Магия науки. Как ЦЕРН путешествует во времени и попутно создает инновации

"Любая достаточно развитая технология неотличима от магии", — утверждал знаменитый британский фантаст Артур Кларк. Возможно, поэтому научные учреждения в литературе и кино зачастую окружены мистическим ореолом. Европейский совет по ядерным исследованиям или ЦЕРН – как раз из таких. Благодаря писателям вроде Дэна Брауна или Роберта Сойера и анонимным шутникам, может сложиться впечатление, что в этой передовой лаборатории занимаются чем-то вроде колдовства (фигурально и буквально). Реальность, конечно, прозаичнее, но граница между технологией и магией здесь действительно не вполне четкая.

Окно в прошлое

Одной из самых популярных тем жанра сай-фай являются путешествия во времени, для которых герои используют самые разнообразные приспособления от телефонных будок и экзотических спорткаров, до космических кораблей. На самом деле, чтобы отправиться в прошлое, создавать хитроумные механизмы не нужно. Достаточно просто взглянуть в ночное небо.

Каждый раз, когда мы смотрим на Луну, то видим ее не такой, какой она является в данный момент, а такой, какой она была примерно 1,3 секунды назад. Столько времени требуется свету, чтобы преодолеть 380 тыс км, которые отделяют спутник от наших глаз. Конечно, это очень короткое путешествие, но при желании можно отправиться и дальше. Отыскав на небосводе Бетельгейзе (яркую звезду в созвездии Ориона), можно переместиться в прошлое на 640 лет.

Это возможно просто при помощи глаз, а если обратиться к более мощному инструменту, то можно отправиться еще дальше – на миллионы и миллиарды лет назад. "Значит ли это, что если мы построим очень большой телескоп, то сможем заглянуть в прошлое вплоть до Большого взрыва", — вопрошает профессор Кристоф Шефер, старший советник по связям со странами-не членами ЦЕРН. И тут же отвечает: "Нет".

Мы можем наблюдать далекие, древние звезды, потому что Вселенная прозрачна, но так было не всегда. Она не была такой в течение примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва, и пробиться за этот порог не могут даже мощнейшие телескопы. Тут на сцену и выходит главная "знаменитость" ЦЕРНа – большой адронный коллайдер (БАК).

Эксперименты на Большом адронном коллайдере

БАК — это 27-километровое кольцо, расположенное на 100-метровой глубине под территорией Швейцарии и Франции. Масштабный проект зародился еще в начале 80-х, а работу начал в 2008 году. Сегодня при помощи БАКа физики разгоняют пучки протонов или ионов свинца до скорости, близкой к скорости света. Пучки движутся в противоположных направлениях, ежесекундно описывая 27-километровый круг 11 000 раз, пока не сталкиваются. В этот момент ученым удается воссоздать условия, похожие на те, что установились во Вселенной на несколько мгновений после Большого взрыва.

Данные, получаемые в ходе столкновений, фиксируются при помощи детекторов, таких как ALICE. Место, где он размещается, повергло бы в уныние любого сай-фай-декоратора. Здесь нет ни нежно-голубого свечения, исходящего от стен, ни людей в белоснежных халатах, снующих с планшетами в руках. Штаб ALICE – скорее невзрачный ангар, а внутри – сплошь бетон и металл. И тем не менее, именно в такой невзрачной обстановке ученые "путешествуют" в глубокое прошлое Вселенной.

ALICE – один из экспериментов, проводимых при помощи БАКа, но есть еще 6: ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM, LHCf и MoEDAL

Детектор ALICE специализируется на исследовании результатов столкновений ионов свинца, которые могут сопровождаться необычайно высокими температурами, в десятки тысяч раз более высокими, чем в ядре Солнца. В столь экстремальных условиях вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы, в котором оно, вероятно, находилось сразу после Большого взрыва. Изучая ее, наблюдая, как она расширяется и остывает, как порождает частицы, из которых состоит все, что окружает нас сегодня, ученые получают возможность пробиться за неподвластную телескопам границу и узнать, какой была Вселенная в самом начале своего существования.

