Узнать, почему окружающий мир вообще существует

Добраться до Дубны проще всего на электричках, которые ходят несколько раз в сутки. И это совсем не похоже на путешествие в лабораторный комплекс, где собираются воссоздать первые мгновения после Большого Взрыва. Вагон заполнен преимущественно дачницами, а после Дмитрова дорога становится одноколейной и к окнам поезда вплотную подбираются придорожные кусты. Вокзал на станции Большая Волга увенчан огромной надписью «Наукоград Дубна», но общее впечатление скорее как от вполне обычного российского города на приличном отдалении от мегаполиса. Пустой зал ожидания (чего тут ждать, если электричка через два часа?), площадь с тремя автобусами, супермаркет. Чуть поодаль — кирпичные многоэтажки, жилые кварталы города. Специфика места начинает ощущаться в автобусе. На карте маршрутов остановка с тривиальным названием «Кладбище» соседствует с куда менее распространённым «Тензором» — а далее идут улицы, названные в честь разных ученых: вот улица Сахарова, вот улица Жолио-Кюри, дальше идут Флеров, Курчатов, Вавилов… В старой — «институтской» — части города влияние большой науки уже ощущается более отчетливо: несколько кварталов застроено симпатичными трехэтажными домиками. В Москве и Подмосковье подобное жилье часто называют «немецкими домами» (их, по расхожей легенде, строили военнопленные), в них, как правило, жили сотрудники крупных предприятий или научных центров. Эркеры, обрамляющие высокие окна рамки, полукруглые балкончики — в России такая застройка выдает наличие наукоемкого объекта вернее таблички «улица Курчатова» или «Инженерная улица». А когда попавшийся мне на площади перед городской администрацией мужчина в форме Росгвардии с ходу отвечает на вопрос «Как пройти к площадке Лаборатории физики высоких энергий?» становится понятно: я действительно в наукограде. Многие жители могут быть не в курсе того, что же именно происходит на территории за забором в лесу, но так или иначе происходящее там затрагивает всех. Даже в электричке на обратном пути подсевший дачник спросит у меня — «А что, коллайдер там работает или нет?» Коллайдер и кубики Коллайдер — это разновидность ускорителя, то есть устройства, которое разгоняет заряженные частицы до околосветовой скорости. Сейчас на Земле насчитывается около тридцати тысяч ускорителей и большая часть их нужна не для научных исследований, а для сугубо прикладных задач вроде выжигания раковой опухоли пучком частиц — и это в массе своей не коллайдеры. Коллайдер не просто разгоняет частицы в кольцевой трубе с высоким вакуумом, но сталкивает их в строго определенных местах — для того, чтобы при столкновении получилось нечто, интересующее исследователей. Коллайдеры строят для того чтобы делать большую науку, они иногда занимают подземные комплексы размером с линию метрополитена и это едва ли не самые сложные инженерные разработки в истории человечества. Коллайдер, судьба которого волнует даже дачников — это NICA. То есть Nuclotron-based Ion Collider fAcility, комплекс ионного коллайдера на базе Нуклотрона. Нуклотрон, в свою очередь — ранее построенный в дубненском Объединенном институте ядерных исследований ускоритель, а проект NICA основан на идее брать пучок частиц оттуда и разогнать до еще большей энергии. Масштабная стройка на территории Лаборатории физики высоких энергий идет с небольшим отставанием от графика. Ученые и инженеры ждут, когда строители закончат стены и перекрытия, чтобы начать монтаж своего оборудования. В 2021 году они рассчитывают пропустить через ускорители первые пучки частиц, а далее потребуется еще несколько лет для начала научной работы в полном объеме. Сегодня NICA это наполовину готовый каркас здания периметром более пятисот метров, плюс несколько уже существующих сооружений. На дверях одного из них, внешне ничем не примечательном (какой-то завод? склад? в любой промзоне от Лиссабона до Токио оно смотрелось бы совершенно естественно), висит табличка «ионизирующее излучение». Воображение рисует фантастические интерьеры — однако реальность оказывается одновременно и скучнее, и неожиданнее. Научные установки в своей «естественной среде обитания» оказываются совершенно не похожи на фотографии Большого адронного коллайдера. Вместо эффектных конструкций, похожих то ли на портал в другой мир, то ли на двигатель инопланетного корабля, входящих встречает детский домик из кубиков. Ну, как его обычно рисуют: три кирпичика в высоту, три в