Сегодня науку двигают вперед огромные институты и сложнейшие, дорогостоящие лаборатории. Но порой и их оказывается недостаточно. Исследования в области ядерной физики настолько трудоемки и затратны, что для достижения результата требуются объединенные международные усилия. Прекрасным примером подобной синергии является ЦЕРН (CERN) – Европейский центр ядерных исследований.
Что это за организация такая, ЦЕРН? Сегодня это настоящая Мекка физики: в нем работает около 3 тыс. постоянных сотрудников, еще 6,5 тыс. ученых задействовано в различных проектах. Значит, в одном месте собрали почти половину всех специалистов со всего мира в области элементарных частиц. И эта команда уже сумела добиться блестящих результатов. Прежде чем говорить о достижениях, следует рассказать, что такое ЦЕРН, из чего он состоит и каким научным оборудованием располагает.
Общая информация о проекте
ЦЕРН – это совместный проект, который финансируют более двадцати европейских государств, еще десяток стран и международных организаций имеют в нем статус наблюдателя или ассоциированного члена. Россия в 2012 году подала заявку на вступление, но в 2020 году отозвала ее обратно. При этом наша страна активно участвует в исследованиях ЦЕРНа. Сейчас в процессе вступления находятся Украина, Сербия и Турция.
Наиболее важным и известным проектом CERN, безусловно, является Большой адронный коллайдер (БАК) – ускоритель элементарных частиц.
Где же находится ЦЕРН? Если посмотреть на карту, несложно заметить, что он расположен на самой границе Франции и Швейцарии, неподалеку от Женевы. В этом городе размещена штаб-квартира организации.
www.home.cern – официальный сайт ЦЕРН, а эмблема организации представляет собой две пересекающиеся белые окружности на синем фоне с надписью CERN в центре.
И хотя физики, как правило, далеки от религии, сотрудники ЦЕРНа в виде неофициального талисмана выбрали индуистского бога Шиву. Во дворе центра даже установлена статуя Натараджа, одной из ипостасей этого грозного божества. Танец тандава, который он исполняет, считается одним из важнейших символов в индуизме, обозначающий цикличность мироздания, вечную смену разрушения и созидания. Когда танец остановится, Вселенная подойдет к своему концу.
На территории ЦЕРНа находятся две основные площадки и еще несколько вспомогательных. Здесь расположены офисы и кабинеты, склады, производственные помещения, лаборатории, конференц-залы, столовые, жилые здания. Ускорители частиц находятся как на поверхности, так и спрятаны глубоко под землей.
Первая основная площадка размещена неподалеку от городка Мерен (Швейцария), вторая расположена вблизи французской коммуны Превессен-Моэн. Вокруг основных площадок разбросаны более мелкие объекты и строения. В целом ЦЕРН занимает примерно 100 га швейцарской территории и 450 га французской.
Финансовые взносы стран-участниц проекта значительно различаются. Так, например, в 2009 году Германия выделила ЦЕРНу 144 млн евро, что составило почти 20% его бюджета, Франция – 111 млн (15,34%), Великобритания – 106,5 млн (14,7%). Пожертвования других государств существенно меньше: Словакия – 3,9 млн евро (0,54%), Болгария – 1,6 млн (0,22%). В 2008 году общие взносы всех членов составили примерно 990 млн долларов.
Также можно добавить, что за весомый вклад в развитие науки, в 2013 году ЦЕРН был награжден золотой медалью Нильса Бора.
У истоков ЦЕРНа или с чего все начиналось
Послевоенные годы – это эпоха появления международных организаций: ООН, ЮНЕСКО, ВОЗ. Европейские физики также решили не отставать от моды и предложили создать наднациональную структуру, которая занималась бы проведением экспериментальных исследований. Кроме очевидной выгоды от кооперации ученых, такой подход позволил разделить финансовые тяготы сразу на несколько государств, а они год от года становились все больше.
В 1952 году двенадцать европейских стран подписали соглашение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям, который стали называть по первым буквам французского названия – CERN. Через два года организация получила официальный статус и постоянную прописку: из четырех возможных вариантов – Копенгаген, Париж, Арнем и Женева – был выбран последний. Еще в 1953 году в кантоне Женева провели референдум, на котором большинство проголосовавших поддержали идею строительства научного центра. Швейцарцы пообещали предоставить для размещения проекта 40 гектаров земли.
Изначально штат ЦЕРНа состоял из 114 сотрудников, директором организации был выбран лауреат Нобелевской премии Феликс Блох.
В момент создания проекта физика элементарных частиц в основном занималась изучением атомных составляющих, поэтому в аббревиатуре зашифровано понятие «ядерные исследования». Сегодня круг задач, стоящих перед учеными ЦЕРНа, стал гораздо шире. Можно добавить, что, кроме физики, в центре активно занимаются прикладными вопросами других научных дисциплин: медицина, энергетика, фармацевтика, информатика и др.
Ускорители элементарных частиц: от синхротрона до Большого коллайдера
Чем же занимается ЦЕРН? Его основной задачей всегда было изучение элементарных частиц, а главным инструментом для этого – различного типа ускорители. Любое подобное устройство – это настоящее чудо инженерной мысли, в котором использованы новейшие технические достижения.
