Физика вокруг  нас. Выпуск № 2 (102)

Сегодня в номере:

Новости сайта –– Большой адронный коллайдер

Если бы я мог упомнить названия

 всех элементарных частиц, я бы стал ботаником.

 Энрико Ферми

Сентябрь стал знаменательным месяцем года, состоялся запуск Большого адронного коллайдера (БАК). Физики ждали этого удивительного события не один год.  Что такое БАК?  Для чего его создали? Стоит ли его боятся? Нам  пришло несколько писем на эту злободневную тему. Поэтому в данном выпуске размещаем несколько наших архивных материалов, которые были посвящены БАКу и достаточно свежих комментариев по данной проблеме. На сегодняшний момент коллайдер так и не вышел на полную мощность:((

Новости сайта

• Схема Большого адронного коллайдера
• Основы физики элементарных частиц. Строение материи.
• Грэма Коллинза «Фабрика открытий».
• Крис Квиг. Грядущая революция в физике частиц.
• Барри Бэришб Николас Уокер, Хитоши Ямамото. Коллайдер нового поколения
• Началась публикация  биографий физиков – лауреатов Нобелевской премии

·        В разделе «Витрина» вы сможете увидеть книги, игрушки, диски, которые помогут Вам изучать физику.

Для Большого адронного коллайдера составлено расписание открытий 

Составлено расписание открытий, которые, как ожидается, позволит сделать Большой адронный коллайдер (БАК), сообщает блог журнала Symmetry со ссылкой на пресс-конференцию, проведенную на встрече Американского физического общества профессором Абрахамом Сейденом (Abraham Seiden) из Калифорнийского университета в Санта-Круз. 

БАК – мощнейший ускоритель элементарных частиц, строящийся в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе). Ожидается, что возможности, которые предоставит БАК, позволят ответить на многие фундаментальные вопросы современной физики. 

Сейден представил график, на котором отображается зависимость количества данных, собранных в результате экспериментов на БАКе, от времени. Несколько точек отмечены как критические: данных, собранных к соответствующему моменту, достаточно, чтобы сделать открытие. 

"Расписание открытий" выглядит примерно так: 

2009: Суперсимметрия – если для этого нужны энергии около одного ТэВ (тераэлектронвольт) 

2009-2010: Бозон Хиггса – если его масса составляет около 200 ГэВ (гигаэлектронвольт) 

2010-2011: Бозон Хиггса – если его масса составляет около 120 ГэВ 

2012: Дополнительные измерения пространства – если для этого нужны энергии около девяти ТэВ 

2012: Неэлементарность кварков – если, конечно, кварки на самом деле состоят из более элементарных частиц 

2017: Суперсимметрия – если для этого нужны энергии около трех ТэВ 

2019: Бозон Z' (Z-штрих) - если существует пятый, неизвестный на данный момент тип взаимодействия, проявляющийся при энергиях около шести ТэВ. Гипотетическая частица, служащая переносчиком этого взаимодействия, условно называется Z' - по аналогии с переносчиком слабого взаимодействия, Z-бозоном. 

Отметим, что все ожидаемые открытия являются экспериментальными подтверждениями существующих гипотез: от очень распространенных (бозон Хиггса) до менее принятых (неэлементарность кварков). Разумеется, может оказаться и так, что данные не подтвердят гипотезу. В этом случае гипотеза будет частично (или полностью) опровергнута, что тоже является открытием. 

Насколько будет соблюдаться график, зависит в том числе и от технических условий: запуск БАКа уже неоднократно откладывался. В настоящее время ожидается, что первые столкновения частиц будут осуществлены летом 2008 года. 

Горячо

В пятницу, 19 сентября, около полудня один из магнитов, расположенных в секторе 3-4 (между детекторами Alice и CMS), перешел из сверхпроводящего состояния в обычное (то есть, его температура поднялась выше 1,9 градуса Кельвина). При этом движение тока в системе мгновенно прекратилось. Возможность такого развития событий была изначально предусмотрена создателями БАК, поэтому поломку можно было бы назвать "штатной". Однако температура магнита и всего сектора 3-4 продолжала расти и через несколько минут достигла 100 градусов Кельвина (-173 градуса по Цельсию). Вскоре после этого в туннель ускорителя БАК было выброшено около тонны жидкого гелия.

