«Слишком сильно пучок отклоняется, — объясняли корреспонденту Newsweek взволнованные физики, — вон видите на экране, какие скачки. Пока не уменьшат их амплитуду, заслонку перед последним сектором не откроют». Открытия заслонки с нетерпением ожидали ученые, инженеры и журналисты, собравшиеся в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. Каждые 42 секунды в 27-километровое кольцо Большого адронного коллайдера (БАК) впрыскивался новый пучок протонов, но последняя заслонка неизменно их останавливала. «То-то, наверное, ребята сейчас головы ломают, как поскорее уменьшить отклонения, — размышлял вслух техник за монитором, — уж не знаю, когда… Ой, прошел! Полный круг!» Контрольный зал и пресс-центр взорвались аплодисментами.
10 сентября впервые по всему кольцу коллайдера прошел пучок протонов, точнее, даже два пучка: сначала по часовой стрелке, затем против. ЦЕРНу удалось сделать проверку готовности коллайдера настоящим событием: раньше с таким напряжением научные журналисты следили разве что за пилотируемыми космическими полетами. В БАКе, с помощью которого ученые надеются дополнить, а при необходимости перестроить современную физику, будут проводиться четыре основных эксперимента — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. Первый, например, позволит сделать так называемый малый взрыв, воспроизводящий условия, существовавшие через доли секунды после Большого взрыва.
Впрочем, несмотря на грандиозность таких задач, объяснить их практическое значение широкой публике очень сложно, если вообще возможно. Зачем нужны фундаментальные исследования по физике элементарных частиц (ФЭЧ), будут спрашивать всякий раз, как она о себе громко объявит. Вот и в минувшую среду на торжественном мероприятии в ЦЕРНе прозвучал традиционный и провокационный вопрос: «Стоит ли тратить миллиарды долларов на исследования, от которых нет никакой практической пользы?»
«Во-первых, стоит, — практически хором сказали генеральный директор ЦЕРНа Робер Эймар и руководитель БАКа Лин Эванс. — Во-вторых, неправда, что нет никакой пользы».
Прикладные исследования улучшают и развивают изобретения, но принципиально новые идеи, позволяющие их создать, рождаются в фундаментальной науке, хоть это и не ее задача. ФЭЧ — не исключение, и побывавший в центре корреспондент Newsweek расспрашивал ученых не столько о теоретических исследованиях, сколько о новых технологиях, которые появились, появляются или появятся благодаря работе ЦЕРНа.
УМНОЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Устав запрещает ЦЕРНу заниматься прикладными и коммерческими разработками, поэтому в нем есть Служба передачи технологии — это по сути посредник между высокой наукой и индустрией. Служба формулирует концепцию, иногда создает первый прототип, но все прочие этапы — создание производственного прототипа, начало производства, выход на рынок — должны проходить за пределами ЦЕРНа. Но и на этих этапах служба продолжает активно сотрудничать с коммерческими структурами, предоставляя знания, лаборатории, исследовательские ресурсы — всячески помогая инновации пройти путь от теории до практики. «Два самых удачных примера — это система WWW и ПЭТ, позитронно-эмиссионная томография, — говорит руководитель службы Жан-Мари Ле Гофф. — Это локомотивы такие, мы их всегда упоминаем, когда нужно обосновать важность нашей работы».
Всемирную паутину Тим Бернерс-Ли создал действительно в ЦЕРНе, в 1989 г., работая над проблемами передачи данных по внутренней сети. Как очень быстро выяснилось, именно этой системы не хватало интернету, чтобы прийти в каждый дом. ПЭТ тоже родилась в ЦЕРНе — в 1977 г. «Типичный пример инновации, — говорит Ле Гофф. — Паре ученых пришла в голову мысль: а что если ввести в организм человека биологически активное соединение, содержащее бета-радиоактивный маркер, а потом фиксировать продукты его распада с помощью электромагнитного калориметра?» Такие калориметры — устройства, способные регистрировать электроны, позитроны и фотоны и измерять их параметры, — активно используются в детекторах ЦЕРНа. Молекулы введенного препарата будут по-разному взаимодействовать с разными клетками (скажем, накапливаться в более активных клетках злокачественных опухолей), а нестабильный маркер будет «освещать» их путь, распадаясь и испуская позитроны, улавливаемые калориметром.
Идея была протестирована в университетской больнице Женевы, а затем один из изобретателей, Дэвид Таунсенд, уехал в США, где с помощью коммерческой компании (которую ныне приобрел Siemens) создал предпроизводственный прототип. «Времени потребовалось много, — говорит Ле Гофф. — Настоящая популярность к ПЭТ пришла только в начале этого века, но зато сейчас оборот этой области составляет около $4 млрд». Сейчас ПЭТ позволяет получать трехмерные изображения отдельных участков организма и используется, например, при планировании хирургического вмешательства или проверки успешности химиотерапии. Это гораздо безопаснее для пациента, чем компьютерная рентгеновская томография.