Конструкционно ускоритель представляет собой обычную вакуумную трубку, где при помощи магнитов и электрических полей частицы разгоняются до огромных скоростей. Все это окружено мириадами датчиков, десятками вспомогательных систем, мощнейшими вычислительными машинами.
Первый ускоритель – синхроциклотрон SC – был запущен в ЦЕРНе в 1957 году. Он мог разгонять частицы с энергией 600 МэВ и проработал вплоть до 1990 года. В 1959 году началась эксплуатация протонного синхротрона PS с энергией 28 ГэВ.
В 1971 году было завершено строительство первого в мире ускорителя протонов ISR с пересекающимися накопительными кольцами. Причем его размеры были настолько грандиозны, что часть устройства находилась в Швейцарии, а другая – во Франции.
Через несколько лет ученым ЦЕРНа удалось экспериментально подтвердить электрослабую теорию. Для этого в центре установили уникальную пузырьковую камеру «Гаргамель», изготовленную во Франции.
Вскоре в эксплуатацию был запущен протонный суперколлайдер SPS с энергией 300 ГэВ, благодаря чему в 1983 году были зарегистрированы W- и Z-бозоны. За это достижение Симон ван дер Меер и Карло Руббиа получили Нобелевскую премию. Необходимо отметить, что в этом эксперименте участвовали все ускорители ЦЕРНа.
Следующим ускорителем центра стал коллайдер LEP с 27-километровым кольцом и энергией в 45 ГэВ. Он начал работу в 1989 году. В 2000 году его демонтировали, чтобы получить место для Большого адронного коллайдера, работа которого началась в 2008 году.
Large Hadron Collider и частица Бога
Большой адронный коллайдер, без сомнения, основной проект исследовательского центра. Это настолько верно, что нередко ЦЕРН и адронный коллайдер воспринимаются как слова-синонимы. Еще можно сказать, что БАК – это самый известный ускоритель частиц в мире. Он уже прочно вошел в массовую культуру и стал «персонажем» книг, фильмов, компьютерных игр и даже песен. После публикации романа Дэна Брауна «Ангелы и демоны», в котором «засветился» коллайдер, ЦЕРН в Швейцарии стал настоящим местом паломничества для туристов.
БАК предназначен для изучения результатов соударения протонов и других тяжелых частиц, разогнанных до огромных скоростей. Сегодня БАК – крупнейшая установка подобного типа в мире. Длина его кольцевого туннеля 27 км, максимальная проектная энергия – 14 ТэВ, для разгона и удержания частиц используется 1624 сверхпроводящих магнита, работающих при температуре −271 °C. Вес этой конструкции достигает 40 тыс. тонн.
Результаты экспериментов фиксируются с помощью сложнейшей системы, в состав которой входят тысячи камер и различных счетчиков. В настоящее время на БАКе работают четыре основных и три дополнительных детектора.
В строительстве коллайдера принимали участие 10 тыс. инженеров и ученых из 100 стран мира. Пробный запуск ускорителя состоялся 10 сентября 2008 года, это событие транслировалось в прямом эфире телеканала Евроньюз. По состоянию на 2009 год, строительство и эксплуатация коллайдера обошлись в 6 млрд долларов.
На сегодняшний день главным научным результатом работы БАКа является обнаружение Бозона Хиггса, которое произошло в 2012 году. Данное открытие завершило Стандартную модель взаимодействия элементарных частиц.
Перед запуском коллайдера наблюдалась определенная истерия, связанная с неминуемым концом света, к которому якобы приведет работа установки. О чем только не писала желтая пресса в те дни: и о миниатюрных черных дырах, которые поглотят наш мир, и об открытии портала в ад, и о появлении нового измерения. Не слишком адекватные люди даже обвинили ученых в сатанизме, сумев найти на логотипе ЦЕРНа три шестерки, означающие знак Дьявола.
Европейский Центр ядерных исследований и Всемирная паутина
В ЦЕРНе занимаются не только элементарными частицами. Многие годы он был и остается крупнейшим и одним из самых передовых инженерных центров в мире. Особенно весомы достижения ученых ЦЕРНа в области информатики и вычислительной техники.
Первый компьютер появился здесь в 1958 году, а уже через четыре года компания IBM специально для ЦЕРНа создала вычислительную машину, способную записывать данные на магнитные ленты и подключаться непосредственно к детекторам.
В конце 80-х годов именно в ЦЕРНе были заложены принципы работы интернета. В то время уже получили широкое распространение персональные компьютеры, и у сотрудника ЦЕРНа Тима Бернерса-Ли появилась идея создания локальной сети для обмена информацией между ними.
Для этого он предложил использовать систему из трех составляющих:
- веб-страницы с данными, представленными в виде гипертекста (текста, содержащего ссылки на другие документы;
- веб-сервер – компьютер, имеющий доступ в Сеть, где находятся веб-страницы;
- веб-браузер – специальная программа для просмотра гипертекстовых документов на вычислительной машине пользователя.
Годом позже Тим Бернерс-Ли и Роберт Кайлиау разработали первый рабочий прототип подобной системы, который использовался в ЦЕРНе для доступа к научной документации, справочной службе и местной новостной сети. Первоначально ее предполагалось использовать только для научных исследований, но именно из этого проекта выросла «Всемирная Паутина» (World Wide Web). По-настоящему она стала массовой только после создания Бернесом-Ли спецификации URI, HTTP и HTML.
