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

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.

Здесь Шумахер – не призер

Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за 3 секунды, а за 10 – достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины «Формулы-1» не могут достичь 400 км/ч. В микромире – другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.

Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон-вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус ускорительного кольца, необходимого для получения нужных энергий.

Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими – синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.

Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наи+более продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.

В целом общее свойство всех ускорителей, включая линейные, – постепенность в накапливании энергии. Еще одна их особенность – это одновременное ускорение нескольких больших сгустков заряженных частиц – банчей (bunch). Так, на ускорителе LHC (Большом Адронном Коллайдере) планируется ускорять около пяти тысяч таких банчей, и каждый из них будет содержать до сотен миллиардов протонов. Суммарная энергия этих суперрелятивистских частиц будет достигать 500 миллионов джоулей при толщине сфокусированного пучка 20 миллионных долей метра.

В ускорителе, вращаясь навстречу друг другу, одновременно будут носиться два таких пучка. В четырех точках, как раз там, где расположены измерительные комплексы, эти пучки будут пересекаться, порождая столкновения протонов между собой. Сгустки протонов будут встречаться 40 миллионов раз в секунду, каждый раз выдавая около 20 протонпротонных столкновений. Далеко не все из происходящих в ускорителе событий будут интересны физикам, но все акты столкновения они обязательно зафиксируют и поместят в базу данных. Причем каждое столкновение будет генерировать до 10 миллионов бит информации. Помимо этого, здесь планируется запечатлеть рождение хиггсовского бозона, упомянутого выше. Если все состоится, то само рождение будет хоть и неоднократным, но все же для микромира крайне редким: одно на 10 триллионов столкновений. Ведь для такой удачи нужно, чтобы не только протоны, но и входящие в их состав кварки врезались точно «лоб в лоб», поэтому в день ожидается одна «божественная частица» и не более. Управлять процессом столкновения частиц, то есть направлять их «лоб в лоб», пока невозможно. Они летят навстречу случайным образом, цепляя друг друга, как получится. И только благодаря огромному количеству этих касаний и столкновений у исследователей появляется материал для самого разного рода теорий и гипотез, позволяющих во многом понять, как устроен мир.

В ожидании петабайтов

На Большом Электрон-Позитронном Коллайдере, который раньше находился в 27-километровом подземном кольце ЦЕРН, при единичном столкновении возникало до 1 500 вторичных частиц. На новом ускорителе LHC это число возрастет до 50 000. Расшифровка процессов соударения разогнанных частиц будет происходить с помощью огромной системы датчиков, фиксирующих пути и энергии родившихся частиц. Сегодня это возможно: современные измерительные комплексы содержат миллиарды транзисторов и сотни тысяч индивидуальных датчиков – сцинтилляционных пластин, кремниевых сенсоров, дрейфовых трубок, газоразрядных камер, мюонных и адронных калориметров, фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. Для того чтобы можно было развести между собой пути заряженных частиц с разными массой и энергией, на всю эту систему датчиков накладывается еще и магнитное поле.

Потоки данных, генерируемых LHC, ожидаются огромными. Для сравнения можно сказать, что они будут превышать объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Такие прогнозы заставляют искать принципиально новые способы обработки и хранения данных. И как в свое время «WWW» – простой и доступный для любого пользователя способ вхождения в сеть – был изобретен именно в ядерной лаборатории, так и сегодня новая технология распределенных компьютерных вычислений GRID рождается и испытывается здесь же.

Тысячи ученых во всем мире готовятся и с нетерпением ждут этой лавины информации, поскольку глубинные тайны Вселенной обещают открыться в ближайшие годы. Если же ожидаемые частицы не будут найдены, то придется пересматривать не только Стандартную Модель современной физики частиц, но и множество других теорий мироздания. Сегодня трудно точно сказать, какие загадки Природы сумеет разгадать LHC, но одно известно точно – человечество шагнет в новую эпоху фундаментальных открытий.

Объединенные силы

Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии, или SUSY. Следуя этой теории, для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, то часть этих суперсимметричных частиц должна быть найдена с помощью ускорителя LHC. По этой теории – на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другими спином и массой, называемая «скварк», а на каждый лептон – свой «слептон». Такие переносчики энергии, как фотоны, W– и Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон приобретает сразу несколько партнеров.

SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может обосновать наличие таинственного «темного» вещества во Вселенной, которое существует и создает гравитацию, но больше никак себя не проявляет. Некоторые физики предполагают, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Таким образом, предельно высокие уровни энергии LHC позволят экспериментально проверить многие теории. Для разрешения этих вопросов в 2007 году на ускорителе LHC будут запущены два самых крупных эксперимента – ATLAS и CMS.

Суперкомпьютер для луковиц

Детекторы напоминают цилиндрические «луковицы» размером с многоэтажный дом, наполненные сложной сверхсовременной аппаратурой и электроникой. Столкновения происходят в центре детектора, различные слои которого определяют свойства рождающихся частиц. Ближайшие к центру трековые детекторы позволяют «видеть» траектории заряженных частиц, образовавшихся при столкновении. Затем размещены калориметры – приборы, измеряющие энергию, – здесь большинство частиц заканчивает свой путь. Внешние слои «луковицы» состоят также из трековых детекторов для регистрации мюонов.

Магниты, встроенные в детекторы, позволяют измерить импульсы частиц по отклонению в магнитном поле. Каждую секунду на ускорителе будет происходить до миллиарда столкновений, а каждое столкновение даст около 10 миллионов единиц информации. Обработка и анализ информации будут одновременно вестись во всех участвующих институтах. Для этого разработан принципиально новый подход распределенных вычислений. А для его реализации будет создана всемирная компьютерная сеть GRID, которая в будущем дополнит WWW, обязанную своим появлением на свет также ЦЕРН. Именно здесь в 1989 году Тим Бернерс-Ли и Роберт Кай изобрели мировую компьютерную сеть WWW, что явилось откликом ЦЕРН на быстро развивающееся научное сотрудничество. Сегодня планируемые эксперименты LHC требуют невиданного до настоящего времени уровня глобальной интеграции вычислительных ресурсов. Особенность экспериментов – невероятно большой поток данных: годовой прирост объема будет составлять петабайты (миллионы гигабайт). Эта информация должна быть сохранена, обработана и проанализирована.