С момента поломки и до середины субботы специалисты пытались устранить последствия и оценивали нанесенный ущерб. Затем представитель CERN рассказал, что ремонт коллайдера займет около двух месяцев. Для того чтобы заменить вышедший из строя элемент охладительной системы (а скорее всего, причина поломки именно там, так как после потери сверхпроводящего состояния магнит не должен был нагреваться дальше), инженерам необходимо будет нагреть сектор 3-4, а после проведения ремонтных работ вновь охладить его до 1,9 градуса Кельвина. Столкновения пучков протонов, которых так ждут (и боятся), откладываются на неопределенный срок.

Это уже не первая поломка коллайдера с момента его запуска 10 сентября, который прошел "без сучка без задоринки" и даже с превышением плана. В этот день специалисты "заставили" пучок протонов пройти полный круг сначала по часовой стрелке, а потом против. Во время запусков специалисты отлаживали работу системы магнитов, которая удерживает протоны на постоянной орбите. Вечером следующего дня ученые вновь запустили протоны по 27-километровому кольцу, причем на этот раз пучок циркулировал около 10 минут. Еще позже движение протонов по кольцу возобновилось: исследователи запускали и останавливали пучок несколько раз.

Ночью 13 сентября в секторе 8 произошло нарушение работы системы охлаждения (она беспокоила ученых еще во время предстартовых тестов). Из строя вышел один из трансформаторов, что привело к нарушению электроснабжения системы. В результате в двух секторах ускорительного кольца температура поднялась до 4 градусов Кельвина. Весь следующий день (суббота) и половину воскресенья специалисты меняли трансформатор. Через несколько часов начались сбои в другом месте охладительной системы, и перегрелась уже половина кольца (четыре сектора из восьми). Починить сломанные элементы и охладить ускорительное кольцо до 1,9 градуса Кельвина удалось только к утру 18 сентября (четверг).

В четверг вечером ученые запустили пучок протонов по часовой стрелке. В течение полутора суток элементарные частицы циркулировали по кольцу ускорителя. Что случилось потом, вы уже знаете.

В течение (как минимум) ближайших двух месяцев те, кто опасается, что коллайдер станет причиной уничтожения нашей планеты, могут спать спокойно. Остальные вряд ли сочтут остановку БАК приятным событием. Один из самых масштабных научных проектов, на строительство которого ушло 14 лет и который был с такой помпой запущен, требует еще очень большой работы. Кажется, 10 сентября - это не торжественная дата и можно было не приурочивать старт коллайдера именно к ней.

Ирина Якутенко

На Большой адронный коллайдер подали в суд

Два американца обратились в федеральный районный суд штата Гавайи с требованием приостановить подготовку Большого адронного коллайдера (БАКа) к запуску, чтобы избежать возникновения опасных для существования мира объектов, сообщает газета The New York Times. 

Истцами по делу, получившему краткое название "Санчо против Департамента энергетики и др.", выступают жители штата Гавайи Луис Санчо (Luis Sancho) и Уолтер Вагнер (Walter Wagner). Вагнер уже подавал подобные иски в 1999 и 2000 годах против американского Релятивистского коллайдера тяжелых ионов, но безуспешно. 

Вагнер и Санчо опасаются, что столкновения имеющих огромную энергию субатомных частиц, которые будут проводиться в ЦЕРНе, могут создать объекты, угрожающие существованию Земли. Опасность представляют, в первую очередь, микроскопические черные дыры, а также страпельки и магнитные монополи.

Истцы требуют, чтобы суд приостановил работу над коллайдером как минимум на четыре месяца, а за это время была бы проведена дополнительная оценка безопасности. Введение БАКа в эксплуатацию, напомним, планировалось в мае, однако, по последним данным, опять откладывается – до второй половины июля. Полная мощность будет достигнута еще позже. 

