Журнал «Вокруг Света» №10 за 2003 год - Вокруг Света

Предназначение ЦЕРН – чистая наука, исследование фундаментальных вопросов Природы. Что такое вещество? Откуда оно появилось? Как оно объединяется в сложные объекты, такие как звезды, планеты и живые существа? Еще одна важная задача ЦЕРН – развитие технологий будущего: от материаловедения и электроснабжения до информатики и глобальных распределенных вычислений.

Лобовое столкновение

Сегодня микромир парадоксальным образом встретился с макромиром: свойства элементарных частиц стали определять судьбы Вселенной. Те эксперименты, которые планируются на Большом Адронном Коллайдере (LHC), должны вплотную приблизить нас к первым мгновениям жизни Вселенной. Ученые предполагают, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, стабильная материя, из которой все мы состоим, возникала не сразу, и некоторое время мир представлял собой некий конгломерат основных строительных кирпичиков – действительно элементарных частиц: электронов, мюонов, кварков, глюонов, нейтрино и гамма-квантов.

В глубинах Вселенной астрономы с интересом ищут отголоски тех далеких времен. И вот совсем скоро, в 2007 году, ученые-физики планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каковым он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва.

Интерес теоретиков к ускорителю LHC крайне велик. Уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Но экспериментально существование бозона пока подтвердить не удалось: все надежды – на ускоритель LHC.

Процессы, происходящие при столкновении элементарных частиц на ускорителях, поразительны: кинетическая энергия там преобразуется в массу! Разогнанные до предельных – почти световых – скоростей частицы, врезаясь друг в друга, рождают целый каскад новых частиц, в том числе и таких, которые имеют массу в тысячи раз больше, чем изначально сталкивающиеся. В нашем мире это можно было бы представить как появление десятков ядер для Царь-пушки при лобовом столкновении двух бильярдных шаров… Микромир устроен совершенно иначе. В нем энергия легко переходит в массу и, наоборот, – масса превращается в энергию. Именно за этими процессами наблюдают сегодня ученые-физики, сталкивая между собой электроны, позитроны, протоны, антипротоны и ядра тяжелых атомов. Сейчас трудно предугадать, во что воплотятся через 50 лет те открытия, которые произойдут в ближайшие десятилетия, но если открытий не делать, то не будет и воплощений…

Устроители комфорта

Быстро привыкая к удобствам: плоским экранам, компактным СВЧ-печам, компьютерным навигаторам в автомобилях и так далее, мы часто даже не задумываемся над тем, что все это стало реальным благодаря физике. Точнее, благодаря открытию электрона – частицы, отвечающей за абсолютное большинство протекающих вокруг нас электрических процессов. Это открытие полностью изменило нашу жизнь, и еще очень долго именно электромагнитные процессы будут определять наши успехи, достижения и неудачи в освоении окружающего мира. В целом же вся современная техника основана на достижениях, сделанных в областях физики и химии еще в первой половине XX века. Так, без разработки полупроводниковых приборов не было бы и современных компьютеров, и Всемирной сети Интернет. Именно в тот период человечество шагнуло в эру освоения электричества как универсального источника энергии, как носителя и средства обработки информации.

Что же касается ускорителей, то на первый взгляд эксперименты на них кажутся очень далекими от задач народного хозяйства. Но это далеко не так! Ускорители «притягивают» к себе самых умных и активных представителей человечества, а те, в свою очередь, выдают «на-гора» полезнейшие разработки, начиная от рентгеновского аппарата и кончая новой компьютерной системой GRID. Эта система в скором времени станет незаменимой при обработке огромного потока информации, которая начнется с запуском ускорителя LHC.

В нашей жизни есть и другие ускорители, компактность которых не мешает им также «притягивать к себе». Это, конечно же, телевизоры. Совсем недавно каждый из них обязательно имел электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) – простейший линейный ускоритель электронов, который, кстати, содержит практически все принципиальные узлы ускорителя. А именно – катод, испускающий заряженные частицы; электроды, модулирующие и ускоряющие частицы; систему фокусировки луча; магниты, отклоняющие поток частиц; вакуум, не препятствующий полету частиц, и люминофор, делающий видимым поток электронов (аналог системы датчиков, регистрирующих частицы).

На самом деле ускорителей вокруг нас гораздо больше – это все электровакуумные приборы, начиная от диодов и триодов и кончая магнетронами, работающими в СВЧ-печах и радиолокаторах. Стоит отметить, что и привычная флюорография родилась как побочный продукт изучения процесса ускорения и резкого торможения электронов в катодной трубке. Оказалось, что, резко тормозя, заряженные частицы излучают жесткое электромагнитное излучение – Х-лучи, как назвал их первооткрыватель В.К. Рентген в ноябре 1895 года.

Обыкновенный портативный дозиметр, позволяющий спокойно гулять по загрязненной нашими общими усилиями Земле, – это тоже изделие ядерной физики, и входящий в его состав счетчик Гейгера-Мюллера в некотором смысле – тоже ускоритель электронов. Способность рентгеновских и гамма-лучей убивать все живое сегодня активно применяют для того, чтобы стерилизовать продукты и обеззараживать медицинские изделия. Такая холодная дезинфекция часто бывает гораздо эффективнее горячей и требует меньше времени и энергии.

Лауреатные Х-лучи

Упомянутые выше Х-лучи стали причиной еще одного важного начинания. Именно за их открытие в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену была присуждена первая в мире Нобелевская премия по физике. При награждении отмечалась «важность этого открытия для практической хирургии… и лучевой терапии…». Таким образом, ядерная физика и ускорительная техника с самых первых дней стали верой и правдой служить людям. Эти два направления из области физики элементарных частиц – наблюдение скрытых от глаз процессов и явлений и воздействие на живую и неживую природу с помощью специальных «лучей» – и сегодня являются самыми перспективными и востребованными.

Современные компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь человеческого организма и понять, что там неправильно функционирует, – это детище ядерной физики, научившейся не только формировать узкие сканирующие пучки и регистрировать интенсивность невидимого излучения, но и восстанавливать картину поглощения рентгеновских лучей, то есть строение внутренних органов человека.

Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.

Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году.

Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.