О крупнейшей в мире лаборатории физики высоких энергий и родине Интернета

Читайте на следующей неделе интервью с киевлянином Максимом Титовым, который в настоящее время работает – от Франции – в основанной им одной из коллабораций СЕRN, — а «на разогреве» к эксклюзиву предлагаем вам, уважаемые читатели, фрагмент из статьи о Европейской организации по ядерным исследованиям, самой большой в мире лаборатории физики высоких энергий. Статья «Украина-CERN: путь к сотрудничеству» была напечатана в журнале «Наука и инновации» (на украинском языке) чуть более года назад. 

Территориально CERN (ЦЕРН) расположен на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Инициаторами создания этой общеевропейской организации для физических экспериментальных исследований были выдающиеся ученые первой половины ХХ века, в частности, Пьер Оже, Нильс Бор и Луи де Бройль. В основу их задумки была положена идея о международном сотрудничестве в отрасли мирного использования атома. В Лозанне (Швейцария) на Европейской культурной конференции в декабре 1949 года Луи де Бройль официально предложил создать европейскую лабораторию для физических експериментальных исследований, в которой можно было бы выполнять работы таких масштабов, которые не под силу реализовать в одной отдельно взятой стране. 

В июне 1950 года американский лауреат Нобелевской премии Исидор Раби на 5-й Генеральной конференции ЮНЕСКО во Флоренции внес такую резолюцию: «Уполномочить ЮНЕСКО поддерживать создание региональных научно-исследовательских лабораторий для укрепления международного научного сотрудничества». Как результат многочисленных усилий ведущих ученых, на межправительственной встрече ЮНЕСКО в Париже в декабре 1951 года было принято решение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям, а уже спустя два месяца 11 стран Европы подписали договор о создании временного Совета, и тогда впервые появилась аббревиатура его названия на французском – CERN: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. На третьей сессии CERN в октябре 1952 года местом расположения будущей лаборатории была выбрана Женева. В июне 1953 года в кантоне был проведен референдум, на котором более 60% участников голосования согласились на размещение научного центра на своей территории. Соглашение о создании центра составили в июле 1953 года, и постепенно ее ратифицировали 12 европейских государств. В сентябре 1954 года был создан новый управляющий орган – Совет Европейской организации ядерных исследований, однако аббревиатура предыдущего временного совета сохранилась и «прижилась» в новой организации. Дата создания Совета CERN – 29 сентября 1954 года – и считается днем рождения CERN.

Постепенно к организации присоединялись другие европейские страны, в частности, после распада Советского Союза ее участниками стали страны Восточной Европы. В 2010 году в конституцию CERN были внесены изменения, согласно которым к организации могли присоединяться и не европейские страны. В 2014 году к CERN присоединилась первая неевропейская страна – Израиль. 

На сегодня членами организации являются 22 страны, 7 государств имеют статус ассоциированного члена (в том числе и Украина) и еще ряд государств и международных организаций состоят в статусе наблюдателей при CERN, что дает им право принимать активное участие в заседаниях Совета CERN и в проведении исследований. В частности, наблюдателями зарегистрированы Япония, США, Россия, ЮНЕСКО, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. Таким образом, с 2014 года CERN можно считать не европейским, а мировым научным учреждением. 

За 65 лет своей деятельности CERN превратился в один из самых известных в мире научных центров по физике высоких энергий. Функционирование его обеспечивают средства стран-членов. Бюджет организации по состоянию на 2018 год составлял более 1,2 млрд. швейцарских франков, что позволяет не только выплачивать исследователям и обслуживающему персоналу достойную зарплату, но и строить самые современные ускорительные комплексы для экспериментов по физике частиц. 

История ускорителей CERN началась в 1957 году со скромного, даже по тогдашним меркам, синхроциклотрона (SC) с энергией 600 МеВ. А уже через два года после запуска SC начал работать протонный синхротрон PS с энергией 28 ГеВ. На его базе в начале 1970-х создали первую в мире протонную ускорительно-накопительную установку (ISR), а в июне 1976 года начал работать суперпротонный синхротрон (SPS) с ускорением протонов до 400 ГеВ. После усовершенствования на SPS были получены протон-антипротонные столкновения при энергии 540 ГеВ в системе центра масс, чего было достаточно для выявления W- и Z-бозонов. За это открытие Симон ван дер Меер и Карло Рубиа были удостоены Нобелевской премии.

Следующим этапом развития ускорительной техники CERN был большой электронпозитронный коллайдер (LEP), на котором провели прецизионное измерение разнообразных характеристик Стандартной модели физики элементарных частиц. В 90-х годах стало понятно, что возможностей LEP для выявления бозона Хиггса не хватает, и в CERN начались работы по созданию Большого адронного коллайдера (LHC) с использованием подземного тоннеля LEP – кольца длиной 27 км. (Сейчас идет речь о строительстве нового ускорителя вокруг Женевского озера протяженностью 100 км, об этом ниже. – Д.Т.) Протон-протонный коллайдер LHC был введен в эксплуатацию в 2008 году, а проектной энергии 14 ТеВ в системе центра масс достигли в 2015 году. В четырех подземных шахтах коллайдера размещены 4 основных детектора, два из которых являются многоцелевыми. На коллайдере проводят ряд масштабных экспериментов в формате коллабораций. Многоцелевые эксперименты выполняются коллаборациями ATLAS і CMS.