БАК находится одновременно на территории Франции и Швейцарии, а принадлежит ЦЕРНу (Европейскому центру ядерных исследований) – международной организации, на которую юрисдикция гавайского суда не распространяется. Иск, однако, называет в качестве ответчика не только ЦЕРН, но и американские организации, участвующие в строительстве БАКа: Департамент энергетики и его подразделения, Лабораторию Ферми, Национальный научный фонд. Лаборатория Ферми производит необходимые для работы БАКа сверхпроводящие магниты, поэтому, по мнению Вагнера, запретительного судебного приказа в ее отношении будет достаточно для того, чтобы остановился весь проект. Представитель лаборатории Ферми Джуди Джексон (Judy Jackson) в этом сомневается: вряд ли американский суд может своим решением остановить европейский проект. 

Джексон подчеркнула, что лаборатория Ферми проводила все работы в соответствии с правовыми нормами США по защите окружающей среды, а ЦЕРН – в соответствии с европейскими нормами. 

Первое слушание дела назначено на 16 июня. Истцы создали специальный сайт, на котором призывают всех заинтересованных в своей безопасности людей поддержать их добровольным пожертвованием. 

Идейный руководитель борьбы с коллайдером Уолтер Вагнер изучал физику (в частности, исследовал космические лучи) в Калифорнийском университета в Беркли, затем получил докторскую степень по праву, затем работал в службе радиационной безопасности. Впоследствии основал на Гавайях крупный ботанический сад World Botanical Gardens (WBG). В феврале 2008 года ему было предъявлено обвинение в хищении имущества и персональных данных у WBG. 

Представитель ЦЕРНа Джеймс Джилльс (James Gillies) заявил, что оценка безопасности коллайдера со всех точек зрения проводится постоянно, было опубликовано уже два отчета, скоро будет готов третий, обновленный. Физики также готовы ответить на любые вопросы во время дня открытых дверей, который состоится в ЦЕРНе 6 апреля. 

Коллайдер, напомним, позволит провести недоступные ранее эксперименты, которые помогут ответить на ключевые вопросы современной физики (например, почему частицы имеют массу). 

Черная дыра против коллайдера

На первоапрельской неделе правду не всегда было легко отличить от вымысла, а смысл – от бессмыслицы.

Как давно известно, физики строят Большой адронный коллайдер вовсе не для того, чтобы проверить Стандартную модель (наиболее полное современное описание мироздания), выяснить, почему частицы имеют массу или уточнить, как возникла Вселенная. Зная о любви ученых к концам света, несложно догадаться, что они всего лишь хотят создать черную дыру, натравить ее на Землю и посмотреть, что будет.

Роли спасителей человечества исполняют жители штата Гавайи Луис Санчо и Уолтер Вагнер (биография последнего особенно любопытна), которые обратились в суд с требованием остановить строительство БАКа, ну или хотя бы, если ЦЕРН американскому суду неподвластен, запретить ему использовать сверхпроводящие магниты американского производства. Первое слушание по историческому делу "Санчо против Департамента энергетики" состоится 16 июня.

Что говорят физики? А что они могут сказать: все безопасно, все проверяем, два отчета написали, готовим третий, энергия космических лучей гораздо больше – и ничего, сколько их на Землю падает, все цело. Неубедительно. Это они пусть тем, кто к ним 6 апреля на День открытых дверей придет, рассказывают. Да только кто ж придет? Вдруг черная дыра уже готова. Как придешь, как шагнешь ненароком за горизонт событий – и все, как потом передать весточку родным? Только и останется, что выяснять, не может ли все-таки дыра организовать небольшое путешествие во времени.

Не готова дыра, уверяют физики, не успеваем, мол, сделать. Вообще, коллайдер запустим не раньше июля, а не в мае, как обещали. Именно поэтому, кстати, пензенские сектанты, тоже ожидающие последнего мая, вылезли на поверхность: конец света немного отложился.

