Физик-теоретик из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл отмечает, что на самом деле Большой взрыв — «это момент во времени, а не точка в пространстве". Согласно одноименной теории Большого взрыва, 13,8 миллиарда лет назад Вселенная была буквально втиснута в бесконечно крошечную и бесконечно плотную точку, которую принято называть "сингулярностью". В этой точке произошло некое, до сих пор неизвестное, событие, которое привело к дальнейшему расширению Вселенной, формированию звезд, планет, астероидов и других космических объектов. Считается, что самые ранние звезды, появились всего лишь 200-400 млн лет спустя после Большого взрыва. Но свет, который мы можем увидеть с помощью современных приборов, еще старше. Это фотоны микроволнового фона — реликтового излучения, которые сохранились с того момента, когда Вселенная остыла до 3000 К. Именно тогда электроны наконец смогли удерживаться на орбитах вокруг ядер, образовывая первые атомы...
Научное сообщество говорит, что первые моменты рождения Вселенной были краткими, но насыщенными: уже через 10−43 секунд после Большого взрыва появились первые частицы, а через 10−35 секунд Вселенная начала стремительно расширяться. В этот момент она была заполнена очень плотной и горячей смесью, состоящей из кварков (впоследствии они образуют нейтроны и протоны) и глюонов, напоминающих клей для соединения кварков друг с другом (от слова glue — клей).
Интересно, что в обычных (современных) условиях кварки не могут существовать отдельно друг от друга из-за явления под названием "конфайнмент". Оно буквально "запрещает" кваркам находиться в свободном состоянии. Но есть особое состояние вещества, при котором это правило нарушается, — кварк-глюонная плазма, та самая, которая образовалась в ранней Вселенной. В технологичных наземных коллайдерах ее уже научились получать, сталкивая на огромной скорости тяжёлые ядра, состоящие из сотен протонов и нейтронов. При значительном увеличении плотности или температуры вещества адроны, состоящие из кварков, могут "расплавиться". Благодаря этому создается первобытная среда, внутри которой кварки вперемешку с глюонами ведут себя как свободные частицы. Изучение этой кварк-глюонной "каши" поможет пониманию эволюции нашей Вселенной на ранних этапах.
С 2016 года в мире фактически организована гонка между четырьмя крупными проектами. За первенство в области новой физики борются Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider или LHC) Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, Швейцария), релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (The Relativistic Heavy Ion Collider или RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории (США), Центр по исследованию ионов и антипротонов (Facility for Antiproton and Ion Research или FAIR, Дармштадт, Германия) и ускорительный комплекс NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) Объединённого института ядерных исследований (Дубна, Россия).
Вселенная — это "ускоритель для бедных"
Это фраза прозвучала на лекции профессора, доктора физико-математических наук, главного научного сотрудника «Сектора физики высоких энергий» Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Игоря Михайловича Дремина. Профессор озадачил аудиторию риторическим вопросом: "Зачем нужны ускорители заряженных частиц"?. Ведь к нам из космоса постоянно прилетают частицы с очень высокой энергией, причем совершенно бесплатно. Казалось бы, почему просто не использовать космические лучи, не тратя огромные деньги на создание ускорителей, подобных Большому адронному коллайдеру? На самом деле, в космических лучах интенсивность частиц очень низкая. При высоких энергиях она не позволяет набрать достаточно статистики для анализа. Поэтому учёные еще в прошлом веке стали задумываться: можно ли добыть частицы с высокими энергиями в лабораторных условиях?
Французский циклотрон, сделанный в Швейцарии в 1937 году. Источник: Wikipedia Commons / Anton Lefterov
Первый ускоритель — циклотрон, по словам Дрёмина, был небольшим прибором, который с легкостью умещался на столе. Уже в дальнейшем появились синхротрон и синхрофазотрон. Кстати, с 1956 по 1957 год, благодаря работам советского физика В.И. Векслера, в Дубне был построен самый мощный в мире по тем временам синхрофазотрон с рабочей энергией 10 гигаэлектронвольт. А уже после 60-х гг. начинается повсеместное строительство ускорителей в разных странах: большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) и ускоритель SPS в Швейцарии, ускоритель HERA в Германии, Tevatron и RHIC в США.
Однако первые мегаустановки утратили былую популярность, когда появился он — Большой адронный коллайдер. Сегодня БАК продолжает занимать позицию мощнейшего ускорителя для исследования столкновений адронов, изучения природы их взаимодействий, лежащих в основе нашего мира.
