Для тех,
кто не делает
поспешных выводов

Другой ядерный клуб. Зачем Украине платить за новый адронный коллайдер

Воскресенье, 3 Марта 2019, 14:00
Европа застолбила за собой статус всемирной физической столицы до конца XXI в. И Украине остался один шаг, чтобы войти в круг первооткрывателей Новой физики

Фото: cds.cern.ch

Европейская организация по ядерным исследованиям, она же CERN, наиболее известна своим Большим адронным коллайдером (БАК) - самым энергичным ускорителем частиц на Земле. Тем самым, на котором в 2012 г. был открыт знаменитый бозон Хиггса - именно за него в 2013 г. получили Нобелевскую премию по физике шотландец Питер Хиггс и бельгиец Франсуа Энглер, предсказавшие его еще в 1964 г.

Путь от предсказания до экспериментального подтверждения получился длиной почти в полвека. Возможно, кому-то из нынешних молодых физиков повезет больше и их безумные предсказания подтвердятся быстрее - лет, скажем, через 20. Именно тогда ожидаются первые научные результаты нового суперпроекта CERN, который был представлен в начале 2019 г. под условным названием FCC - Future Circular Collider, то есть Будущий кольцевой коллайдер (БКК).

Украина является ассоциированным членом CERN, а вскоре могла бы стать и полноправным членом. Собственно, как раз ради участия в проекте БКК и стоит добиваться полноправного членства в CERN. Но прежде чем обсуждать, в чем тут выгоды, расскажем о самом БКК и зачем он нужен.

Как БАК превратят в БКК

Коротко говоря, все дело в энергии. Чем выше энергия, тем более массивные и удивительные частицы можно открыть. В течение четверти века самым энергичным ускорителем в мире был американский Тэватрон, запущенный в 1983 г. Свое название он получил именно по энергии, до которой в нем разгонялись протоны и антипротоны во встречных пучках - она составляла почти целый ТэВ, то есть тераэлектронвольт (триллион электронвольт). В 1991 г. американцы начали строить SSC (Superconducting Super Collider) - Сверхпроводниковый суперколлайдер на энергию 20 ТэВ (то есть в 20 раз больше, чем у Тэватрона). Однако в 1993-м этот проект решением Конгресса США был закрыт, хотя на него уже было потрачено более $2 млрд. А в 2001-м европейцы начали строить БАК.

Первый его запуск состоялся 10 сентября 2008 г. Строительство обошлось в 8,9 млрд евро. Доля CERN составила 60%, остальные расходы взяли на себя 608 других учреждений из 113 стран. В этой сумме не учтена стоимость уже имевшейся в CERN инфраструктуры. Так, основное оборудование БАК смонтировано в 27-км кольцевом туннеле LEP (Large Electron-Positron) - Большого электронно-позитронного коллайдера, работавшего в 1989-2000 гг. При этом в качестве предварительного ускорителя используется 7-км кольцо SPS (Super Proton Synchrotron) - Протонного суперсинхротрона, действовавшего в 1981-1991 гг.

30 ноября 2009 г. БАК побил рекорд Тэватрона, разогнав протоны во встречных пучках до энергии 1,18 ТэВ. Столица физики высоких энергий переместилась из США в Европу. 30 сентября 2011 г. Тэватрон был остановлен - навсегда.

16 марта 2012 г. БАК нарастил энергию протонов до 4 ТэВ - и именно это позволило обнаружить бозон Хиггса. Предварительные, еще осторожные объявления об этом открытии были сделаны в марте 2013 г. А уже через два месяца Европейская комиссия (то есть правительство Евросоюза) утвердила новую Европейскую стратегию по физике частиц, где записала: "Чтобы оставаться на переднем крае физики элементарных частиц, Европа должна быть в состоянии предложить амбициозный проект ускорителя после БАК". И с 2014 г. развернулись исследования по этому проекту.

3 июня 2015 г. БАК вышел на новый рекорд - 6,5 ТэВ. С декабря 2018-го коллайдер остановлен на модернизацию. По плану, он вновь будет запущен в феврале 2021-го с энергией протонов 7 ТэВ (это его максимальная проектная энергия) и проработает до 2035 г. А затем БАК будет остановлен, чтобы стать частью Будущего кольцевого коллайдера с энергией протонов 50 ТэВ. Таким образом, БАК энергичнее Тэватрона в семь раз, а БКК будет еще в семь раз энергичнее, чем БАК.

Согласно четырехтомному проекту, над которым в течение пяти лет работали 1300 ученых из 150 университетов, трансформация будет проведена в два этапа. Сначала в той же местности возле Женевы, на территории Швейцарии и Франции, будет прорыт новый 100-км кольцевой туннель. В нем будет сооружен электронно-позитронный коллайдер - FCC-ee. Этот этап обойдется в 9 млрд евро, включая 5 млрд евро на туннель.

