После Второй мировой войны европейские физические исследования были сильно ослаблены, несмотря на период расцвета несколькими годами ранее. В этом контексте французский физик Луи де Бройль на Европейской конференции по культуре в Лозанне в 1949 году предложил создание крупной европейской научной лаборатории.
В 1952 году одиннадцать европейских правительств решили основать CERN, официально известный как Европейская лаборатория физики элементарных частиц, или просто ЦЕРН (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Комплекс расположен в нескольких километрах от Женевы, на франко-швейцарской границе. Его ускорительные кольца простираются под территорией Франции.
Нам представилась возможность посетить это место и поговорить с Винсентом Маршаном, инженером и руководителем технического обслуживания ЦЕРН.
Интервью: Ирина Рыбальченко
Для широкой публики ЦЕРН часто ассоциируется скорее с мифическим названием, чем с конкретной реальностью. Чем именно занимается это учреждение, как организована его работа и что на самом деле происходит в его зданиях, технических центрах и подземных лабораториях?
ЦЕРН – это международный исследовательский центр, посвященный изучению фундаментальной структуры материи и законов Вселенной. Его ученые изучают, из чего состоят частицы, как взаимодействуют силы и что произошло сразу после Большого взрыва.
ЦЕРН – это обширная научно-техническая экосистема. Тысячи физиков, инженеров, специалистов по информатике, техников, электриков, специалистов по криогенике, экспертов по безопасности и административный персонал сотрудничают в областях проектирования, эксплуатации и обслуживании чрезвычайно сложных исследовательских инфраструктур.
В основе деятельности ЦЕРН лежит ускорительный комплекс, в частности, Большой адронный коллайдер, 27-километровое подземное кольцо, в котором частицы ускоряются почти до скорости света перед столкновением. Эти столкновения воссоздают условия, подобные тем, которые существовали сразу после Большого взрыва, позволяя исследователям изучать редкие частицы и фундаментальные физические явления. Четыре крупнейших детектора, такие как ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, регистрируют результаты этих столкновений, которые затем анализируются учеными со всего мира.
Большая часть работы ЦЕРН ведется под землей. Под поверхностью находятся не только туннели ускорителей и детекторные камеры, но и технические галереи, содержащие электрические системы, системы охлаждения, волоконно-оптические сети и оборудование безопасности, необходимое для круглосуточной работы установок.
На поверхности ЦЕРН напоминает международный кампус, раскинувшийся по территории Швейцарии и Франции. Он включает в себя лаборатории, офисы, центры обработки данных, диспетчерские и помещения для посетителей. В центрах управления постоянно контролируется работа ускорителей, а в лабораториях производятся и тестируются высокоспециализированные компоненты с предельной точностью.
Короче говоря, ЦЕРН – это не изолированная и загадочная лаборатория, а крупное международное сотрудничество, где наука, инженерия и технологии ежедневно объединяются для изучения самых фундаментальных вопросов о Вселенной.
Какой, по Вашему мнению, самый важный нерешенный вопрос о Вселенной сегодня, тот, ответ на который мог бы коренным образом изменить наше понимание реальности?
Один из самых важных нерешенных вопросов сегодня касается природы темной материи. Мы знаем о её существовании, потому что наблюдаем её гравитационное воздействие на галактики, но до сих пор не знаем, из чего она состоит.
Если бы нам удалось идентифицировать тёмную материю, это могло бы коренным образом изменить наше понимание фундаментальной физики и состава Вселенной. Это могло бы открыть совершенно новые частицы, новые силы природы или даже указать на неполноту нашей нынешней теории гравитации. Во многом тёмная материя находится на пересечении космологии и физики элементарных частиц, и разгадка этой тайны могла бы проложить путь к совершенно новому пониманию реальности.
Что же на самом деле происходит внутри Большого адронного коллайдера?
Внутри Большого адронного коллайдера два пучка частиц движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем столкнуться. Эти столкновения позволяют ученым воссоздать условия, подобные тем, которые существовали сразу после Большого взрыва.
При таких энергиях могут образовываться новые частицы. Анализируя частицы, образовавшиеся в результате столкновений, физики могут изучать фундаментальные законы природы, проверять теории, такие как Стандартная модель, и искать до сих пор необъясненные явления, включая природу темной материи и происхождение массы. В этом смысле БАК действует как микроскоп Вселенной в ее мельчайших масштабах.
Каждое крупное открытие, кажется, становится поводом для празднования в ЦЕРНе. В контрольном пункте мы видели бутылки шампанского, каждая из которых символизирует значительное открытие, а их много! На Ваш взгляд, какие открытия, сделанные здесь, на сегодняшний день самые значимые?
С момента своего создания ЦЕРН играет новаторскую роль в области физики элементарных частиц и вошёл в историю благодаря ряду крупных открытий и инноваций.
Среди наиболее знаковых – открытие W- и Z-частиц в 1983 году. Эти элементарные частицы, являющиеся носителями слабого взаимодействия, позволили совершить фундаментальный прорыв в понимании взаимодействий. За это открытие Симон ван дер Меер и Карло Руббиа году получили Нобелевскую премию по физике.
Ещё одним историческим вкладом является создание Всемирной паутины в 1989 году. Именно в ЦЕРН Тим Бернерс-Ли разработал Интернет для облегчения обмена информацией между исследователями, что впоследствии трансформировало коммуникацию и доступ к знаниям в глобальном масштабе.
Затем, в 2012 году, открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере подтвердило ключевой компонент Стандартной модели физики элементарных частиц. Это открытие оказало огромное научное влияние во всем мире.
Но влияние ЦЕРН простирается далеко за пределы фундаментальной физики. Технологии, разработанные в рамках организации, также внесли значительный вклад в такие области, как вычислительная техника, медицина и крупномасштабная обработка данных.