«Еще одна многообещающая технология — это адронная терапия опухолей, облучение их с помощью протонов и ядер углерода», — рассказывает Ле Гофф. Современные методы используют для этого рентгеновские лучи, то есть фотоны. Но у них есть недостаток: если опухоль находится на некоторой глубине, то здоровые ткани, лежащие ближе к поверхности, при облучении получают практически ту же дозу, что и опухоль. Пучку же протонов (или ядер углерода) можно придать такие параметры, что максимальная его энергия придется на заданную глубину. Соответственно, здоровые ткани получат значительно меньшую дозу, чем опухоль. Кроме того, и протоны, и ядра углерода обладают большей «убойной силой»: ДНК повреждается как минимум в двух местах, и оправиться раковой клетке уже гораздо сложнее.
Для применения этой терапии, однако, необходимо уметь придавать пучку нужные параметры, а также очень точно представлять, где залегает опухоль, как она выглядит и к чему приведет взаимодействие пучка с ней. Первая задача решается опять же благодаря методам, разработанным на ускорителях. В последнее время предпринимаются попытки уже непосредственно в организме управлять движением пучка с помощью электрических и магнитных полей (как это делается в ускорителях, в том числе и в БАКе). Для решения второй задачи активно применяется компьютерное моделирование.
«В ФЭЧ вообще всё моделируют, — говорит сотрудник ЦЕРНа Владимир Иванченко. — Любой эксперимент, проводящийся в реальности, параллельно моделируется на компьютере. Это совершенно необходимо, чтобы оценить результаты: есть там новая частица или нет? Так ли она себя ведет, как ожидалось?» Для этого Иванченко и около 80 других ученых из разных стран разрабатывают специальное ПО с открытым кодом — Geant4, которое быстро нашло применение и в других областях, в том числе в адронной терапии. «У Geant4 нет ограничений на сложность геометрических объектов, на описание движения частиц в электромагнитных полях, — рассказывает Иванченко, — если у вас есть сканированная “карта” человеческого тела и вы хотите понять, что произойдет при его облучении, Geant4 — лучший кандидат». ПО применяется и для других задач: с его помощью рассчитывают, могут ли искусственные спутники пострадать от космических лучей, насколько большую дозу может получить человек, находящийся на МКС.
«Протонной терапии пока подверглось около 50 000 пациентов во всем мире, терапии с помощью ядер углерода — около 5000, — рассказывает один из разработчиков Geant4 Игорь Пшеничнов из Университета Франкфурта. — У 9 из 10 облученных в течение следующих пяти лет опухоль не растет». По словам Пшеничнова, терапия применялась и в России.
НАПОЛНИТЬ ВАКУУМОМ
«Медициной дело не ограничивается, — Ле Гофф неисчерпаем. — Вот у нас итальянский ученый Кристофоро Бенвенути разработал новый тип солнечных коллекторов. Эта технология еще не вышла на производственный уровень, но когда выйдет, то, может быть, затмит все предыдущие». Существует два основных типа коллекторов: плоский и на основе вакуумированных труб. Плоский, способный собирать рассеянный свет, состоит из стеклянного покрытия, под которым находится сам металлический коллектор, пространство между ними заполнено газом. В коллекторе на основе вакуумированных труб газа нет, что повышает эффективность: фотоны теряют меньше энергии. Но такие коллекторы не могут собирать рассеянный свет.
Бенвенути решил объединить два типа: создать плоский вакуумированный коллектор, способный эффективно собирать рассеянный свет. «Чтобы загнать внутрь вакуум — ну то есть чтобы откачать оттуда газ, он использовал специальные насосы, разработанные на БАКе, — говорит Ле Гофф. — Вы же знаете, что у нас самое пустое место на Земле: такого высокого вакуума вы больше нигде не найдете. Так вот, он приспособил эти насосы для вакуумизации коллектора, причем работают они просто от нагревания». Попутно пришлось решить ряд других технических проблем: например, научиться сваривать должным образом стекло и металл, убедиться, что конструкция выдерживает чудовищное внешнее давление. Бенвенути это удалось. «Он тут разместил пару панелей на крыше одного из церновских зданий, — Ле Гофф машет рукой куда-то в сторону, — снял через 15 лет и убедился, что они еще лет десять могли бы продержаться».
Коллектор может достигать температуры около 410°C, а по эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую сравним с фотоэлектрическим элементом, только раз в десять дешевле. Уже создан производственный прототип, который готовится к выходу на рынок. В Валенсии заканчивается строительство фабрики, которая будет способна производить около 2000 квадратных метров коллектора в день. «Мы рады распространять приобретенные знания — собственно, это наша обязанность», — говорит Ле Гофф.