А вот кто молодцы – так это британские правительственные организации, урезавшие финансирование британской части экспериментов LHCb и ALICE. Так и надо.

В новостной службе "Яндекса" публикации о подвиге Вагнера и Санчо объединились в сюжет с характерным названием "Гигантская черная дыра грозит уничтожить Землю" . То есть у них там мало того что черная дыра, так еще и гигантская. И коллайдер, разумеется, аНдронный.

Это все не шутка.

На этой неделе вообще появилось много новостей, которые легко было принять за первоапрельскую шутку: оказалось, что восьмимесячные младенцы неплохо разбираются в теории вероятности и статистике (в то время как эти области математики часто оказываются малодоступны и взрослым), капли воды научились преодолевать гравитацию, человека скрестили с коровой, британские физики решили использовать в качестве образца для лабораторного исследования ни много ни мало целый мост, вращение Земли ускоряется, причем виноваты в этом залежи проводящего электрический ток минерала пост-перовскита.

Ровно 1 апреля появилась еще одна совершенно серьезная новость: в России начала (строго говоря, продолжила после двадцатилетнего перерыва) выходить еженедельная газета "Троицкий вариант", которую делают ученые для ученых, а также "для всех, кто проявляет интерес к науке и к знаниям вообще". 

Астрономы засняли движение сквозь нижнюю атмосферу Солнца мощной волны – "солнечного цунами", выяснили, в каких случаях солнечные вспышки горячее, в очередной раз подвергли сомнению гипотезу о том, что земной климат зависит от космических лучей, нашли самую молодую планету и еще десять разных планет.

И, конечно, не обошлось без черных дыр. Во-первых, нашли самую маленькую (массой менее четырех Солнц, размером с город) из тех дыр, что образуются в результате коллапса массивной звезды. Во-вторых, нашли (по крайней мере, подозревают, что нашли) черную дыру промежуточной массы – загадочного класса, который неизвестно как возникает. Впрочем, о подозрениях, что в Омеге Центавра скрывается такая дыра, уже писали ранее.

Как мы знаем, вся эта информация в нашем распоряжении ненадолго. Крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц вот-вот начнет создавать собственную черную дыру, а черные дыры – уникальные объекты, они способны необратимо уничтожать информацию.

Александр Бердичевский

Я боюсь!

Во что Большой адронный коллайдер превратит Вселенную?

Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) стал самым ожидаемым событием года (ну, может, не года, но месяца - точно). Для ученых это событие явилось завершением 14-летнего строительства (а обсуждение проекта БАК велось уже около 30 лет) и самым масштабным научным экспериментом. Для многих людей, далеких от физики, запуск коллайдера ассоциировался с глобальной катастрофой. Мы попытались собрать наиболее распространенные сценарии трагического завершения эксперимента по запуску коллайдера.

Большой адронный коллайдер – огромное сооружение на границе Швейцарии и Франции, предназначенное для разгона и столкновения элементарных частиц. Огромные магниты БАК, охлажденные почти до температуры абсолютного нуля, будут удерживать пучок элементарных частиц на постоянной орбите и с каждым витком разгонять его. Максимальная скорость, с которой протоны будут облетать кольцо ускорителя длиной 27 километров, составляет 99,9999991 процента от скорости света. Двигающиеся с такой немыслимой скоростью частицы будут сталкиваться друг с другом, и эти столкновения должны породить что-то страшное.

Маленькая, но очень черная

Одним из самых страшных последствий работы коллайдера большинство однозначно признало образование микроскопических черных дыр. Черные дыры – это области пространства, гравитационное притяжение которых столь велико, что не отпускает от себя даже свет, не говоря уже о веществе. Черные дыры хорошо известны астрономам – они обнаружены в центре многих Галактик, в том числе, и нашего Млечного Пути. В наиболее "типичном" случае черные дыры образуются при коллапсе звезд, которые исчерпали все свое ядерное топливо.

