально нельзя было обнаружить на небольших, а, значит, и относительно недорогих установках. Первому атомному реактору для достижения критического размера нужен был диаметр 8 метров, то есть, требовалось 268 кубометров графитной кладки! Причём графит для реактора должен был содержать не более 4 миллионных долей (по-другому 0,0004%) бора, иначе нейтроны поглотятся и цепная реакция затухнет. Такой графит не встречается в природе, его получают искусственно, разложением очищенного природного газа, пиролизом. Пиролитический графит в доатомную эпоху получали в небольших количествах, в основном, для изготовления электродов. Теперь он требовался сотнями тонн.
           Война вызвала пересмотр взглядов на фундаментальную науку. Теперь уже не могло быть речи о «башне из слоновой кости» - грандиозные затраты подразумевали грандиозную отдачу. Ядерная энергия, неважно, в мирных или военных целях, такую отдачу обещала – и даже «сдерживала обещания», во всяком случае, так казалось тем, кто строил и запускал первые ядерные реакторы – сначала на природном уране, а потом и на обогащённом.
           Но не реакторы стали самыми большими и самыми дорогими установками, а ускорители элементарных частиц. Во время Манхэттенского проекта циклотрон, изобретенный в 1932 Эрнестом Лоуренсом, был лишь удобным инструментом для исследования. Самый первый циклотрон обошёлся немногим более тысячи долларов – тридцатисантиметровый магнит для него был куплен за бесценок, так как был «неликвидом», вакуумную камеру Лоуренс с помощниками-студентами сделал сам, высокочастотный возбудитель собрали из оборудования, уже имевшегося в университете. Первый циклотрон дал энергию пучка протонов в 1,2 мегаэлектрон-вольт. Точно такую же энергию можно было бы получить от линейного ускорителя с генератором ван де Графа; хотя генератор на напряжение в полтора миллиона вольт был построен значительно позже, соревнование линейных и циклических ускорителей началось даже до запуска первого циклотрона – впервые искусственная ядерная реакция была осуществлена с помощью каскадного умножителя на 700 киловольт.
           «Принцип действия синхрофазотрона основан на ускорении частиц магнитным полем» - говорит один оболтус по радио другому в бессмертной комедии про Шурика. Простим создателям фильма эту ошибку – магнитное поле не может ускорить заряженную частицу, оно используется в ускорителях лишь для поворота и фокусировки пучков, а в линейных ускорителях, бывает, не используется вовсе. Ускорение частиц производится либо постоянным, либо быстропеременным электрическим полем. Только в ускорителях с каскадными генераторами и генераторами ван де Граафа поле постоянное, во всех остальных ускорителях частицы получают конечную энергию за много проходов ускоряющего промежутка, и поэтому приходится использовать высокочастотное электрическое напряжение. Циклотрон кажется простым, как фокус, секрет которого раскрыт – в однородном магнитном поле заряженная частица движется по круговой «орбите», и время на один оборот не зависит от энергии частицы – с ростом энергии увеличивается скорость, и синхронно с ней – диаметр «витка». Если сделать большой круглый магнит с тонким разрезом, то поле в разрезе будет как раз подходящим для такого движения – не абсолютно однородным, а чуть сгущающимся к полюсам, что поможет сформировать из ускоренных частиц довольно тонкий пучок. Теперь в разрез нужно вставить два электрода, которые имеют вид консервной банки, тоже с разрезом, но в другом направлении, и приложить к половинкам «консервной банки» переменное электрическое напряжение, частота которого соответствует мощности магнита и типу ускоряемых частиц. Всё – циклотрон готов. Ускоряемые частицы движутся теперь не по окружности, а по расходящейся архимедовой спирали, и в конце выходят за пределы магнита. На самом деле, для улучшения фокусировки полюса, сходящиеся к разрезу, делают коническими, а не цилиндрическими, но это уже мелкие подробности.
           К сожалению, «классический» циклотрон позволяет получить энергию протонов не выше 25-30 мегаэлектрон-вольт, потому что, в соответствии с предсказаниями специальной теории относительности, когда скорость частицы становится соизмерима со световой, время прохождения витка увеличивается. Этот эффект можно преодолевать двумя принципиально разными путями – увеличить напряжённость поля на краях кругового магнита, чтобы уменьшить время оборота, или снизить частоту ускоряющего напряжения. Установка первого типа называется изохронным циклотроном, а второго – синхроциклотроном. Синхроциклотроны позволили достичь энергии протонов в 1000 МэВ, дальше двигаться было невозможно – размер магнитов становился слишком уж фантастическим. У самых больших из построенных синхроциклотронов магниты весят под 10 тысяч тонн! Напряжённость магнитного поля выше определённого предела поднять невозможно, поэтому максимальная энергия частиц и диаметр магнита так жёстко связаны, а масса магнита растёт быстрее, чем квадрат диаметра.