ВСЁ ПУЧКОМ
По мнению сотрудника церновского проекта ATLAS Александра Ваняшина, масштабы международных проектов подходят к некоторой границе, пределу для чистой науки. «Думаю, следующий такой ускоритель будет попутно с научными задачами решать какие-то прикладные: например, с помощью пучков нейтрино нефть искать», — говорит Ваняшин. «Искать нефть с помощью нейтрино будет дороже, чем создать альтернативный источник энергии, — перебивает Ваняшина Алексей Климентов из того же эксперимента. — Вообще, думать, что ценность фундаментальной науки в создании новых технологий, — большая ошибка. Наука нужна сама по себе, она, как и искусство, отличает человека от обезьяны».
Ваняшин подмигивает корреспонденту Newsweek: «Это всё так. Но вот, между прочим, Алексей сам участвовал в создании самой известной технологии, рожденной в ЦЕРНе, — WWW. Вместе с Бернерсом-Ли». — «Ну да, было дело, — неохотно признает Климентов. — Кстати, мало кто знает, что методы передачи данных тогда считались самым бесперспективным делом. Для Бернерса-Ли это было не слишком почетным заданием. Никто не ждал, что оно принесет славу и ему, и ЦЕРНу». — «А теперь Алексей работает над следующей “бесперспективной” задачей — методами обработки данных», — добавляет его коллега.
«Бесперспективная» задача — это сеть GRID, объединяющая множество компьютерных центров по всему миру. «Поток данных от БАКа будет настолько велик, что один компьютерный центр просто не в состоянии его обработать, — объясняет сотрудник проекта Оливер Кибл. — Пришлось объединять вычислительные мощности множества центров, создать совершенно новую систему». «Вот, собственно, фрагмент GRID», — комната, в которую Климентов привел корреспондента Newsweek, представляет собой обычный кабинет с несколькими компьютерами, только на экраны на стенах проецируются схемы потоков данных, разбегающихся из ЦЕРНа в десятки стран. Ее можно считать третьим контрольным залом ATLAS: в первом следят практически в режиме реального времени, нормально ли работает детектор, во втором идет экспресс-обработка данных и проверка их качества, а в третьем — уже полноценная обработка. GRID могут использовать (и используют) не только сотрудники ЦЕРНа, но и другие ученые: для моделирования строения белков, траекторий космических полетов и любых других расчетов. Возможно, в будущем GRID станет доступен и обычным пользователям. «Это будет страшно удобно, — говорит Кибл. — Вы включаете электроприбор в розетку, не задумываясь о том, откуда берется ток. А можно будет включать компьютер и не думать, откуда берется вычислительная мощность».
Сотрудник проекта ALICE Сергей Николаев отмечает еще один аспект сотрудничества науки и технологии в ЦЕРНе. «Мы предъявляем технологам такие высокие требования, что они вынуждены решать новые задачи и совершенствовать свои методы, — говорит он. — А потом улучшенные разработки могут применяться где угодно». Его коллега Александр Виноградов согласно кивает: «Вот такие кристаллы, например, — он протягивает небольшую прозрачную трубочку, которую корреспондент от неожиданной тяжести (вольфрамат свинца!) чуть не роняет, — умеют выращивать только в России. В Апатитах и в Богородицке. А часть холодильной установки нам делали бывшие военные из Сарова».
Россия не является членом ЦЕРНа, имеет статус наблюдателя, а финансовый ее вклад составляет около 5%. Вклад же «человеческий» перевести в числа трудно, но все сходятся на том, что он очень велик. «Я не могу оценить точно, — говорит сотрудник CMS Оливер Бухмуллер, — но в нашем эксперименте Россия явно один из главных разработчиков». «В LHCb вклад России составляет примерно одну пятую», — считает Андрей Голутвин, в мае избранный руководителем этого эксперимента. На вопрос о технологиях он морщится: «Ну, масса всего, что изготавливается для нас, потом находит свое применение. Но это не главное. LHCb, например, будет решать задачи, которые, возможно, откроют нам совершенно новые области физики… О, смотрите, пучок еще один сектор прошел!»
Радость по поводу успешных проходов пучков была искренней: в ускорителе действительно оставались места, где еще не пролетал протон, ученые и инженеры до последнего момента не знали, всё ли сработает. «Боюсь, как бы грозы не было, — озабоченно говорил 9 сентября Ле Гофф, глядя на практически безоблачное небо. — Перебои с электричеством нам сейчас совершенно ни к чему». С вечера вторника до утра среды ночная смена искала и устраняла неполадки, причем с последней справилась лишь к восьми утра. Во время запуска второго пучка начались сбои криогенной системы, с которыми, правда, быстро удалось разобраться. «Мы такие неполадки эмпирически устраняем», — заявил руководитель БАКа Лин Эванс. Это означало: меняем что-нибудь, смотрим — если не помогло, то меняем что-нибудь еще, пока не заработает. «Нормальный метод для таких систем», — невозмутимо пояснил герой дня.