В мире, который живет по законам так называемой Стандартной модели, - наиболее общепринятой физической теории, объясняющей взаимодействие частиц, - черные дыры должны быть большими. Диаметр самой маленькой из известных черных дыр составляет около 24 километров. Однако в рамках конкурирующей теории мироздания – теории струн – возможно образование микроскопических черных дыр. Причем (внимание!) возможно именно при соударении быстрых элементарных частиц.

Однако крошечная черная дыра, образовавшаяся в рамках теории струн, которая, в частности, предполагает, что окружающий нас мир многомерен, должна немедленно рассеяться, выпустив множество элементарных частиц (так называемое излучение Хокинга). Так что, даже если мир работает в согласии с теорией струн (что пока не доказано), о том, что в туннеле коллайдера образовались черные дыры, ученые узнают только после анализа данных с детекторов.

Однако скептики уверяют, что микроскопическая черная дыра может не рассеяться. Это произойдет в том случае, если хокинговского испарения не произойдет. Почему? Ну просто потому, что мы еще очень мало знаем об окружающем мире и, может быть, существует закон, заставляющий микроскопические черные дыры оставаться стабильными. Маленькая черная дыра вырастет, поглотит сначала коллайдер, потом Женеву, потом Европу, а потом и всю Землю. Энтузиасты уже смоделировали, как будут развиваться события.

В редакции Ленты.Ру вопрос об образовании черной дыры в коллайдере также обсуждался. В основном всех интересовали два аспекта. Первый: так как для находящихся в черной дыре время тянется бесконечно, в каком состоянии лучше всего быть поглощенным. Второй: когда материя засасывается в черную дыру, она разогревается до температуры в несколько миллионов градусов. Редакторы (особенно те, кто сидит под кондиционером) обсуждали, поставить его утром 10 сентября на 18 градусов или все же оставить на 23.

Тоже материя, но другая

Противники БАК требовали (и требуют) остановить его не только из-за черных дыр. Его один пугающий продукт столкновения элементарных частиц в ускорителе – это антиматерия. Частицы антиматерии являются двойниками "нормальных" частиц, с той разницей, что они несут противоположный заряд. То есть, антиэлектрон, например, заряжен положительно, а антипротон – отрицательно. Нейтральные частицы и античастицы отличить друг от друга очень сложно. Но существует один проверенный способ. Частицы вещества и антивещества при контакте друг с другом аннигилируют – взаимоуничтожаются. При этом выделяется немалое (в строгом соответствии с формулой E=mc²) количество энергии.

Это свойство антиматерии давно пугает человечество. Писатель Дэн Браун даже написал книгу, в которой злоумышленники похищают из CERN антиматерию, чтобы с ее помощью взорвать Ватикан. Сотрудники CERN опубликовали статью, в которой подробно объясняли, почему в действительности подобный заговор бы провалился. Коллайдер вновь спровоцировал споры об антивеществе.

Доводы тех, кто опасается страшного двойника привычной материи, примерно следующие: если при работе коллайдера будет образовываться антивещество, то оно постепенно будет уничтожать вещество "обычное". Сначала исчезнет коллайдер, потом Женева, потом Европа, а потом и вся Земля. Пытливый читатель легко сможет заметить логическую неувязку в этом рассуждении. Если предположить, что образовавшаяся при работе коллайдера антиматерия будет скапливаться где-то в одном месте и оставаться стабильной (в действительности для этого используются мощные магнитные ловушки), то для получения достаточного для уничтожения Земли количества антивещества потребуется примерно вечность. Ну, или по крайней мере, срок, за который наша Солнце успеет пару раз погаснуть.

В редакции Ленты.Ру на вопрос об антиматерии были получены следующие ответы: "Антиматерия - очень важная штука. Но я стараюсь о ней не думать, а то можно не увидеть горизонта событий" (раздел "Выборы в США"), "Я не хочу с ней познакомиться при жизни. Я ее бАюсь" (раздел "О высоком"), "Я мечтаю ею стать" (выпускающий редактор).