           Дальше эстафету подхватили кольцевые ускорители – синхротроны и синхрофазотроны. В кольцевом ускорителе нельзя обойтись постоянным магнитным полем, оно должно нарастать со временем, соответствуя нарастанию энергии частиц – чтобы радиус орбиты сохранялся постоянным. Для того, чтобы изменения поля были не слишком большими, кольцевой ускоритель приходится снабжать «драйвером» - предварительным ускорителем, где происходит начальный разгон частиц. В синхротроне изменяется только магнитное поле, а частота ускоряющего электрического постоянна, как в циклотроне, а в синхрофазотроне приходится манипулировать и магнитным, и электрическим полем.
           Зачем же нужны такие большие энергии, почему физики не могут обойтись меньшими? На самом деле, чем мельче структура, которую нужно исследовать, тем мельче должен быть инструмент для её исследования. Ведь инструмент у нас, в общем, один – те же элементарные частицы, обычно протоны, а они, в соответствии с законами микромира, являются одновременно и частицами, и волнами. И длина этой волны (а, значит, и объекта, который можно исследовать) тем меньше, чем больше энергия протона. Для того, чтобы исследовать ядра атомов, хватало единиц МэВ, чтобы исследовать внутреннюю структуру протонов, понадобились сотни МэВ, а, для того, чтобы забраться ещё глубже, потребовались сотни ГэВ (а ныне – и тераэлектронвольты). Ускорители исправно снабжали учёных всё новыми и новыми данными, правда, для их извлечения приходилось придумывать новые и новые детекторы. Ушли в прошлое камеры Вильсона, в которых пролетевшие частицы вызывали конденсацию паров, и пузырьковые камеры, в которых, наоборот, следы частиц – треки – были образованы пузырьками вскипевшей жидкости. Нынешние детекторы устроены сложнее и стоят гораздо дороже, но их стоимость ничтожна по сравнению со стоимостью самих ускорителей. Беда, однако, в том, что принципы работы нынешних детекторов таковы, что, помимо «полезного» сигнала, они генерируют «фон» в таких количествах, что, без анализа и отсеивания его прямо в детекторе, никакая обработка сигнала становится невозможна. Причём, способ отсеивания фона закладывается в детектор ещё на стадии проектирования, из-за этого становится гораздо сложнее открыть какой-нибудь неожиданный, «непредсказанный» эффект.
           Когда число открытых частиц перевалило за две с лишним сотни, стало ясно, что слово «элементарные» к ним применимо с оговорками, но другой термин придумывать не стали. В конце шестидесятых годов на роль «истинно элементарных» частиц были предложены кварки – гипотетические составные части всех адронов, частиц, подверженных «сильному» взаимодействию. Электрон же был признан истинно элементарным, как и нейтрино. С помощью ускорителей удалось «нащупать» кварки внутри протонов, но неясно было, отчего нельзя разбить протон или нейтрон на отдельные кварки. Тем не менее, квантовая хромодинамика получала, хоть и косвенные, но многочисленные подтверждения во всех экспериментах. Для объяснения некоторых свойств кварков им было приписано новое квантовое число, которое назвали «цвет», по-гречески «хромос», а сильное взаимодействие описывают, как обмен «цветовыми» зарядами, отсюда и название.
           Через 10 лет после гипотезы о существовании кварков появилась первая успешная попытка увязать в единую теорию сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, которая называется сейчас «Стандартной моделью». С её точки зрения, мир состоит из 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов, эти 12 частиц формируют три поколения. К первому поколению относятся кварки u и d, электрон и электронное нейтрино. Только представители первого поколения стабильны, остальные кварки и лептоны очень быстро распадаются на более лёгкие частицы. Помимо 12 частиц, которые образуют «вещество», есть 12 частиц, которые отвечают за «поле». Это фотон, существующий в единственном числе, квант электромагнитного взаимодействия, три виона, отвечающих за «слабое» взаимодействие (их ещё называют векторными промежуточными бозонами, «вион» - это сокращение от “vector intermediate boson”, и восемь глюонов, переносчиков «цветового заряда» между кварками. Все частицы «вещества» - фермионы, т.е. частицы с «полуцелым» спином (кратным ?), а все частицы «поля» - бозоны, имеющие целый спин.
           Универсальным инструментом, своего рода «швейцарским ножом» теоретиков, являются поиски различного рода «симметрий» в как в макро-, так и микромире. Кроме явных симметрий, допустим, симметрии нашего пространства относительно отражений и поворотов, из которых теоретическая механика легко выводит законы сохранения момента, импульса, энергии, есть нарушенные – которые в ранней вселенной, сразу после Большого Взрыва были столь же явными, а сейчас действуют только в очень ограниченных условиях. Отыскав такую симметрию, можно понять фундаментальную связь между совершенно различными, на первый взгляд, физическими явлениями. В основе Стандартной модели как раз и лежит нарушенная ныне симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Каждый правильно истолкованный вид симметрии приближает нас к ответам на самые фундаментальные вопросы, но пока каждая новая теория порождает больше вопросов, чем даёт ответов…
           Например, для того, чтобы завершить картину мира, в Стандартной модели должна существовать как минимум ещё одна частица, которая отвечает за разницу между электромагнитным и слабым взаимодействиями, за разницу свойств вионов и фотона – бозон Хиггса. Эту частицу называют иногда «частицей Бога», потому что она отвечает за наличие массы у всех остальных частиц, кроме фотона. Не за закон всемирного тяготения, а за само свойство вещества, называемое «массой» и являющейся мерой инертности.
