Осенью 2004 года исполнилось 50 лет Европейской организации по ядерным исследованиям. Хороший повод, чтобы рассказать об этом уникальном научном центре и о пользе фундаментальной науки.

Супердетектор Delphi — гигантское сооружение размером с дом. В его проетирование и сооружение внесли вклад наши институты ОИЯИ (г. Дубна) и ИФВЭ (г. Протвино)
ATLAS — один из детекторов Большого адронного коллайдера
Гигантские магниты детектора ALICE
Электрон-позитронный коллайдер LEP
OPAL — электромагнитный калориметр

Исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц настолько трудоемки и ресурсоемки, что их невозможно реализовать в рамках одной лаборатории или даже института. Это стало ясно еще во времена Манхэттенского проекта, к осуществлению которого пришлось привлечь не только основные силы американской науки, но и большинство эмигрировавших в Америку европейских ученых. Современная физика высоких энергий развивается в рамках так называемых коллабораций, которые объединяют научные силы и ресурсы разных государств. Самый крупный проект подобного рода — Европейская организация по ядерным исследованиям — научный центр, расположенный недалеко от Женевы, на границе Франции и Швейцарии.

В 1952 году 12 стран Европы (Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Греция, Италия, Голландия, Норвегия, Швеция, Швейцария и Югославия как участники и Великобритания в ранге наблюдателя) подписали соглашение о создании временной организации — Европейского совета по ядерным исследованиям, сокращенно CERN (по первым буквам французского названия Conseil EuropОenne pour la Recherche NuclОaire). Когда в 1954 году организация получила постоянный статус и стала называться Европейской организацией по ядерным исследованиям, прежнюю аббревиатуру решили сохранить, и теперь на всех языках этот крупнейший в мире научный центр носит название CERN (в том числе и по-русски — ЦЕРН).

Из четырех предполагаемых вариантов расположения центра (Париж, Копенгаген, Арнем и Женева) предпочтение в конце концов было отдано Женеве из-за ее интернациональной позиции, географического положения, а также обещания Швейцарии предоставить в окрестностях города 40 га необходимой для строительства территории. Первый штат сотрудников ЦЕРНа насчитывал 114 человек, а первым директором был назначен знаменитый физик, нобелевский лауреат Феликс Блох.

Ускорители

Главным инструментом для исследований в области физики элементарных частиц является ускоритель — сложнейшая машина, которая в не меньшей степени, чем космический корабль, аккумулирует технические достижения и стимулирует развитие новейших технологий. Фактически ускоритель — это вакуумная трубка, окруженная сложной системой синхронизованных друг с другом магнитов и электрических ускоряющих полей, которые позволяют разогнать заряженные частицы почти до скорости света и создать сгусток из достаточно большого количества частиц с заданной энергией.

Ускоритель — это сердце лаборатории по изучению элементарных частиц, вокруг которого сосредоточены разные другие органы: системы обслуживания; детекторы, по сложности не уступающие космическим аппаратам; мозги в прямом и переносном смысле — как электронные, так и настоящие.

Первый элемент ускорительного комплекса ЦЕРНа — синхроциклотрон — был построен в 1957 году и разгонял частицы до энергии 600 МэВ. Параллельно с его строительством разрабатывался и основной ускоритель — протонный синхротрон (PS). Его сооружение продолжалось 5 лет и закончилось успешными испытаниями 24 ноября 1959 года. Объявляя об этом достижении на следующий день, директор ЦЕРНа Джон Адамс держал в руках странный предмет — пустую бутылку из-под водки. Эту бутылку (естественно, полную) прислали физики из Дубны с пожеланием выпить ее после того, как синхротрон в ЦЕРНе преодолеет рекордную на тот момент энергию в 10 ГэВ, полученную на синхрофазотроне Дубны. Сохранилась фотография, где Адамс держит в руках эту бутылку, внутри которой лежит ответное сообщение для коллег из Дубны — фотография со снимком полученного на новом ускорителе пучка частиц с энергией 24 ГэВ. Через пару недель удалось достичь максимальной энергии в 28,3 ГэВ, и с тех пор первый протонный синхротрон ЦЕРНа успешно адаптировался ко все новым и новым запросам экспериментаторов, причем его система фокусирующих магнитов оставалась без изменений и исправно работала в течение 45 лет!