ширину, сбоку проход высотой в два кубика и дверь внутрь; ощущение того, что ты столкнулся с детской игрушкой не портят даже габариты: каждый «кубик» — метр в ширину, метр в высоту, три или четыре в длину. Эти стенки, перегораживающие цех в разных местах, призваны поглощать ионизирующее излучение в ходе экспериментов — пучок Нуклотрона имеет намного большую энергию, чем, скажем, те, которыми выжигают раковые опухоли. Попадание разогнанных до околосветовой скорости частиц в вещество сопровождается рождением множества иных частиц, и все они влияют на живые клетки не лучшим образом; впрочем, как заверяют меня работающие в ЛФВЭ сотрудники, радиационный фон внутри зданий даже ниже, чем на улице и в обычных помещениях. Взрослые дети Некоторое ощущение игрушечности, которое возникло у меня при встрече с «кубиками», хорошо согласуется с впечатлением от комплекса в целом. ЛВФЭ называется лабораторией, но фактически представляет целый институт. «У нас около 1100 человек и почти квадратный километр территории, — говорит Владимир Кекелидзе, директор лаборатории, — треть физики, треть инженеры и треть все остальные; впрочем, деление на физиков и инженеров зачастую формально». Комплекс обнесен забором, территорию охраняют гвардейцы, на зданиях висят предупреждающие о радиации таблички, но воспринимается это совсем не так, как на атомная электростанции или комбинате по переработке ядерного топлива. ЛФВЭ скорее кажется чем-то вроде очень большой песочницы, где вместо детей и игрушек — взрослые люди, которые разбирают на части ядра атомов и пытаются собрать из них нечто совершенно иное. Это ощущение разительно отличается от впечатления, которое производят другие сообщества «взрослых детей»: ролевиков, любителей настольных игр или фанатов комиксов. В Дубне все масштабнее, тут мужчины (перекос в сторону мужчин очень чувствуется) со слегка рассеянными взглядами не ограничивают себя ни рамками игрового поля, ни границами какой-либо вселенной — будь то сеттинг Dungeons and Dragons, или канон Marvel. Вот вся, реальная Вселенная — это другое дело, это подходящий масштаб для людей из ЛФВЭ. Ещё ЛФВЭ похож немного на пионерлагерь: сосновый лес, на дороге между корпусом коллайдера и административным зданием греется уж («Это не гадюка, гадюки так у нас не отрастают»), а за столовой стоит скульптурная группа — Ленин и Горький. «Ни Ленина, ни Горького тут не было, и они отношения к нашему институту не имеют, — поясняет Кекелидзе. Но в шестидесятые годы эту скульптуру нашли в Москве и привезли сюда, а потом мы поменяли ее на памятник Векслеру. Старый памятник хотели было забрать военные, но у нас часть сотрудников выступила против, и мы просто переставили его на задворки». Владимир Векслер, сменивший в свое время Ленина, считается одним из создателей синхротронов — ускорителей, которые позволяют сообщить частицам очень большие энергии. Большой адронный коллайдер, абсолютный рекордсмен на сегодня, является именно синхротроном. Векслер же стоял у истоков дубненского синхрофазотрона, ускорителя, когда-то державшего мировой рекорд энергии частиц — полвека назад, с 1957 по 1960 год. Зачем все это? Любой современный исследовательский комплекс в области физики высоких энергий позволяет создать ряд вполне практических технологий. Например, а сверхпроводящие магниты, которые дубненские физики делают для своей установки, обладают нужными характеристиками не только для коллайдера, но и для систем лучевой терапии в медицине. Уникальные магнитные технологии, стойкая к радиации электроника (она должна работать внутри тех защитных периметров из бетонных блоков), сверхпроводящие системы для хранения энергии — всё это дополняет главную задачу проекта — получение новых знаний, для которой требуется и стройка на территории в несколько гектар, и содержание тысячи сотрудников. «Но наша основная задача, — говорит Кекелидзе, — в понимании природы горячей плотной материи с плотностью даже выше, чем в недрах нейтронных звёзд. Причём я подчеркну — именно в ядре звезды, а не на ее поверхности; это намного больше, чем в ядрах атомов». Древние греки полагали, что мир состоит из комбинации четырех базовых элементов: земли, воды, воздуха и огня. Тысячелетия спустя в школьном учебнике физики пишут, что агрегатных состояний вещества те же самые четыре — твердое, жидкое, газообразное и плазма (газ с ионизированными частицам). Но мир, конечно же, устроен намного интереснее: внутри нейтронных звёзд ядра