           Поиски бозона Хиггса на ускорителях предыдущего поколения зашли пока в тупик, и надежды возлагаются на скоро входящий в строй Большой Адронный Коллайдер (Large Hadron Collider или LHC, о нём «ПМ» уже писала), энергия частиц на котором с запасом даст возможность обнаружить бозон Хиггса, если он только существует. Проблема даже не столько в том, чтобы его получить, сколько в том, чтобы выделить его распад на фоне других частиц.
           Только вот на вопрос «а что дальше?» ответить будет крайне сложно. Велик шанс, что бозон Хиггса будет последней частицей, которую мы сможем открыть на ускорителях. Если он будет найден и будет обладать свойствами, предсказываемыми Стандартной моделью, то придётся поверить и другим предсказаниям – а они для физиков неутешительны. Чтобы обнаружить что-нибудь принципиально новое, нужно располагать энергией в 10 000 000 000 000 раз больше, чем может дать LHC. То есть, если на нём будет открыт бозон Хиггса, и больше – ничего, то денег на новые ускорители физики, скорее всего, не получат.
           После LHC, правда, запланирован ещё один - Linear Collider - для встречных электрон-позитронных пучков, но это, видимо, всё. Вообще всё. Потому что 14 порядков одним скачком не перепрыгнуть, а тратить деньги на машины, зная, что вероятность обнаружения хоть какого-то значимого эффекта сравнима с вероятностью внезапного погасания Солнца, никто не согласится... Последняя надежда физиков – так называемая «суперсимметрия» - явление, при котором каждой частице-фермиону соответствует партнёр-бозон, и наоборот. Никаких следов суперсимметрии ни в одном из опытов обнаружить не удалось, но теоретиков она очень устраивает, так как позволяет «заткнуть» некоторые «дыры» в картине мироздания. Есть надежда, что самые лёгкие из суперсимметричных частиц имеют массу порядка 200 ГэВ, тогда они будут открыты на новом ускорителе, но это лишь надежда.
           Нет, оптимисты надеются найти на LHC и LC значимые отклонения от Стандартной Модели, достаточные, чтобы выйти за её границы, или хотя бы качественно расширить её рамки. Но надо понимать, что бозон Хиггса - это не "ещё один кирпич в стене", а последний. Вот, если он будет НЕ обнаружен ни на одном из этих двух ускорителей, тогда будет иметь смысл медленно «ползти» вверх по энергиям. Нынешние физики напоминают всё тех же гномов, но постепенно растерявших своё волшебное чутьё. Они продолжают добывать и золото, и алмазы, но руды перелопачивать им для этого приходится в миллионы, если не в миллиарды раз больше. Но они всегда найдут, на что потратить деньги. Если физика высоких энергий оказалась в своеобразном «тупике», можно искать новое в физике низких энергий, например, строить гигантские нейтринные телескопы и обнаружители гравитационных волн. Все их объединяет только одно – они ОЧЕНЬ БОЛЬШИЕ, и, вследствие этого, очень дорогие.
           Надо понимать, что эти Страшно Большие Машины - оплата задним числом всей ядерной и термоядерной энергетики. Надо понимать, что все атомные станции работают вот уже полвека "по факту" - и вполне бы обошлись без этих "ТЭВатронов" и "LHC" - но физики продолжали требовать себе всё большие и большие ускорители. И получали. Только для того, чтобы сейчас, в конце первого десятилетия XXI века дать полный и исчерпывающий ответ - ни в ближайшем, ни в сколько-нибудь обозримом будущем у человечества "халявной" энергии не будет. Нет в природе ничего, более богатого энергией, чем сильное взаимодействие.
           Когда Древний Человёк зажёг костёр, когда он построил печь и стал плавить металл - он поставил себе на службу электромагнитное взаимодействие. Именно электромагнитным взаимодействием обусловлена химическая энергия. Когда было сооружено первое водяное колесо, на службу поступило гравитационное взаимодействие - и, несмотря на то, что оно неизмеримо слабее электромагнитного и сильного, в макромире часто только оно и заметно – слабые и сильные взаимодействия короткодействующие, т.е. принципиально видны лишь на ядерных расстояниях, а электромагнитные замаскированы равенством зарядов разных знаков. Когда в 1942 году Энрико Ферми построил первый ядерный реактор, он поставил на службу ядерное, сильное взаимодействие - на точно таком же феноменологическом фундаменте, что был у Древнего Человека касательно свойств огня. Слабое взаимодействие сложно поставить на службу в чистом виде. Ну, можно, наверное, считать, что ядерная батарейка на бета-распаде трития, упакованного в пористый кремний, преобразует энергию слабого взаимодействия непосредственно в электрическую, но это, скорее, курьёз, чем серьёзная «служба».
           Вот и всё. Больше сил, и, соответственно, источников энергии, в природе нет. И Большие Ускорители, собственно, семьдесят лет строились для того, чтобы пилить чугунную гирю, которая могла оказаться золотой. Могла, но не оказалась.