Пока основной ускоритель активно функционировал, в ЦЕРНе вовсю шла разработка нового проекта — пересекающихся накопительных колец. Идея накапливать два пучка частиц, а потом сталкивать их друг с другом уже была к тому времени реализована для электронов и доказала свою эффективность. Во встречных столкновениях доля выделяющейся энергии значительно больше, чем при столкновениях с неподвижной мишенью. А поставлять протоны в эти кольца должен был все тот же протонный синхротрон.

Строительство первого в мире ускорителя протонов с пересекающимися накопительными кольцами было завершено в ЦЕРНе в 1971 году. Это была не только первая реализация инженерного замысла, но и истинно интернациональная постройка, поскольку протонный синхротрон находился в Швейцарии, а накопительные кольца примерно в 300 м от него — во Франции. Европейские физики в тот момент опередили своих американских коллег, которые с грустью шутили, что «нынче основной инструмент для исследования в физике высоких энергий — Боинг 707». Имелся в виду трансатлантический рейс, который доставлял американских ученых в Европу для участия в экспериментах в ЦЕРНе.

Действительно, эти уникальные ускорительные комплексы сыграли важную роль в тех открытиях, которые были сделаны в ЦЕРНе в следующие 15 лет.

Практика — критерий истины

К началу 70-х годов физикам удалось придумать теорию, которая позволила объединить (записать в виде общей формулы) два из четырех известных взаимодействий — электромагнитное (между заряженными частицами) и слабое (отвечающее за распад нейтрона и радиоактивный бета-распад). Новая электрослабая теория предсказывала две вещи, нуждавшиеся в экспериментальном подтверждении: особый вид взаимодействий с участием нейтрино (так называемые «нейтральные токи») и новые частицы, почти в 100 раз более тяжелые, чем протоны и нейтроны, и получившие название W- и Z-бозонов.

Для того чтобы увидеть, как взаимодействуют «всепроникающие» нейтрино, была использована специально сконструированная для нейтринных экспериментов во французском исследовательском центре Сакле и доставленная в ЦЕРН пузырьковая камера «Гаргамель». Она имела форму цилиндра длиной почти 5 м и диаметром около 2 м и была наполнена 10 т фреона под давлением 20 атмосфер. В 1973 году после тщательного анализа фотографий, полученных с камеры, участники коллаборации, куда входили семь европейских лабораторий и приглашенные исследователи из Японии, СССР и США, нашли на них порядка сотни событий, где нейтрино вели себя именно так, как было предсказано электрослабой теорией.

Впрочем, открытым оставался еще вопрос с новыми частицами, но для этих экспериментов пока не хватало мощности ускорителей. Надежда была на новые проекты, такие как строившийся протонный суперсинхротрон (SPS), имевший 7 км в окружности.

Новый ускоритель начал работать в 1976 году и позволял разгонять частицы до энергии на порядок большей, чем в первом протонном синхротроне. Появилась реальная возможность, используя ускоренные им пучки протонов и антипротонов, экспериментально увидеть новые предсказанные теорией частицы. В эксперименте были задействованы все ускорительные машины ЦЕРНа: и прежний синхротрон, и новый суперсинхротрон, и накопительные кольца. Старый синхротрон служил для создания антипротонов и поставки исходного пучка частиц в новый ускоритель, суперсинхротрон — ускорял частицы до огромных энергий, а в накопительных кольцах эти пучки встречались и рождали множество частиц, среди которых оказались и те, которые так жаждали увидеть физики. Для этого грандиозного эксперимента были специально построены два детектора, которые и зарегистрировали рождение W- и Z-бозонов. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе в 1983 году, замечательным образом подтвердило предсказания теории и настолько вдохновило научное сообщество, что беспрецедентно скоро, уже на следующий год, идеологи и руководители эксперимента Карло Руббиа и Симон ван дер Меер были удостоены Нобелевской премии по физике.