Какое следующее открытие может оказать влияние, сравнимое с этими крупными открытиями?
Одним из важнейших достижений может стать открытие частиц, связанных с темной материей – этой невидимой формой материи, гравитационное воздействие которой мы наблюдаем во Вселенной, пока точно не зная, из чего она состоит.
Другой возможностью может стать появление новой физики за пределами Стандартной модели, которая остается нашей лучшей теорией для описания элементарных частиц и их взаимодействий, но которая остается неполной в нескольких фундаментальных аспектах.
Наконец, понимание асимметрии между материей и антиматерией также представляет собой серьезную проблему. Наблюдаемая Вселенная состоит почти исключительно из материи, в то время как современные теории предполагают, что материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах после Большого взрыва. Понимание того, почему этого баланса не существует, может коренным образом изменить наше представление о Вселенной.
Каков размер годового бюджета ЦЕРН, и как он балансирует между двумя, казалось бы, противоречащими друг другу приоритетами: созданием всё более мощных установок и разработкой новых экспериментальных и теоретических подходов?
Годовой бюджет ЦЕРН составляет приблизительно один миллиард евро. ЦЕРН исследует все направления фундаментальной физики, и в рамках Европейской стратегии в области физики элементарных частиц научное сообщество определяет приоритетные направления исследований и необходимые для их достижения установки.
Помимо крупных ускорителей, ЦЕРН проводит научно-исследовательскую программу, посвященную другим типам ускорителей, таким как мюонный коллайдер и проект AWAKE. ЦЕРН также проводит исследование, направленное на полное использование научного потенциала своего ускорительного комплекса, под названием «Физика за пределами коллайдеров».
В эпоху высоких общественных ожиданий, как мы можем обосновать перед общественностью и политиками инвестиции в науку, которая исследует невидимое, фундаментальное и очень долгосрочное?
Инвестиции в фундаментальную науку, такую как исследования, проводимые в ЦЕРНе, оправданы, поскольку они помогают нам понять основные законы природы, а также состав и функционирование Вселенной. Хотя результаты часто становятся очевидными в долгосрочной перспективе, этот тип исследований расширяет человеческие знания и закладывает основу для будущих открытий.
Они также оправданы, поскольку история показывает, что фундаментальная физика часто приводит к неожиданным технологическим и социальным выгодам. Инновации, связанные с ЦЕРН, включают достижения в медицине, вычислительной технике и обработке больших объемов данных. Таким образом, даже исследования, сосредоточенные на «невидимом» и теории, в долгосрочной перспективе могут привести к конкретным приложениям и долгосрочной ценности для общества.
Еще один важный аргумент касается образования и человеческого капитала. ЦЕРН готовит тысячи студентов, инженеров, техников и ученых со всего мира. Многие из них затем применяют свои навыки в таких секторах, как здравоохранение, цифровые технологии, финансы, энергетика, аэрокосмическая промышленность и другие отрасли. В этом смысле инвестиции в фундаментальную науку – это также инвестиции в высококвалифицированных специалистов и в будущие инновационные экосистемы.
Винсент Маршан и Бруно Сирусель, математик и разработчик платформы Aitek.
БАК приближается к завершению своего третьего этапа работы перед длительной трансформацией в БАК с высокой светимостью. Для неспециалиста, что именно изменит это увеличение мощности: больше столкновений, большую точность или возможность наконец-то обнаружить явления, которые в настоящее время невидимы?
Проект «Большой адронный коллайдер с высокой светимостью» (HiLumi LHC) направлен на трансформацию Большого адронного коллайдера (БАК) для увеличения его потенциала открытий после 2030 года. Цель состоит в том, чтобы максимизировать производительность БАК за счет увеличения его интегральной светимости в 10 раз по сравнению с номинальным значением.
Светимость – важный показатель производительности ускорителя: она пропорциональна количеству столкновений, происходящих за данный период. Чем выше светимость, тем больше данных собирают эксперименты, что позволяет им наблюдать редкие процессы.
Большой адронный коллайдер высокой светимости, ввод в эксплуатацию которого ожидается к середине 2030-х годов, позволит физикам более детально изучать известные механизмы, такие как бозон Хиггса, и наблюдать потенциально новые и очень редкие явления.
Например, БАК высокой светимости сможет произвести приблизительно 380 миллионов бозонов Хиггса, по сравнению с примерно 55 миллионами бозонов Хиггса, произведенных с момента начала работы БАК.
Его разработка предполагает замену примерно 1,2 километра БАК совершенно новыми компонентами.
Проект будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider), кольца, значительно превосходящего БАК, сейчас находится в центре основных стратегических дебатов в физике элементарных частиц. Зачем строить еще большую машину: чтобы лучше понять бозон Хиггса, чтобы проверить пределы Стандартной модели или потому что следующие крупные открытия потребуют скачка в масштабе?
Идея будущего кольцевого коллайдера обусловлена тем фактом, что – это частица, не похожая ни на одну из известных нам. Это может стать вратами в новую физику, но для её правильного понимания нам необходимы измерения гораздо более точные, чем те, которые может обеспечить БАК. Уже одно это оправдывает так называемую «фабрику Хиггса» для такой установки.
Кроме того, история показывает, что прогресс в физике элементарных частиц часто происходит благодаря исследованию более высоких энергетических уровней. Стандартная модель работает чрезвычайно хорошо, но она также неполна: она не объясняет, например, тёмную материю, массы нейтрино или асимметрию между материей и антиматерией.
Более мощный коллайдер увеличил бы шансы на непосредственное образование новых частиц, связанных с этими загадками.
