Цього року тема Великого адронного колайдера заполонила засоби масової інформації усього світу. Його збудовано в CERNі (Європейська організація з ядерних досліджень), що на кордоні між Швейцарією і Францією неподалік Женеви. 10 вересня колайдер успішно випробували, однак уже 19 вересня сталася аварія, яка відсунула початок його роботи до літа наступного року. Однак урочистості з нагоди запуску колайдера відбулися за планом – 21 жовтня 2008 р. у присутності політичних лідерів Європи, міністрів науки 20 країн – засновників CERNу та представників засобів масової інформації. У створенні Великого адронного колайдера брали участь понад 10 000 учених та інженерів із майже 100 країн світу, вартість цього масштабного проекту становить понад три мільярди євро. Чого ж очікують від цього витвору одні вчені, і чого бояться інші? Із таким запитанням я звернулася до наукового співробітника Астрономічної обсерваторії Львівського національного університету імені Івана Франка, кандидата фізико-математичних наук Степана Апуневича.
– Степане Євгеновичу, розкажіть, будь ласка, що таке Великий адронний колайдер? Кажуть, що це – найпотужніший і найдорожчий у світі прискорювач елементарних частинок?
– Це справді так. Великий адронний колайдер, або скорочено ВАК, прискорюватиме протони та іони свинцю до енергій, які досі були недосяжними в лабораторіях фізиків. Два зустрічні пучки у відповідний момент зведуть в одну точку, де вони зіткнуться й породять значну кількість нових, ще не вивчених, частинок. Англійською мовою “стикатися” – collide, а той, що стикає, – колайдер. Протони й нейтрони, з яких складаються ядра атомів, належать до широкого класу масивних елементарних частинок, що їх називають адронами. Прискорювач має форму кільця завдовжки 27 км й перебуває під землею на глибині 100 м. Частинки прискорюватимуться електричним полем у двох герметичних трубах, у яких підтримують глибокий вакуум, а скеровуватимуть їх уздовж кільця понад 1600 надпровідних магнітів, охолоджених рідким гелієм до -271 за Цельсієм. Труби перетинаються в чотирьох точках, де розміщено детектори елементарних частинок. Найбільший із них – ATLAS – це циліндр завдовжки 44 м і діаметром 25 м, наступний за величиною – CMS – 22 м і 15 м відповідно. Інші 4 детектори (ALICE, LHCb, TOTEM i LHCf) значно менші, але не менш значущі. Кожен з них – це надскладний прилад, базований на передових технологіях реєстрації спектра частинок та обробки даних, у створенні яких брали участь учені більшості країн світу, зокрема й України. Отже, Великий адронний колайдер є вершиною наукового прогресу всього людства, відповідає за своїм значенням і фінансовими затратами першому польоту людини в космос, першим крокам людини на Місяці, космічному телескопу імені Габбла.
– У чому суть експерименту і які надії у фізиків на нього?
– У Великому адронному колайдері протони розженуть до швидкості, дуже близької до швидкості світла – 99,999999% (шість дев’яток після коми!) – такої, що їх енергія сягатиме 7 тераелектрон-вольт (1 ТеВ = 1012еВ). Енергію і масу елементарних частинок вимірюють, як правило, в електрон-вольтах (1 еВ=1.6•10-12ерг). 7 ТеВ – ніщо в нашому макросвіті (для порівняння – це, всього-на-всього, кінетична енергія зіткнення двох комарів), але для елементарних частинок це величезна енергія. Таких енергій поки що не досягали, рекорд на сьогодні – 2 ТеВи на Теватроні в Сполучених Штатах Америки, що поблизу м. Батавія в штаті Іллінойс. У 1995 р. там відкрили топ-кварк, останній і наймасивніший із шести кварків, які передбачено Стандартною теорією елементарних частинок (5 із яких відкрито раніше). У ВАКу протони, розігнані до такої швидкості, за одну секунду облетять кільце прискорювача 11 000 разів! Один пучок в одному напрямку, другий – у протилежному. У відповідних місцях їх з великою точністю скерують назустріч один одному. Тоді все й почнеться. Два протони, зіткнувшись за таких енергій, породять інші частинки з масою, близькою до сумарної енергії зіткнення. За одну секунду буде близько 600 млн таких зіткнень. У зливі новонароджених частинок, зі значною ймовірністю, має бути і бозон Гіґґса, існування якого передбачає Стандартна теорія елементарних частинок. Це остання з передбачених цією теорією частинок, чиє існування ще не підтверджено експериментом. Відкриття таких частинок стане одним із найбільших експериментальних відкриттів у фізиці – ми зрозуміємо, зрештою, що таке маса. Згідно зі Стандартною теорією, має існувати скалярне поле Гіґґса, яке й надає частинкам масу. Квантами цього поля є бозони Гіґґса – масивні частинки, які не мають електричного заряду. Їх мають зареєструвати детектори ATLAS i CMS. Це перша надія фізиків. 