Перспективы

Следующий ускорительный проект ЦЕРНа — электрон-позитронный коллайдер (LEP), построенный в 1989 году в специальном туннеле длиной 27 км, позволил очень точно измерить некоторые параметры элементарных частиц. В 2000 году его демонтировали, и теперь в том же туннеле идет строительство нового, доселе невиданного ускорительного комплекса — Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider — LHC) с системой на основе сверхпроводящих магнитов. Это будет самый мощный в мире ускоритель протонов и самая большая сверхпроводящая установка. Она будет включать 1232 сверхпроводящих дипольных магнита, более 500 сверхпроводящих квадрупольных магнитов и более 4000 корректирующих магнитов различных типов. Всю эту конструкцию, длиной 27 км и весом 40 000 т, потребуется охладить до 1,9 К, то есть до температуры, на 300 градусов ниже комнатной! Возведение этой уникальной инженерной конструкции идет полным ходом и по плану должно завершиться в 2007 году.

Параллельно для различных экспериментов физики готовят пять не менее впечатляющих систем детектирования, состоящих из тысяч счетчиков и камер. В каждом коллективе по проектированию и созданию детекторов участвуют несколько тысяч ученых из сотен лабораторий и институтов. Все это сооружают без преувеличения «всем миром». К примеру, 52 квадрупольных магнита для коллайдера прибыли из Канады, огромные металлические конструкции весом по 175 т для детектора CMS делают в Иране, а летом 2004 года первые девять из 84 мюонных камер были отправлены из научного центра ОИЯИ в Дубне для установки на детекторе ATLAS, где они будут работать совместно с другими камерами, созданными в научных центрах Италии.

Всемирная Паутина

Масштабу проекта будет соответствовать и колоссальный объем информации, которую придется анализировать в ходе экспериментов. Предполагается, что на новом коллайдере в ЦЕРНе в год будет производиться 12−14 петабайт данных, что эквивалентно 20 миллионам компакт-дисков! Впрочем, ученые, занимающиеся ядерной физикой, всегда оказывались главными инициаторами создания и потребителями систем для автоматизации расчетов (то есть вычислительных машин), без которых вся их деятельность просто теряла смысл. Первый компьютер появился в ЦЕРНе уже в 1958 году. На изготовление этого лампового гиганта с бумажным вводом и выводом данных, которому на перемножение двух 40-битных чисел требовалось 300 микросекунд, у фирмы Ferranti Mercury ушло целых два года! Через четыре года в ЦЕРН прибыла первая транзиcторная вычислительная машина фирмы IBM, которая уже позволяла подключаться прямо к детекторам и записывать данные на магнитную ленту. Последней ласточкой эры больших вычислительных машин стал суперкомпьютер CRAY, приобретенный ЦЕРНом в 1988 году.

К тому времени уже начали появляться персональные компьютеры, а связь между компьютерами вычислительных центров активно использовалась для передачи файлов, электронной почты и удаленного доступа к другим компьютерам. Это было здорово, но недостаточно для эффективного обмена данными и документами. Идея унифицированного представления информации в компьютерной сети возникла у научного сотрудника ЦЕРНа Тима Бернерса-Ли в конце 1989 года, а в 1990-м он и Роберт Кайлиау предложили уже вполне работоспособный прототип такой системы для доступа к документации компьютерного центра ЦЕРНа, справочной службе и местной новостной сети. Новая технология включала три основных компонента: веб-страницы — представление данных в виде машинно-независимого гипертекста, то есть текста, который может содержать ссылки на другие документы; веб-сервер — компьютер с доступом к сети, где размещаются веб-страницы; и веб-браузер — программа просмотра гипертекстовых документов на компьютере пользователя. Хотя первоначально предполагалось использовать изобретенную службу только внутри научного сообщества, авторы идеи без ложной скромности назвали свое детище «Всемирной Паутиной» (World Wide Web) и оказались на удивление дальновидны!