Бозон Хиггса и темная материя

Это только один из экспериментов и один из вопросов, на который ученые хотят ответить при помощи большого адронного коллайдера. Другим важным направлением является поиск доселе неоткрытых частиц. "Вы знакомы с кирпичиками LEGO? С ними можно построить что угодно, но в конце может не хватать некой особенной детальки, – говорит профессор Кристоф Шефер. – Мы ищем эти недостающие детальки".

Самого громкого успеха на этой ниве исследователям из ЦЕРНа удалось достичь в 2012 году, когда был обнаружен бозон Хиггса – частица, которая может служить порталом в мир темной материи. Для ученых это Святой Грааль, ведь они практически не сомневаются в том, что она существует. Более того, во Вселенной ее гораздо больше, чем видимой материи – всего того, что мы наблюдаем вокруг себя, всех звезд и галактик. Тем не менее, обнаружить ее напрямую пока не удалось.

Впрочем, искать темную материю, возможно, будет уже не БАК. В начале нынешнего года международная группа физиков представила концепт нового ускорителя. Проект называется Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider), и если ему будет дан "зеленый свет", то на его фоне БАК покажется едва ли не крохой. Его длина будет достигать 100 км. С его помощью ученые смогут проводить эксперименты, выходящие за пределы возможностей БАКа, и получат шанс не только обнаружить темную материю, но и ответить на вопрос, почему Вселенная почти полностью состоит из материи, а не из антиматерии.

В настоящее время большой адронный коллайдер проходит модернизацию

Но пока это лишь проект, а значит, в ближайшие годы трудиться над открытием тайн мироздания придется БАКу. В настоящее время эксперименты на коллайдере не проводятся – он проходит масштабную модернизацию, а исследователи изучают данные, собранные в ходе прошлого этапа работы. Протоны вновь побегут на околосветовой скорости весной 2021-го года.

Ускоритель прогресса

Фундаментальные исследования, попытки понять, как зародилась и из чего состоит наша Вселенная, – основная задача ЦЕРНа. Но не единственная. "Мы создаем инновации, – рассказывает профессор Шефер. – Это не наша основная цель, но когда мы производим инструменты, необходимые для нашей работы, на свет появляются технологии, которые могут найти применение в других сферах".

Чтобы подыскать пример такой инновации далеко ходить не надо – этот материал вы читаете при помощи одной из них. Когда в начале 80-х годов большой адронный коллайдер был только перспективным проектом, перед его участниками возник вопрос: как им уследить за таким грандиозным начинанием?

Ответить на него решил британский физик и инженер Тим Бернерс-Ли. В 1989-м он предложил создать гипертекстовую систему, в которой документы, хранящиеся на различных электронных носителях, были бы структурированы и взаимосвязаны перекрестными ссылками. Его разработка могла существенно упростить ориентацию в информационном пространстве проекта. Сегодня она известна под названием World Wide Web, и с ее помощью миллионы людей осуществляют навигацию в интернете.

Текст с оригинальным предложением Тима Бернерса-Ли о создании системы, которая в будущем станет Вебом. "Расплывчато, но увлекательно", – ответило тогда руководство

Это не единственное родившееся в стенах ЦЕРНа ноу-хау, которое плотно вошло в нашу повседневную жизнь. Первые сенсорные дисплеи тоже появились здесь, и вновь благодаря ускорителю частиц. В 70-х сотрудники лаборатории готовились к запуску протонного суперсинхротрона. Планируя обустройство пункта управления, они осознали, что в нем будет слишком много всевозможных кнопок, рычажков и переключателей.

На выручку пришел датский инженер Бент Стампе, предложивший создать сенсорный экран с фиксированным количеством "кнопок", назначение которых можно было бы перепрограммировать. Вскоре идея воплотилась в демонстрационной модели, а затем тачскрины разместились в комнате управления ускорителя, где проработали более 20 лет.

Впрочем, ЦЕРН повлиял не только на мир гаджетов и IT. Разработки лаборатории также способствовали развитию медицины. Например, физикам Дэвиду Таунсенду и Алану Дживонсу, удалось улучшить технологию ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография). В 1977 году они предложили способ, как получать более качественные изображения внутренних органов при помощи ПЭТ. Более того, Таунсенд посвятил свою дальнейшую карьеру данному направлению и в 90-х годах создал сканер, объединивший методы ПЭТ и КТ (компьютерной томографии). Сегодня оба типа сканеров широко применяются для поиска раковых опухолей.