Друга – перевірка передбачень Стандартної теорії елементарних частинок. Вона допускає існування масивних частинок, які є суперпартнерами відомих частинок – електрона, протона і т.д.
Третя – перевірка передбачень теорії великого об’єднання, над якою фізики працюють уже понад півстоліття. Вона об’єднує три фізичні взаємодії – електромагнітну, слабку і сильну – в одну. За таких енергій зіткнень протонів народжуватиметься багато короткоживучих частинок, які теорія передбачає, але експериментально їх ще не було зареєстровано. Вимірювання тривалості життя, мас та імпульсів цих частинок, розпізнавання за каналами розпаду здійснюватимуть на детекторах ATLAS та CMS.
Четверта – вивчення властивостей кварк-глюонної “рідини”, яка недовго існуватиме в момент зіткнення ядер свинцю. Це основне призначення детектора ALICE.
П’ята – докладне вивчення античастинок, які в значній кількості народжуватимуться під час зіткнення протонів і ядер свинцю. У результаті цих експериментів, які проводитимуть на детекторі LHCb, мають розв’язати проблему баріонної асиметрії, тобто відповісти на фундаментальне запитання: “Чому всі планети, зорі, галактики складаються з речовини і немає тіл з антиречовини?”.
Отже, проект ВАК – надзвичайно амбітний. Учені сподіваються з його допомогою розв’язати найфундаментальніші проблеми сучасної фізики.
– Чи матиме цей експеримент якесь значення для астрофізики та космології?
– Звісно, адже на стику фізики елементарних частинок, релятивістської астрофізики та космології сьогодні формується нова галузь знань – космомікрофізика (в англомовній літературі – astroparticle physics). В експериментах, що заплановані для ВАКу, буде відтворено стан, у якому перебувала матерія в мільярдну частку секунди після Великого вибуху. Таке наближення до умов Раннього Всесвіту буде реалізовано в лабораторії вперше, і його значення для науки про Всесвіт важко переоцінити. Сьогодні вже достеменно відомо, що звичайна баріонна речовина за середньої густини становить не більше 5% повної густини. Встановлено також, що близько 22% – темна матерія, а 73% – темна енергія. Перша з них утримує зорі в галактиках і галактики в скупченнях галактик від розлітання, друга спонукає до прискореного розширення Всесвіту як цілого. Їхня природа невідома. Є сподівання, що ВАК дасть відповідь і на ці запитання, або хоча б підкаже, де їх шукати.
Можливо, не на всі запитання буде очікувана відповідь, деякі залишаться без відповіді, з’являться й нові.
– Ідея створення ВАКу виникла ще 1984 року. Чому реалізація цього проекту тривала так довго, і коли можна очікувати перших результатів?
– До 2000 року в тому ж тунелі працював Великий електрон-позитронний (ВЕП) колайдер – прискорювач на зустрічних електрон-позитронних пучках, у якому енергії частинок були в 70 разів меншими від тих, які очікують у Великому адронному колайдері. Але вже в тому експерименті було зафіксовано 3 події, які вказували на існування бозона Гіґґса. Колайдер ВЕП був прообразом ВАКу, який почали монтувати у 2001 р. і завершили цього літа. 10 вересня його випробували – пучок протонів облетів кільце спершу за годинниковою стрілкою, а потім у протилежному напрямку. Робочий пуск мав відбутися 21 жовтня, проте 19 вересня повідомили про серйозну аварію в тунелі прискорювача – порушився тепловий режим одного з магнітів та витекло близько тонни рідкого гелію. За попередньою інформацією, причина аварії – пошкоджений електричний контакт між двома магнітами. Її усунення займе кілька місяців, тому ВАК розпочне працювати аж улітку 2009-го. Якщо надалі він працюватиме безупинно, то за кілька місяців буде досягнуто планових енергій і числа зіткнень за секунду. Не слід думати, що відкриття відразу посиплються, як з рукава. Усі відомі високоенергетичні частинки – короткоживучі. Вони живуть мить, але встигають залишити тільки для них характерні сліди в спеціальних камерах – детекторах елементарних частинок. Вивчення таких слідів і дає змогу досліджувати властивості частинок. Події народження бозонів Гіґґса надзвичайно рідкісні, тому потрібно буде місяцями, а може й роками, реєструвати всі події, щоб змогти надійно стверджувати, що це саме він. Необхідно буде опрацювати величезний масив інформації. Для цього в CERN створили мережу потужних комп’ютерів на основі технології розподілених обчислень GRID. Ідея паралельного використання багатьох комп’ютерів для розв’язку складних задач уже набула поширення в цілому світі. Цього року таку систему створили і в Інституті теоретичної фізики ім. Боголюбова НАН України. До речі, ідея комп’ютерної мережі і перший прообраз сучасної веб-сторінки теж з’явилися в CERNі. Отже, перші результати буде оголошено, напевно, аж навесні – улітку 2010 р.