Строительство кольцевого 27-километрового туннеля началось еще в 1983 году. Хотя идеи о необходимости создания коллайдера высказывались в 1977 году, когда в ЦЕРНе уже работал Протонный суперсинхротрон (SPS) и опубликован первый проект Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP). Предполагалось, что в будущем в том же туннеле можно будет разместить и адронный коллайдер. Поэтому туннель для LEP проектировали с учетом такой возможности. Спустя 17 лет, когда завершилась работа по проекту LEP, в тоннеле будет установлен уже Большой адронный коллайдер. Настоящая преемственность.
27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК. Источник: Wikipedia Commons / Juhanson
В те годы прокладка масштабного туннеля считалась крупнейшим экскавационным проектом в Европе. Рекорд был побит только в 1988 году, когда начались работы по прокладке подземного туннеля под Ла-Маншем.
В 2012 году физики БАК объявили всему миру о значимом открытии, к которому научное сообщество шло на протяжении нескольких десятков лет. Неуловимый бозон Хиггса наконец-то удалось зарегистрировать. Эта частица играет ключевую роль в современной физике микромира. В том числе ради нее и затевался масштабный проект коллайдера. Казалось бы, дело сделано, а коллайдер можно закрывать. Однако именно с этого открытия начинается самое интересное — эра новой физики и совершенно новых вопросов об устройстве Вселенной.
На пути к максимальной плотности вещества
Мы выяснили, что в обычной материи кварки и глюоны крепко связаны внутри протонов и нейтронов. Последние и есть те самые «кирпичики», из которых состоят ядра атомов. Между тем, согласно современной теории сильных взаимодействий, при достаточно больших температурах (в 100 000 раз превышающих температуру в центре Солнца) связь между кварками и глюонами нарушается и возникает кварк-глюонная плазма.
Этот процесс можно сравнить с известными всем фазовыми переходами воды из одного агрегатного состояния в другой: когда лед при нагревании превращается в воду, а вода в пар. По сути, каждый из нас ежедневно проводит у себя дома простейший эксперимент. Понаблюдайте за водой в следующий раз, когда будете кипятить воду в чайнике. Ученые внимательно изучают различные фазы, в которых может существовать материя Вселенной, а также все фазовые переходы, которые она испытала с момента ее рождения. Сейчас всё внимание ученых сосредоточено на фазовом переходе кварк-глюонной плазмы в адронный газ.
Член-корреспондент РАН Владимир Дмитриевич Кекелидзе. Научная Россия / Николай Малахин
На Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», прошедшей в ИКИ РАН, Владимир Дмитриевич Кекелидзе, вице-директор ОИЯИ, отметил, что в области больших энергий уже выполнено много экспериментов, например, на Большом адронном коллайдере, но особенность отечественного мегапроекта NICA — достигнуть максимальной плотности вещества, так как данных о материи в таком состоянии пока недостаточно. Этой же цели пытаются достичь другие упомянутые проекты.
"Да, у нас есть конкуренты", — подчеркивает Владимир Кекелидзе в интервью для журнала "Огонёк". "Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кварк-глюонную плазму. Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году, — коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии".
Схема расположения ключевых элементов коллайдера RHIC. Источник: Brookhaven National Laboratory, BNL / Flickr
Туннель коллайдера RHIC. Источник: Brookhaven National Laboratory, BNL / Flickr
Действительно, в Брукхейвенской национальной лаборатории исследовали кварк-глюонную плазму еще до того, как это стало мейнстримом. Работая на коллайдере RHIC ученые выяснили, что сильные потоки адронов описываются уравнениями идеальной жидкости. Исследования привели ученых к факту, казавшемуся поначалу невероятным — кварк-глюонная плазма представляет собой самую идеальную жидкость. Однако сейчас коллайдер пытаются модернизировать, чтобы нагнать других участников "гонки". "Барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности нужно всего 10", — комментирует Владимир Дмитриевич Кекелидзе. "Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость, — число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений".
"Непосредственный конкурент" коллайдер FAIR строится для тех же задач, что и дубненская NICA. Параметры коллайдера почти не отличаются. Однако специфика всё же есть. В отличие от коллайдера NICA, работающего на встречных пучках, у FAIR предусмотрена фиксированная мишень, которая имеет один недостаток. Фиксированная мишень не позволяет получить полный обзор всех столкновений частиц. При этом, в тени мишени могут оказаться те самые искомые события.
