Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.
Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году.
Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.
Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за 3 секунды, а за 10 – достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины «Формулы-1» не могут достичь 400 км/ч. В микромире – другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.
Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон-вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус ускорительного кольца, необходимого для получения нужных энергий.
Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими – синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.
Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наи+более продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.
В целом общее свойство всех ускорителей, включая линейные, – постепенность в накапливании энергии. Еще одна их особенность – это одновременное ускорение нескольких больших сгустков заряженных частиц – банчей (bunch). Так, на ускорителе LHC (Большом Адронном Коллайдере) планируется ускорять около пяти тысяч таких банчей, и каждый из них будет содержать до сотен миллиардов протонов. Суммарная энергия этих суперрелятивистских частиц будет достигать 500 миллионов джоулей при толщине сфокусированного пучка 20 миллионных долей метра.
В ускорителе, вращаясь навстречу друг другу, одновременно будут носиться два таких пучка. В четырех точках, как раз там, где расположены измерительные комплексы, эти пучки будут пересекаться, порождая столкновения протонов между собой. Сгустки протонов будут встречаться 40 миллионов раз в секунду, каждый раз выдавая около 20 протонпротонных столкновений. Далеко не все из происходящих в ускорителе событий будут интересны физикам, но все акты столкновения они обязательно зафиксируют и поместят в базу данных. Причем каждое столкновение будет генерировать до 10 миллионов бит информации. Помимо этого, здесь планируется запечатлеть рождение хиггсовского бозона, упомянутого выше. Если все состоится, то само рождение будет хоть и неоднократным, но все же для микромира крайне редким: одно на 10 триллионов столкновений. Ведь для такой удачи нужно, чтобы не только протоны, но и входящие в их состав кварки врезались точно «лоб в лоб», поэтому в день ожидается одна «божественная частица» и не более. Управлять процессом столкновения частиц, то есть направлять их «лоб в лоб», пока невозможно. Они летят навстречу случайным образом, цепляя друг друга, как получится. И только благодаря огромному количеству этих касаний и столкновений у исследователей появляется материал для самого разного рода теорий и гипотез, позволяющих во многом понять, как устроен мир.
На Большом Электрон-Позитронном Коллайдере, который раньше находился в 27-километровом подземном кольце ЦЕРН, при единичном столкновении возникало до 1 500 вторичных частиц. На новом ускорителе LHC это число возрастет до 50 000. Расшифровка процессов соударения разогнанных частиц будет происходить с помощью огромной системы датчиков, фиксирующих пути и энергии родившихся частиц. Сегодня это возможно: современные измерительные комплексы содержат миллиарды транзисторов и сотни тысяч индивидуальных датчиков – сцинтилляционных пластин, кремниевых сенсоров, дрейфовых трубок, газоразрядных камер, мюонных и адронных калориметров, фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. Для того чтобы можно было развести между собой пути заряженных частиц с разными массой и энергией, на всю эту систему датчиков накладывается еще и магнитное поле.
Потоки данных, генерируемых LHC, ожидаются огромными. Для сравнения можно сказать, что они будут превышать объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Такие прогнозы заставляют искать принципиально новые способы обработки и хранения данных. И как в свое время «WWW» – простой и доступный для любого пользователя способ вхождения в сеть – был изобретен именно в ядерной лаборатории, так и сегодня новая технология распределенных компьютерных вычислений GRID рождается и испытывается здесь же.
Тысячи ученых во всем мире готовятся и с нетерпением ждут этой лавины информации, поскольку глубинные тайны Вселенной обещают открыться в ближайшие годы. Если же ожидаемые частицы не будут найдены, то придется пересматривать не только Стандартную Модель современной физики частиц, но и множество других теорий мироздания. Сегодня трудно точно сказать, какие загадки Природы сумеет разгадать LHC, но одно известно точно – человечество шагнет в новую эпоху фундаментальных открытий.