«Как я провел год на адронном коллайдере»: Дневник научного сотрудника ЦЕРНа

Почти всю прошлую неделю ленты новостных СМИ пестрели сообщениями о ЦЕРНе, Большом адронном коллайдере и найденной там новой частице. В итоге она и правда оказалась бозоном Хиггса — частицей, которая подтверждает Стандартную модель, — а значит, ученые наконец могут быть уверены в своих взглядах на устройство мира. 

Сегодня FURFUR публикует дневник научного сотрудника ЦЕРН Степана Образцова. Он рассказал не только о поисках бозона Хиггса и работе адронного коллайдера, но и о традициях жизни этого города ученых со своими языком, рок-группами и фестивалями.

О первом визите: Первый раз я появился в ЦЕРНе, наверное, когда мне было около года и позже — примерно в пять лет — так что для меня это второе родное место после России. Тогда там работал мой отец. Я впитывал в себя все происходящее вокруг, отец уже в детстве мне объяснял какие-то вещи. В ЦЕРНе есть постоянная экспозиция для туристов, где наглядно показывают всякие простые штуки: например, там есть искровая камера — в ней частица пролетает через камеру, наполненную газом и с проволокой под напряжением, и вызывает искру. В общем, он мне объяснял, какие частицы летят из космоса, почему и когда их видно и так далее. 

Об образовании: Позже я окончил МГУ на кафедре физики космоса. Когда нас распределяли, я пошел в лабораторию адронных взаимодействий в НИИ ЯФ (Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына) при МГУ. Так что ездить в ЦЕРН я начал, когда еще учился — там есть летняя школа для студентов, где собираются порядка четырехсот учеников каждое лето, и уже тогда я начинал работать с адронным коллайдером из-за темы моего диплома. А сейчас я езжу в командировки и накапливаю материал для диссертации.

Так выглядит вход в ЦЕРН ночью

О работе в ЦЕРНе: Стоит сказать, что работаю я не над одной задачей, а сразу над несколькими — так делают все. Работа в ЦЕРНе всегда делится на исследовательскую и сервисную. Сервисную работу ты должен выполнять, потому что каждый институт, который участвует в коллаборации, берет на себя обязательства выполнять эти работы, не связанные с какими-то открытиями. То есть это некий обмен: проводи на коллайдере свои опыты, но за это тебе придется еще и следить за детекторами. Научной деятельностью это назвать можно, но она носит очень прикладной характер: калибровка детектора, участие в сменах на детекторе, мониторинг данных и много всего вспомогательного по настройке этой гигантской машины. Считается, что мы ездим в командировки в основном для того, чтобы выполнять сервисные работы.

СПРАВКА: КАК РАБОТАЕТ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР

Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе — это гигантское кольцо-ускоритель длиной 28 километров. В его центр помещают радиоактивный источник частиц, которые пучком запускают по небольшому кольцу, потом по линейному туннелю. Разогнавшись, они выходят на внутреннее небольшое кольцо, а потом и на главное. Эти пучки протонов пускают в кольце по два в разных направлениях, наблюдают за их движением и собирают статистику — у меня набирается по два гигабайта данных в секунду, нехилый такой объем за день получается.

На Большом адронном коллайдере стоит четыре детектора: CMS, ATLAS, LHCb и ALICE. Я работаю на CMS — он весит примерно 4,5 тысячи тонн. А его магнитное поле — 4 тесла (в два раза больше, чем все магнитное поле Земли).

Сам ЦЕРН находится в пятнадцати минутах езды от Женевы, на самой границе Франции и Швейцарии. Наукоградом (которые мы знаем по многочисленным проектам Советского Союза) он не является, так как постоянно проживающих людей там довольно мало. Вместо этого там расположен огромный хостел, в котором останавливаются инженеры, если приезжают на короткий срок. А вообще сама территория просто огромная, потому что в исследованиях задействовано огромное количество людей: в одном только эксперименте, где я участвую, — четыре тысячи человек. И каждый из этих четырех тысяч постоянно что-то делает.