Очень странно

Кроме антиматерии жителям Земли внушает страх еще одна материя. Странная. Капельки странной материи превращают в странную материю все вокруг. Когда самое ничтожное количество странной материи образуется в ускорителе, то в странную материю сначала превратится коллайдер, потом Женева, потом Европа, а потом и вся Земля. Почему этот ужасный сценарий, скорее всего, не реализуется, было написано уже немало. Если выбирать между уничтожением планеты с помощью антиматерии или страпелек, то лучше остановиться на антиматерии.

Совсем один

Магнитный монополь – нечто вроде отдельно существующего полюса магнита – был теоретически предсказан довольно давно. Его пытались обнаружить различными способами, но пока он успешно скрывается от ученых. Большинство физиков считают, что в коллайдере магнитный монополь возникнуть не должен (но, опять же, если принять во внимание различные "но", его можно там представить). Гипотетический монополь обладает способностью ускорять распад протонов. Но даже если он просуществует в БАК достаточно долго (что еще менее вероятно, чем возникновение монополя), то чтобы найти "погибшие" протоны, придется долго анализировать показания детекторов.

Разное

По Сети бродит еще некоторое количество версий, самой разумной из которых является версия о появлении в результате столкновений элементарных частиц ходов в иные миры (то, что они существуют, принимается как данность). Большинство довольствуется самыми растиражированными версиями. Хотя "большинство" в данном случае – не самый корректный термин. Проведенный опрос показал, что 45 процентов россиян не знают, что такое Большой адронный коллайдер. Но многие при этом доверяют ученым и считают, что "Если эта штука запускается, значит надо запускать. Конечно, если это не какой-нибудь ужасный микроб или оружие массового поражения".

Некоторые все же склонны не ждать от ученых ничего хорошего. Позицию таких людей можно пояснить на примере Сергея Стиллавина, который в своем ЖЖ заявил, что коллайдер опасен, потому что при проведении эксперимента никогда нельзя предсказать результат. Радиоведущий забанил всех, кто в комментах высказывал иную точку зрения ("не обладая ни реальным пониманием сути, ни культурой поведения, ринулись защищать аццкий коллайдер от совершенно справедливых моих опасений"). Некоторые блогеры увидели в дате запуска БАК предзнаменование грядущего конца света. Коллайдер был запущен 10.09.08. Не правда ли, это напоминает обратный отсчет?

Категорически против запуска БАК высказались 14 процентов жителей России. Они аргументировали свою позицию тем, что не стоит подвергать землян опасности ради сомнительных научных достижений. По мнению противников запуска, вложенные в проект БАК огромные деньги лучше было бы потратить на что-нибудь более полезное. Например, на строительство больниц или на борьбу с голодом в Африке. Такого же мнения придерживаются жители других стран, протестующих против опасного эксперимента. Так, завершающая фраза ролика, выложенного на сайте LHCDefence.org (защита от БАК), звучит так: "И все это во имя науки, которая разрабатывает теории, не несущие никакой практической пользы".

Тут они не совсем правы. Журнал Scientific American подсчитал, что с помощью Большого адронного коллайдера можно разморозить пиццу всего за 30 наносекунд.

Ирина Якутенко

Из жизни физиков

Когда студенты однажды пожаловались на обширность материала, который к тому же быстро забывается, профессор Георгий Васильевич Коренев ответил им афоризмом:

– Учтите, образованность это то, что остается после того, как вы забудете все, чему вас учили.

"Если домашние спросят вас, что такое элементарные частицы, скажите, что это просто энергия. Они ничего не поймут, но будут думать о вас хорошо".

Анекдот

На экзамене по атомной физике студентка вытащила билет с вопросами по теории ядра. Сев за стол, она нарисовала большую окружность – ядро, в нем четыре кружка поменьше – протоны и нейтроны. Потом, видимо, задумавшись, стала по инерции рисовать в них совсем маленькие кружочки – два, три, пять… Проходивший мимо преподаватель мельком заглянул ей через плечо и с укоризной заметил: "Зачем же вы, милочка, столько кварков-то в нуклон напихали. Нехорошо это…"

ã Сечная Н.Ю.