атомов сливаются в единую массу, а при ещё больших давлениях сами нейтроны и протоны превращаются в мешанину из кварков с глюонами. Для изучения того, как корежит материю в безумных условиях, нам и нужны различные научные установки. Но в Дубне не просто так собираются получить кусочек сверхплотного вещества. Новый коллайдер должен показать, что же происходит с материей в условиях, которых никогда не было ни на Земле. «NICA позволит понять, есть ли фазовый переход первого рода между разными состояниями очень горячего вещества: то есть происходит ли превращение разогретой плазмы в плотную горячую смесь кварков и глюонов плавно или скачком. Если сталкивать тяжёлые ядра с не слишком большой энергией, они будут сжиматься, и расчеты показывают, что NICA сможет получить материю с максимальной плотностью — плотнее, чем в Большом адронном коллайдере или RHIC, американском ускорителе тяжёлых ионов», — Кекелидзе рассказывает о будущих исследованиях и подчёркивает, что физики не просто гонятся за как можно большей энергией частиц. Фазовый переход, о котором говорит исследователь, это процесс превращения одного состояния вещества в другое. Классический пример — испарение или замерзание воды. Только теперь ученым интересно узнать, как «замерзло» вещество, заполнявшее Вселенную в ее далекой молодости. «Это не моя идея, но она мне очень нравится — ускоритель для науки это одновременно и микроскоп, и телескоп. Микроскоп в силу своей способности показать строение материи на очень маленьких масштабах, а телескоп потому, что чем больше энергия, тем ближе к Большому Взрыву. Конечно, достичь самых ранних моментов в жизни Вселенной мы не сможем, там энергии на много порядков больше реально достижимых, но всё равно именно ускорители позволяют изучать то, что произошло в далёком прошлом. В гонке за энергией частиц наш институт однажды лидировал с синхрофазотроном на 10 ГэВ, а сейчас первенство принадлежит LHC. Долгое время работал тот принцип, что чем больше энергия, тем больше надежд найти что-то принципиально новое». Именно повышение энергии частиц и строительство рекордного по этому параметру LHC позволило физикам убедится в справедливости Стандартной модели. «Стандартная модель на сегодня — это триумф науки, она очень много всего предсказывает и многое объясняет. Далее мы можем двигаться еще дальше, но есть и то, что мы плохо понимаем в физике при меньших энергиях: та же горячая плотная материя. Для ее описания одной Стандартной модели мало, там нужны дополнительные исследования». Стандартная модель — на сегодня наиболее общая физическая теория. Она описывает все известные частицы и три фундаментальных силы из четырёх, исключая лишь гравитацию. Шесть кварков, бозоны как переносчики взаимодействий, бозон Хиггса как источник массы частиц — это и есть Стандартная модель, которая, несмотря на свою универсальность, не позволяет объяснить все в нашей Вселенной. Физика, описывающая привычный нам макромир, а равно и ряд вопросов из более экстремальных областей, относятся к науке вне Стандартной модели. Решение задачи о метаморфозах кварк-глюонной материи в начале времен позволит понять, как мешанина кварков и глюонов после самого рождения Вселенной превратилась в привычные нам протоны. С этим процессом сейчас связана загадка асимметрии обычного вещества и антиматерии, поскольку чисто теоретически протон (с электрическим зарядом +1, «собирается» из трех кварков) принципиально не отличается от антипротона (заряд -1, три антикварка). И протоны, и антипротоны должны были получаться примерно в равных долях с последующей аннигиляцией — но в этом случае привычная нам Вселенная просто не получилась бы, все обычные частицы «сократились» бы на свои антиподы, и ничего бы не было. Само по себе наличие материи указывает на какую-то асимметрию при превращении кварк-глюонной плазмы в частицы вроде протонов — и физики пока не знают, в чём дело. Поэтому если вопрос, на который призвана дать ответ NICA, сформулировать максимально просто, то он звучит так: почему мы и окружающий нас мир вообще существует? Ускорители, конкуренция и сотрудничество «Нам нужно получить вещество как можно большей плотности. Это значит, что нас не устраивает столкновение двух протонов с очень большой энергией, они дадут смесь кварков и глюонов на очень малое время, а затем всё это разлетится — это совсем иная фаза кварк-глюонной материи. Нам нужно сталкивать тяжелые ядра атомов, чем тяжелее, тем лучше — и определённой энергией, от 4 до 11 ГэВ на нуклон, на одну частицы в составе ядра, один протон или нейтрон», — продолжает свой рассказ Кекелидзе. «Американские физики построили RHIC — релятивистский коллайдер тяжёлых ионов. Они получили частицы с энергией 200 ГэВ на нуклон при столкновении ядер золота, первыми сообщили об открытии кварк-глюонной плазмы в 2005 году, но на фазовой диаграмме они оказались слишком высоко и в левой части, — на этом месте я сажусь рисовать схемы, а Кекелидзе продолжает — это очень большая энергия при малой барионной плотности; мы и европейский ускоритель FAIR планируем попасть правее и ниже результатов RHIC». Ускоритель FAIR сейчас строится в Германии. Заявленные исследовательские задачи у него примерно те же, получение горячей плотной материи — и возникает резонный вопрос о том, не получится ли из NICA очередной попытки скопировать некий зарубежный проект. «FAIR это не коллайдер, а ускоритель с неподвижной мишенью. У него есть свои плюсы и свои минусы: с одной стороны при попадании пучка ионов в мишень происходит намного больше столкновений, а с другой — детектор у места столкновения может зафиксировать только те частицы, которые полетели вперёд, в направлении исходного пучка. Есть хорошая метафора: стрельба по мишени и попытка попасть пулей в пулю. Мы пытаемся попасть пулей в пулю, но зато у нас есть возможность зарегистрировать все продукты реакции, куда бы они не летели. Для некоторых задач это очень важно, а в некоторых нужно просто получить как можно столкновений, так что NICA и FAIR скорее дополняют друг друга, чем конкурируют между собой. Более того, FAIR использует нашу магнитную технологию и наша фабрика магнитов — она здесь, на территории ЛФВЭ — сейчас загружена в том числе их заказами», отвечает мне на это Кекелидзе. Следующий вопрос — «А почему нельзя просто взять существующие большие коллайдеры — тот же RHIC или LHC — и понизить их энергию так, чтобы попасть в интересующую область?» тоже получает ответ: «Да, ученые из Брукхэвенской лаборатории (США) предложили проект по понижению энергии на RHIC до 7 ГэВ на нуклон и запросили соответствующее финансирование. Проект принят и, возможно в следующем году там уже начнутся такие эксперименты. Но проблема заключается в том, что коллайдер, изначально спроектированный на существенно большую энергию слишком большой и не сможет работать в оптимальном режиме. Вследствие этого у него будет в тысячи раз меньшая светимость, чем у оптимально спроектированной машины, а значит и в тысячи раз меньшая статистика. Поэтому наиболее интересные задачи, особенно поисковые, вряд ли удасться решить». Таксист, который везет меня к станции, много рассказывает про город — преимущественно делая упор на новые стройки. Где-то это «огромный район, куда всякие программисты приехать должны», а где-то «вот, торчит скелет цеха, еще один хотели построить, да так и не начали». Про коллайдер и жизнь на территории ЛФВЭ водителю, впрочем, известно немного — и уже он сам спрашивает, что за стройка располагается внутри охраняемого периметра и для чего этот коллайдер. Приходится даже развеивать старую страшилку про чёрные дыры: — А черные дыры там возникнуть могут, или это всё глупости? — Глупости. Про черные дыры в ускорителях писали в 2008 году, когда собирались Большой адронный коллайдер запускать. Но там много шума наделал пересказ одной теоретической статьи, в которой было действительно сказано про гипотетические чёрные дыры; проблема в том, что из той же теории следовало и мгновенное их испарение, да и размер был таким, что подобные чёрные дыры не то, что Землю, они отдельный атом не втянут. — О, понятно. А то я про это часто слышу! У нас этот коллайдер больше про стройку — знакомые там работают, говорят что приличные деньги платят. Слово «коллайдер» вряд ли станет частью чего-то осязаемого и прикладного — его не ждёт судьба, скажем, лазера, ставшего из научной экзотики и хайтека повседневным предметом с лотка торговца в электричке. Но в Дубне коллайдер всё-таки всегда близко. От взрослых детей, стремящихся разобрать материю на составные части до того, что принято называть «наукоёмким производством» не так уж далеко. По одну сторону забора строят ускоритель и пытаются получить кусочек материи со времён Большого Взрыва, по другую сторону делают точные приборы или пишут программы. Несколько набившая оскомину идея о наукоградах и инновациях здесь действительно себя проявляет вживую.