Под покровительством Ники
Значимый для России мегапроект «Комплекс NICA» представили на заседании правительственной комиссии по инновациям и высоким технологиям в 2011 году в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Его выбрали из 28 предложений возможных проектов масштаба мегасайенс, реализуемых на территории России. И это неслучайно. Во всем мире сегодня сделана ставка на крупномасштабные установки, позволяющие совершать невероятные открытия. Казалось бы, в чем прикладная польза для человечества? Однако любая установка класса мегасайенс привносит в нашу жизнь уникальные технологии, применяемые в медицине, улучшающие существующую технику. Это настоящий прорыв сразу во многих областях. Поэтому ученые в ожидании запуска. Строительство продолжается, но специалисты уже активно работают — моделируют на суперкомпьютерах будущие эксперименты, буквально тренируются перед стартом.
Бустер коллайдера NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Элементы бустера коллайдера NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Строительная площадка ускорительного комплекса NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Кстати совсем недавно в Дубну прибыл уникальный сверхпроводящий магнит MPD — ключевой элемент коллайдера NICA. 5 ноября сотрудники Объединенного института ядерных исследований, работники порта и журналисты встречали груз с первым магнитом в порту Дубна. Разгрузка длилась несколько часов. А уже 6 ноября магнит был доставлен "домой" — в павильон MPD, где будет ждать запуска, запланированного на 2023 год.
"Сопровождали" тягач с магнитом местные жители, семьи с детьми. Кто-то приехал к порту Дубны на велосипедах, автомобилях. Забавный факт — первая улица, по которой проследовал магнит — улица Дружбы. Символично, ведь в коллаборации MPD — множество ученых из разных стран мира, которые совместными усилиями разгадают загадку рождения Вселенной. Научная Россия / Николай Малахин
"При подготовке к работе магнит будет захоложен до температур, сравнимых с глубоким космосом. Но когда первые пучки релятивистских тяжелых ядер столкнутся и произведут эти уникальные элементы, которые нам предстоит изучать, это «сердце» забьется и даст жизнь нашему комплексу NICA. Этот проект — своеобразный мост между разными странами, создан международной кооперацией. Мы, физики, сегодня даем пример того, как должны решаться большие проблемы: с помощью творческого сотрудничества и взаимопонимания. Это действительно очень важное событие, ведь не зря лозунг нашего Института — это слова "наука сближает народы". Это реально работает! Этот коллайдер мы создаем не для себя, а для мировой науки", — комментировал Виктор Анатольевич Матвеев, директор ОИЯИ во время прибытия магнита.
В этом и состоит другая важная особенность установок класса мегасайенс. Их создание возможно только при условиях кооперации и взаимовыгодных отношений между учеными из разных стран. Так, в строительстве БАК и последующих исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из 100 стран, в том числе из России — 12 институтов и 2 федеральных ядерных центра. Около 3000 ученых из более чем 50 стран мира уже работают над планированием эксперимента на ускорителях FAIR. Проект реализуется партнерами из Финляндии, Франции, Германии, Индии, Польши, Румынии, России, Словении и Швеции. Уже более 300 ученых из 70 институтов 32 стран мира участвуют в подготовке и реализации проекта NICA.
Строительство подобных объектов — это гонка. Но в ней выигрывают все, благодаря обмену научной информацией и опытом сформированных научных школ. Прямо сейчас на наших глазах строится новая физика, а человечество делает шаг навстречу непостижимому. Видимо причина в нашей природе, которая не позволяет нам останавливаться на достигнутом. И это прекрасно!
ССЫЛКИ:
Анна Смирнова "Поймать кварк-глюонную плазму" «Наука и жизнь» №3, 2019
Роман Фишман "Время ускорять, время сталкивать" «Популярная механика» №1–2, 2020
Елена Кудрявцева "Чем выше энергия, тем ближе мы к началу Вселенной. Физик Владимир Кекелидзе — о шансах России во всемирной гонке коллайдеров" Журнал "Огонёк" №35
"200 законов мироздания. Астрономия. Большой взрыв" Элементы
"Большой адронный коллайдер. LHC: хронология создания и работы" Элементы
"Большой адронный коллайдер. Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее" Элементы
"Большой адронный коллайдер. За пределами Стандартной модели" Элементы
Владислав Новиков "Большой адронный коллайдер: статус и ожидания" Наука и технологии. Официальный сайт РАН
Наталья Теряева "Взрыв Вселенной повторят в Дубне" Газета.ru
Фотография на превью: Фотобанк 123RF
Фотография на главной странице: Brookhaven National Laboratory, BNL / Flickr