Если проект начнет реализовываться с 2020 г. и не будет отставать от графика, то FCC-ee может быть запущен к 2038 г. и будет служить мировому физическому сообществу 15 лет. Такой коллайдер станет очень мощной фабрикой бозонов Хиггса и других элементарных частиц из числа самых массивных. Это позволит обнаруживать новые, редкие процессы и измерять характеристики известных частиц с точностью, на порядки превышающую ту, что была достигнута ранее. Эти точные измерения обеспечат большую чувствительность к возможным отклонениям от предсказаний имеющейся сейчас Стандартной модели физики элементарных частиц. Если такие отклонения будут надежно зарегистрированы, это станет признаком Новой физики.

Затем в том же 100-км туннеле будет сооружен адронный БКК - FCC-hh, подобно тому как в свое время БАК был построен в 27-км туннеле, где раньше работал LEP. И аналогично тому, как БАК использует в качестве предварительного ускорителя 7-км кольцо старого SPS, так и FCC-hh будет использовать в том же качестве 27-км кольцо БАК. Адронный БКК будет оснащен сверхпроводящими магнитами нового поколения, его сметная стоимость составляет около 15 млрд евро. Эта машина может начать работу в 2063 г. и прослужит примерно до 2090 г.

Чем выгоден БКК

До сих пор всегда выполнялось правило: новый, более энергичный ускоритель - открытие новых, более массивных частиц. До середины 1970-х экспериментаторы опережали теоретиков, но затем ситуация переменилась: созданная теоретиками Стандартная модель предсказала полный набор фундаментальных частиц, и экспериментаторам оставалось только убедиться в их существовании. Последним таким открытием как раз и стал бозон Хиггса. Так что теперь любое новое открытие - это бонус сверх Стандартной модели. То есть Новая физика. В видеопрезентации БКК, снятой CERN, Питер Хиггс - да-да, тот самый - говорит: "Мы оцарапали поверхность, но определенно еще больше нам предстоит открыть".

В сообщении CERN упоминаются несколько загадок, над которыми будет биться БКК. Одна из них - почему в новорожденной Вселенной оказалось чуть больше материи, чем антиматерии. Если бы их было поровну, они бы полностью аннигилировали - и не из чего было бы возникнуть ни звездам, ни планетам, ни живым существам вроде нас. Другая загадка из той же серии - что такое темная материя, которую астрономы открыли еще в 1922 г., то есть почти сто лет назад. Космологи с помощью компьютерных расчетов убедительно показали, что именно вокруг первичных сгущений темной материи стала собираться обычная материя, чтобы образовать первые звезды, благодаря которым в конечном итоге появились и наше Солнце, и наша Земля, и мы.

Сейчас есть множество теоретических догадок, претендующих на то, чтобы стать разгадками. Все они предсказывают новые семейства фундаментальных частиц. Некоторые из этих предсказаний уже проверил - и опроверг - БАК. Тем самым он сузил круг теорий-претендентов, что стало еще одной его большой заслугой, помимо открытия бозона Хиггса.

Ожидается, что БАК сможет обнаружить намеки (быть может, даже многие) на Новую физику - для этого нужно накапливать статистику экспериментов, а БАК будет делать это все более быстрыми темпами. Поэтапно к 2026 г. он нарастит светимость (частоту столкновений частиц) в 10 или даже 20 раз по сравнению с тем уровнем, который был достигнут в 2016-2018 гг.

Однако проверить все эти намеки на Новую физику - это уже будет задачей Будущего кольцевого коллайдера. Генеральный директор CERN Фабиола Джанотти отметила, что пока невозможно точно предсказать, какую пользу принесет миру новый коллайдер. Но она напомнила, что открытие электрона в 1897 г. породило электронную промышленность, которая в настоящее время ежегодно вносит в мировую экономику $3 трлн.

Кроме того, сам БКК - это огромная машина, создание которой потребует технологического рывка во многих отраслях, начиная от создания сверхпроводящих магнитов нового поколения и заканчивая освоением вычислительных мощностей, на много порядков превышающих те, которых требует БАК. Как подчеркивает CERN, сложные инструменты, необходимые для физики элементарных частиц, вдохновляют на новые концепции, инновации и инновационные технологии, которые приносят пользу другим исследовательским дисциплинам и в конечном итоге находят применение во многих приложениях, оказывающих значительное влияние на экономику знаний и общество. Строительство БКК откроет новые исключительные возможности, помогая расширить границы технологий, и заодно повысит потребность в подготовке новых поколений исследователей и инженеров. Для европейских компаний, как и для европейских университетов, это отличная возможность закрепиться на лидирующих позициях в мире.