В декабре 1991 года первый веб-сервер появился в США, в Стэнфордском центре линейных ускорителей. К концу 1993 года в мире насчитывалось примерно 500 веб-серверов и веб-документы составляли примерно 1% информации, передаваемой по компьютерным сетям. Всего через год количество пользователей Всемирной Паутины достигло 10 миллионов, а число веб-серверов -10 000, причем 2000 из них уже были коммерческими. В наше время сотни миллионов посетителей интернета, в том числе дети и домохозяйки, ежедневно просматривают миллиарды веб-документов, ищут сведения в поисковых системах и делают покупки в электронных магазинах.

Сеть для бозона Хиггса

А физики Европейского центра ядерных исследований, где был соткан первый кусок Всемирной Паутины, уже заняты новыми технологиями и готовятся к новым экспериментам. В современных условиях основной вычислительный инструмент уже не суперкомпьютер, а «ферма» — целый комплекс мощных многопроцессорных компьютеров, объединенных в кластеры. По предварительным подсчетам на каждый готовящийся в ЦЕРНе эксперимент потребуется кластер из тысячи двухпроцессорных компьютеров с частотой процессоров более 20 ГГц. Ведь при работе на большом коллайдере предстоит обрабатывать по 100−200 событий в секунду, каждое из которых будет содержать от нескольких мегабайт до гигабайта информации. При этом ожидаемые события настолько редки, что накапливать данные придется несколько месяцев, а то и лет.

Для анализа этого информационного потока предлагается использовать новый подход, который вот уже несколько лет целенаправленно разрабатывается научным сообществом — это новая технология распределенных вычислений под названием Grid (что переводится как «сетка» или «решетка»). Проект Grid предполагает создание стандартизованной общедоступной системы параллельной обработки данных для решения задач гораздо более сложных, чем простая передача документов с помощью веб-технологии. Важный шаг в развитии глобальной структуры Grid — высокоскоростная передача информации. Рекорд здесь принадлежит линии связи между ЦЕРНом и Калифорнийским технологическим институтом: пересылка терабайта данных менее, чем за час (компакт-диск за 2,5 секунды), что примерно в 25 раз быстрее стандартных скоростных соединений.

Когда новые технологии распределенных вычислений, разработанные для анализа данных в физике высоких энергий, будут испытаны и станут так же доступны, как WWW, это будет означать революцию в области глобального моделирования климата, сейсмологии и других прикладных областях. Здесь уместно вспомнить слова из статьи С. Г. Левеллина Смита, одного из генеральных директоров ЦЕРНа: «Причина, по которой мы сейчас имеем в своем распоряжении компьютеры, а 100 лет назад не имели их, заключается не в том, что у нас вдруг появилась такая потребность. Это напрямую связано с открытиями фундаментальной физики, благодаря которым возникла современная электроника, с развитием математической логики и с потребностями ученых, занимавшихся ядерной физикой в 1930-е годы и искавших эффективные способы подсчета частиц».

Но все же новые технологии — это только побочный продукт научных исследований, а главная задача — получить ответ на чрезвычайно важные вопросы об устройстве мироздания. Откуда появляется масса у частиц, и есть ли она у загадочных нейтрино? Существует ли бозон Хиггса, и почему возникла асимметрия между веществом и антивеществом? Даже если Большой адронный коллайдер не даст ответов на все эти вопросы, он несомненно изменит наш взгляд на устройство Вселенной.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2004).