Изучение явлений физики тяжелых кварков проводят на специализированном детекторе LHCb, изучение физики тяжелых ионов и кварк-глюонной плазмы выполняют в рамках эксперимента ALICE. Также реализуется ряд менее масштабных, но важных для современной физики экспериментов, в частности, TOTEM (измерение полного пересечения дифракционных процессов) и LHCf (изучение сверхблизких к оси пучка ускорителя частиц), для использования этих знаний в физике космических лучей. Проводят также исследования по разработке электрон-позитронного линейного коллайдера с энергией 3 ТеВ (CLIC) – этот проект осуществляется в тесном сотрудничестве с научными учреждениями 36 стран мира. 

А в стратегических планах CERN имеется создание сверхбольшого коллайдера с подземным кольцом ускорителя протонов с использованием сверхпроводящих магнитов, длиной 100 км и энергией до 150 ТеВ, что почти на порядок выше, чем в LHC (БАК). Для разработки концептуального дизайна будущего коллайдера в CERN создана коллаборация FCC, в которой работает более 1300 участников из 150 университетов, НИИ и от промышленных партнеров. 

Современное научное оборудование и энергичный творческий труд всего персонала способствуют тому, что в экспериментах CERN был сделан ряд значительных открытий, в частности, определение количества видов нейтрино, создание первых атомов антиматерии, обнаружение новых элементарных частиц тетракварка і пентакварка. Наиболее резонансным открытием, безусловно, было выявление и дальнейшее подтверждение в экспериментах ATLAS і CMS бозона массой 125—126 ГеВ, который позднее был определен как бозон Хиггса, о чем было объявлено 4 июля 2012 года. 

Кроме выдающихся открытий в фундаментальной физике, CERN прославился еще тем, что в его стенах в 1989 году был предложен проект «всемирной паутины», всем известной как Интернет. Изначально процедура объединения документов была задумана для облегчения обмена информацией между группами исследователей, которые выполняют масштабные эксперименты и использовалась только во внутренней компьютерной сети организации, а затем, после доработки ряда важных компьютерных сегментов и разработки соответствующих протоколов, в 1993 году CERN сообщил, что Всемирная паутина, или Интернет, будет свободно доступной для всех пользователей ПК. 

CERN стал также одним из центром развития новой компьютерной сетевой технологии «Грид», предназначенной для хранения и оперативной обработки огромных массивов информации. Специальное отделение, связанное с коллайдером — LHC Computing Grid, — входит в крупный Грид-проект EGEE, который занимается использованием преимуществ сетевой технологии для обработки больших массивов информации при масштабных научных исследованиях. 

Относительно новым направлением исследований является медицинская физика, которая занимается особенностями влияния радиационных процессов на биологические среды и разработкой центров адронной терапии с использованием ускорительных технологий CERN.

Приведенные отдельные примеры деятельности CERN наглядно демонстрируют, почему все развитые страны, научные учреждения и выдающиеся ученые в области физики стремятся сотрудничать с CERN. На сегодня в его штате насчитывается 2500 исследователей, 1800 сотрудников технического персонала и 13 тысяч научных пользователей («users») из более сотни стран мира. Кроме научных исследований и технических разработок, деятельность CERN способствует подготовке ученых и инженеров будущего; значительное внимание уделяется пропаганде науки в обществе, реальными делами CERN пропагандирует идеи мира и содружества путем объединения людей из разных стран и культур в научном сотрудничестве.

Первые факты сотрудничества украинских ученых-физиков с CERN следует отнести практически к самому началу реализации экспериментов в CERN по физике элементарных частиц. Уже в 1958 году молодого ученого Д.В. Волкова, который только что окончил аспирантуру Харьковского государственного университета им. М. Горького (сегодня ХНУ им. В.Н. Каразина), в дальнейшем выдающегося физика-теоретика, одного из авторов суперсимметрии и распространения ее на аспекты общей теории относительности – супергравитации – отправили в научную командировку в CERN. В следующих таких командировках (1961 и 1962 гг.) были проведены теоретические и экспериментальные исследования статистики известных элементарных частиц, а также гипотетических частиц — кварков. В 1965 году Д.В. Волков проходил двухмесячную стажировку в CERN, во время которого провели исследование по применению высших симметрий к изучению сильных взаимодействий между элементарными частицами. 

Начатое сотрудничество особенно активизировалось после подписания первого договора о сотрудничестве между Советским Союзом и CERN в 1967 году. Делегации советских физиков-ядерщиков, в частности и украинцев, стали частыми гостями в Европейской организации по ядерным исследованиям, которая стремительно развивалась и активно запускала в эксплуатацию все более мощные ускорители элементарных частиц. В частности, Д.В. Волков, по приглашению тогдашнего директора CERN Леона ван Хова, в 1976-77 годах работал в теоретическом отделе CERN, где проводил исследования связи между разными представлениями теории супергравитации. 

Поскольку Украина не имела тогда государственной субъектности, украинские ученые, которые сотрудничали с CERN в те времена на разных условиях, представляли Советский Союз или другие страны и их университеты. Ситуация начала меняться с обретением Украиной независимости, а в октябре 2013 года Генеральный директор CERN Рольф Хойер и вице-премьер-министр Украина Константин Грищенко подписали Соглашение, и спустя три года, в октябре 2016 года, Украина получила статус ассоциированного члена Европейской организации ядерных исследований.

Авторы: Б.В. Гринев (наше январское интервью с ним читайте здесь), М.П. Титов, П.Е. Стадник