Многомиллиардные затраты на самый грандиозный научный проект века, конечно, впечатляют. Но эти миллиарды распределены на несколько десятилетий. Если пересчитать на каждого жителя стран из числа нынешних полноправных членов CERN, то даже в годы пиковых расходов по проекту траты составят всего лишь 2-3 евро на человека в год. И эти траты окупятся возникновением и развитием новых технологий, поддержкой высокотехнологичных компаний, созданием многих тысяч рабочих мест, а в конечном итоге - улучшением тех технологий, которыми мы пользуемся или будем пользоваться в повседневной жизни.

Такие проекты становятся центрами интеллектуального притяжения, они зажигают молодежь, через них, путем стажировок или образовательных визитов, проходят десятки тысяч человек в год. Делаются попытки оценить социоэкономический эффект от таких проектов, и он оказывается положительным. Например, все расходы (уже сделанные и еще предстоящие) по проекту БАК в 1993-2038 гг. оцениваются в 22,3 млрд евро, а суммарная экономическая выгода от него - в 25,6 млрд евро.

Шанс для Украины

Сейчас CERN насчитывает 22 государства-члена. В 1993-м их было 19: Австрия, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария, Швеция. В 1999-м к ним присоединилась Болгария, в 2014-м - Израиль, в 2016-м - Румыния. Кроме того, являются ассоциированными государствами-членами на этапе подготовки к членству Сербия (с 2012 г.), Кипр (с 2016-го) и Словения (с 2017-го); ассоциированными государствами-членами - Турция и Пакистан (с 2015-го), Украина (с 2016-го), Индия (с 2017-го), Литва (с 2018-го).

России, как видим, в этих списках нет. В 2012 г. она подала заявку на вступление в CERN в качестве ассоциированного члена, однако в 2017-м отозвала ее. По мнению российского физика Андрея Ростовцева, специалиста в области элементарных частиц, решение России об отзыве заявки связано с многократными отказами совета CERN предоставить России статус ассоциированного члена. "Каждый год советом CERN по этой заявке принимается отрицательное решение, все это перешло в политическую плоскость из-за того, что мы страна с непризнанными границами. Отозвали заявку, поскольку, как я пониманию, без шансов", - сказал Ростовцев.

Соглашение между Украиной и CERN о предоставлении Украине статуса ассоциированного члена CERN было подписано в Женеве 3 октября 2013 г., ратифицировано Верховной Радой 2 сентября 2014 г. и вступило в силу 5 октября 2016 г. Это дает Украине право голоса в совете CERN и право участвовать во всех формах научного сотрудничества, возможных для членов CERN. В частности, украинские ученые могут участвовать в передовых исследованиях, становиться штатными сотрудниками CERN и участвовать в программах развития карьеры. Также это расширяет доступ к проектам и образовательным программам CERN. Теперь Украине остался только один шаг к обретению полноправного членства, что позволит войти в круг первооткрывателей Новой физики.

Разумеется, это потребует расходов. В 2019 г. все 30 действительных и ассоциированных членов CERN суммарно должны внести в бюджет организации 1 млрд 143,5 млн швейцарских франков. Более трех четвертей (76,8%) этой суммы приходится на долю семи стран - Германии (236 млн), Великобритании (184 млн), Франции (160,3 млн), Италии (118,4 млн), Испании (80,7 млн), Нидерландов (51,8 млн) и Швейцарии (47,1 млн). Наименьшие взносы - ровно по 1 млн шв. фр. - предписаны Кипру, Литве, Словении и Украине. Если бы Украина была полноправным членом, ей бы пришлось внести около 6,4 млн. Наверное, это не такие уж большие расходы, чтобы мы не могли себе их позволить. Взносы рассчитываются, исходя из размеров экономики. Например, для Польши они составляют 31,9 млн, для Румынии - 12 млн.

Однако нужно понимать, что взносы, по крайней мере частично, возвращаются в экономику Украины. Украинские научно-исследовательские учреждения и предприятия могут принимать участие в тендерах CERN и получать заказы на изготовление высокотехнологичного оборудования. В первый же год ассоциированного членства Украины в CERN две украинские компании уже выиграли тендеры: Институт сцинтилляционных материалов НАН Украины - на поставку сцинтилляторов для проведения экспериментов на сумму 380 тыс. шв. фр., а одна из частных компаний - на поставку микрокабелей по уникальной технологии на 180 тыс. шв. фр.

Также нужно понимать, что CERN - это не только БАК, но еще и ряд других крупных и малых экспериментов, связанных с ускорительной техникой, физикой плазмы, астрофизикой, физикой нейтрино, протонными и антипротонными пучками. Научно-исследовательские институты НАН Украины получили возможность привлекаться к этим проектам.

Еще более широкие перспективы как для украинских компаний, так и для украинских ученых открывает проектирование и строительство Будущего кольцевого коллайдера - сначала электронно-позитронного и затем адронного. Именно для этого необходимо полноправное членство в CERN - конечно, если мы не хотим, чтобы украинские амбиции ограничивались участием в создании чужих приборов и проведении чужих экспериментов.

Больше новостей о технологиях и научных разработках читайте в рубрике Техно

 

загрузка...