– Деякі вчені припускають, що ВАК може перетворити нашу планету на чорну діру і в такий спосіб спричинити загибель людства. Що з цього приводу думаєте Ви?
– Такі побоювання висловлюють, але, на думку фахівців, вони безпідставні. Якщо таке може статися під час зіткнення частинок високих енергій, то це мало б відбутися уже давним-давно і без Великого адронного колайдера, адже на Землю із космосу прилітають космічні частинки зі значно більшою енергією і в значно більшій кількості, ніж їх буде народжено в колайдері. Якщо у Великому адронному колайдері частинки стикатимуться з енергією 14 ТеВ, то з космосу прилітають частинки з енергіями, у тисячі й мільйони разів більшими. Унаслідок зіткнення таких частинок з ядрами атомів в атмосфері мали б народжуватися чорні діри, і Земля давно б уже перетворилася на таку діру. Фізики знають, чому цього досі не трапилося: чорні діри мікроскопічних мас, про які йдеться, “випаровуються” внаслідок квантового народження віртуальних пар частинка-античастинка. Далеко від чорної діри така пара, народившись, відразу щезає, а поблизу поверхні чорної діри одна частинка падає на чорну діру, а друга летить назовні, і чорна діра починає світитися. Це висвічування призводить до зменшення її маси і розмірів. І відбувається воно тим швидше, чим менша її маса. Мінімальна маса, яка може утворити чорну діру, – маса Планка, що становить ~0.00001 грама. Тривалість життя такої чорної діри не перевищує ~10-26 секунди (!). За цей час будь-яка частинка встигає пролетіти відстань лише кілька фемтометрів. Тобто вона радше випарується, ніж найближча частинка чи ядро будь-якого атома встигнуть упасти на неї. Цей механізм випаровування мікроскопічних чорних дір запропонував відомий фізик Стівен Гоукінг ще 1974 р. Скажете, що його не перевірено експериментально? Так, але з факту існування планет і зір робимо висновок: або такі чорні діри не утворюються, або працює механізм Гоукінга.
– Чи існують ще якісь загрози, пов’язані із запуском Великого адронного колайдера?
– Припускають народження крапельок “дивної” речовини, які гіпотетично можуть зумовити розпад протонів і ядер атомів речовини Землі. Згідно з розрахунками фізиків, цього теж не станеться – завдяки нетривалому періоду існування таких частинок. Якби природа допускала існування стабільних ядер з “дивним” кварком, то вони мали б утворюватися під час взаємодії космічних променів з речовиною планет і зір. Скажімо, якби народжувалася дивна речовина під час зіткнення космічних променів з поверхнею Місяця, який не має атмосфери, він би вже давно розпався. Оскільки Місяць, Земля, Сонце, зорі існують мільярди років, це означає, що таких частинок у природі не існує, або народжуються вони вкрай рідко. А оскільки ВАК, як ми вже з’ясували, не становить конкуренції джерелам космічного випромінювання ні за кількістю високоенергетичних частинок, ні за величиною енергії, то Землі він не загрожує. Є й інші надумані “лякалки для дітей”, мета яких – погріти їх авторів у променях найвидатнішого наукового досягнення людства.
– А може статися так, що надії вчених не справдяться і всі зусилля будуть марними?
– У цьому експерименті не може бути негативного результату, тому що за таких енергій фізики ще не працювали. Працювали за менших і експериментально перевірили майже всі ключові передбачення Стандартної теорії елементарних частинок. Залишився бозон Гіґґса. Не всі вірять у його відкриття під час експериментів на ВАКу. Зокрема, Стівен Гоукінг заклався з колегами на 100$, що його таки не знайдуть. Він стверджує, що саме це і буде найбільш вражаючим відкриттям, зробленим за допомогою ВАКу. Воно означатиме, що природа фундаментальних складових матерії складніша, ніж вважали досі, і необхідно шукати далі.
Інтерв’ю взяла Ольга Новосядла,
уч. ХІ кл. гімназії “Престиж”,
член МАН м. Львова