Детектор CMS, вид сбокуДетектор CMS, фронтальный вид. Детекторы имеют слоистую структуру — каждый слой регистрирует свои изменения среды

На большом кольце расположены также четыре разных детектора, которые как раз и собирают данные. Соответственно, когда пучки уже циркулируют по кольцу, включают коллиматоры (огромные магниты), которые отклоняют пучки и делают так, чтобы они столкнулись — само столкновение происходит в центре одного из детекторов. Когда протоны сталкиваются, рождаются новые частицы, которые мы регистрируем. В этом и заключается суть эксперимента. Такие запуски и столкновения происходят круглые сутки весь год — не так, что коллайдер один раз запустили, столкнули что-то, и все.

У каждого детектора есть комната управления: сам детектор находится в шахте, а контрол-рум — на поверхности, где сидит круглые сутки порядка двадцати человек, и каждый отвечает за какую-то свою подсистему детектора — ты собираешь разную информацию с частей системы и можешь потом получить общую картину. Помимо людей, которые сидят на подсистемах, есть еще люди, ответственные за сбор данных, контроль детектора в целом, есть начальник смены, человек, который отвечает за магнит — все вместе они в одной комнате сидят и наблюдают за работой.

Еще один детектор — ALICE

Так исторически сложилось, что наша лаборатория занимается физикой тяжелых ионов: это когда в кольце пускают не пучки протонов, а пучки ионов свинца или ионов золота. Особенность в том, что, когда сталкиваются ядра, то среда, в которой происходит столкновение, становится более плотной. Начали сталкивать ионы, потому что были теоретические прогнозы, что можно будет наблюдать новое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, — в котором Вселенная находилась спустя несколько микросекунд после Большого взрыва. Это суперплотная среда, и вещество в таком состоянии обладает свойствами как твердого тела, так и газа, жидкости и плазмы. Идея эксперимента в том, чтобы сравнить то, что получается, когда ты сталкиваешь протоны и когда — ионы. Когда сталкиваешь свинец, среда насколько плотная, что некоторые частицы не могут оттуда вылететь и пролететь эту среду — они гасятся в ней. То, что такое состояние действительно есть, подтвердили в конце 2010 года.

О командировках: Приезжаю я один раз летом и один раз зимой, по два месяца. От хостела до работы мне идти полминуты. Там такой свой внутренний мирок, где находится много людей, и он достаточно сильно отличается от обычного мира. Там стирается грань между тем, что ты вроде как работаешь и отдыхаешь. Это бесконечный процесс, который нельзя остановить. Всего там обитает примерно тридцать тысяч человек, чувствуешь себя мелким винтиком в огромной машине. Сложно самостоятельно что-то изобрести или открыть, когда ты в таком гигантском аппарате задействован.

Вид из комнаты хостела в ЦЕРНе

Об устройстве ЦЕРНа: По своей структуре ЦЕРН — это международная коллаборация, в которой участвует 150 институтов из 37 стран, и своего собственного штата там мало. Большая часть людей, которые там работают, не является работниками ЦЕРНа, они занимают какие-то должности в институтах, участвующих в коллаборации, как и в моем случае. А в церновском штате состоят только самые крутые, суперзаслуженные нобелевские лауреаты на пожизненном контракте, которые уже все придумали, что могли, в этой жизни и живут в доме у подножия горы, ездят оттуда на ретромашинах. В общем, стареющие рок-звезды от физики.

О специализации: Каждый физик далеко не универсален. Они делятся на разные категории: если глобально, то экспериментаторы и теоретики, а между ними — те, кто занимается анализом. В свою очередь экспериментаторы делятся на тех, кто занимается физикой детектора, и тех, кто занимается физикой ускорителя. То есть те, кто разгоняет частицы и кто их регистрирует, — это разные две области, причем ускорительщики достаточно высоко ценятся, потому что их меньше в мире существует — в Москве их у нас не готовят, только в Новосибирске. Физики, которые занимаются детектором, мало знают об ускорителе, они практически не пересекаются с ускорительщиками, это отдельные две касты. Одни запускают, другие ловят. 

О шифтерах: Когда ты сидишь на смене — есть утренняя, дневная и ночная, каждая по восемь часов, — там стоит куча мониторов, и тебе приходится держать в голове сразу очень много информации. Плюс все так хитро устроено, что перед тем, как ты становишься сменщиком, ты должен обучение пройти — три смены, когда ты сидишь с полноценным сменщиком, потом, когда выучился, уже тебе дают учеников. Бывало так, что я учил взрослых дядек, которые физику знают намного лучше меня. Особенность этой работы в том, что ты мало чего делаешь в одиночку, поэтому она развивает способность к контакту. Когда идет переписка между русскими (а их там очень много), у нас получается полуанглийский-полурусский язык, потому что для многих слов русских аналогов нет. Шифтер — это по-английски сменщик. Сменщиками мы друг друга не называем, называем шифтерами. А еще там никто не говорит «бозон Хиггса», все говорят просто «Хиггс».