Наработки ЦЕРНа пригодились не только в диагностировании, но и в борьбе с этим заболеванием. Еще с 90-х годов лаборатория и ее сотрудники активно способствовали развитию адронотерапии. Это метод лечения раковых опухолей при помощи заряженных частиц, который, в отличие от более традиционной радиотерапии, действует более точечно, нанося гораздо меньше повреждений здоровым тканям.

В стенах ЦЕРНа было разработано своего рода руководство для стран, желающих обустроить у себя центры адронотерапии. Сегодня в Германии, Австрии и Италии уже существуют учреждения, созданные, согласно этому руководству, а в следующем 10-летии еще одно появится в Черногории.

Кроме того, в 2007-м от ЦЕРНа отделилась компания-спин-офф под названием ADAM. Она занимается созданием линейных ускорителей, предназначенных специально для борьбы с раковыми опухолями.

Работа лаборатории может оказать влияние даже на мир искусства – к следующему году здесь завершится создание компактного ускорителя, при помощи которого можно будет исследовать полотна, а также проверять их подлинность.

Словом, даже не ставя перед собой задач по созданию передовых технологий, ЦЕРН все равно выдает или совершенствует их. К слову, это один из аргументов сторонников строительства большого циклического коллайдера. Ведь это дорогостоящий проект, который обойдется в миллиарды евро, а фундаментальные исследования не предполагают получения моментального практического результата. Но если прошлые ускорители сумели подарить миру столько инноваций, то какие новшества может подарить следующий?

Наука без границ

"И последнее, но не по важности: мы стремимся объединять представителей различных стран и культур", – говорит Кристоф Шефер, завершая перечень основных задач, которые ставит перед собой ЦЕРН. И действительно международное сотрудничество – один из столпов, на которых было воздвигнуто научное учреждение.

Это и неудивительно, ведь идея его создания впервые была озвучена в 1949 году, когда Европа только оправлялась от Второй мировой войны. Прогрессивные ученые того времени поняли, что наука Старого света утратила лидирующую позицию в мире, и решили, что нужно действовать сообща. 5 лет спустя Европейский совет по ядерным исследованиям появился на свет.

В тот момент в него входило 12 европейских стран, но к настоящему моменту количество членов совета достигло 23-х. Каждое из этих государств вносит свой вклад в бюджет научных программ, реализуемых в ЦЕРНе, и обладает правом голоса в самых важных вопросах, касающихся работы организации. Но не стоит думать, что здесь можно увидеть лишь представителей этих стран.

Ученые и инженеры приезжают в ЦЕРН со всего мира, где получают возможность проводить исследования и эксперименты при помощи передового оборудования, которым располагает организация. По словам профессора Шефера, это способствует реализации еще одной цели научного учреждения – передаче знаний, которыми исследователи могут делиться, возвращаясь домой после нескольких месяцев или лет работы в стенах ЦЕРНА.

Отношения с разными странами у организации налажены не одинаково. Например, Кипр и Словения готовятся стать полноправными членами организации, а США, Россия и Япония считаются наблюдателями.

Сотрудничает учреждение и с Украиной. Официальное соглашение об этом было заключено еще в 1993-м году, хотя по словам профессора Шефера, традиции взаимоотношений нашей страны с ЦЕРНом восходят еще к тем временам, когда она была частью Советского союза.

С 2016-го Украина является ассоциированным членом – статус, которым может похвастаться всего 6 государств. Такие страны имеют место в совете, хоть и без права голоса, могут участвовать в тендерах на поставки оборудования, а их представители – претендовать на временные должности в организации.

По состоянию на минувший год в ЦЕРНе было 35 украинских "пользователей" (так здесь называют ученых, приезжающих для исследований и экспериментов) преимущественно из киевских и харьковских научных учреждений. Кроме того, эти учреждения поставляли некоторое оборудование и комплектующие, которые использовались в ALICE и еще двух крупных экспериментах ЦЕРНа: LHCb и CMS.

Так что, как бы того ни хотели писатели и режиссеры, в ЦЕРНе действительно не происходит ничего мистического. Если, конечно, не видеть ничего волшебного в попытках докопаться до самых основ Вселенной, создании инновационных технологий, меняющих облик мира, и стремлении объединить представителей различных народов во имя науки.