Один из концертов на фестивале Hardronic Fest

О развлечениях: Людей в ЦЕРНе безумно много, и все они чем-то увлекаются — там есть клубы по интересам — от тяжелой атлетики и хорового пения до шахмат и фрисби. Есть музыкальный клуб — три комнаты репетиционных — и порядка пятнадцати групп, которые устраивают летом Hardronic Festival — он идет два дня с огромной большой сценой. Там выступают группы, полностью состоящие из научных сотрудников. Необычного мало — в основном какие-то кавер-группы, но все же. Там и я чуть поигрываю — когда еду, всегда гитару беру с собой. В репетиционной комнате есть все оборудование для записи — наигрываю под метроном, пишу барабаны, потом свожу.

О доступе к информации: В командировках я там был восемь раз — в сумме больше года. Но мне нет разницы никакой, где работать — здесь или там, потому что ты даже на расстоянии подключаешься к серверам ЦЕРНа. Есть гигабитные сети, которые объединяют институты по всему миру. Часть данных хранится на жестких дисках, но большая часть — на кассетах, которыми управляет специальный робот. Ты пишешь всего одну команду, сидя в Москве — робот в ЦЕРНе едет к нужной секции, достает твою кассету, вставляет ее, считывает, переводит на жесткий диск, и ты получаешь данные. 

СПРАВКА: ПОИСКИ БОЗОНА ХИГГСА

Бозон Хиггса — это частица, которая, как считается, ответственна за наличие массы у вещества. Все частицы находятся в поле, которое создает бозон Хиггса. Находясь в этом поле, они обладают массой. Есть так называемая Стандартная модель — это та модель устройства мира, которую мы все со школы проходим. В ней все взаимодействия делятся на четыре типа: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. У каждого взаимодействия есть переносчик — например, электрон у электромагнитного. Так вот, все частицы-переносчики уже давно были открыты и зафиксированы, кроме бозона Хиггса. Факт того, что он существует, говорит нам о том, что эта модель состоятельна и мы вроде как достаточно хорошо понимаем, что во Вселенной происходит. В любом случае Стандартная модель — это всего лишь модель, в физике всегда речь идет о моделях. Любая модель верна только до какого-то знака после запятой, самой точной модели не существует.

Поиском и исследованием бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере занимаются два детектора — CMS и ATLAS. Последние два года они Хиггс не открывали, а методично закрывали области, где его быть не может. И оставалось совсем маленькое окошечко, где он может оказаться. В прошлом году был собран крупный митинг всех участников коллаборации, где объявили, что за 2012 год точно смогут выяснить, существует бозон Хиггса на самом деле или нет. 

Вид сбоку на детектор ATLAS. Фронтальный его вид можно посмотреть на самом первом изображении в этом материале

О процессе выгорания: Когда ускоритель только запустили, было жаркое время, потому что постоянно что-то ломалось. У нас это называлось «процесс выгорания» — то есть когда детектор только начал работать, должно было сломаться все ненадежное, чтобы потом работа вошла в нормальный темп. Постепенно детектор умирает: какие-то части — из-за того, что там радиация большая, непосредственно при столкновении и материалы все эти изнашиваются — теряют свои свойства. В конце этого года будет большое выключение коллайдера на год или даже на два года для апгрейда, будут и в детекторах копаться, и какие-то магниты менять в самом ускорителе, чтобы выйти на изначально заявленные мощности.

О том, что дальше: Вся эта работа по проектированию коллайдера начиналась в конце 1980-х, у меня отец успел во всем этом принять участие — где-то до года 1994-го. После этого произошел конфликт между русскими и американцами, и он ушел. В России очень много ребят готовят, которые потом отправятся работать в ЦЕРН, у нас в стране много ускорителей, накоплено уже немало опыта. И в ЦЕРНе потом доучиваются летом по 400 студентов в год. То есть поколения сменяются, а эксперименты продолжаются.