Астрономия, или космология

Астрономия, или космология, изучает возникновение, развитие, макроскопическое строение и поведение вселенной.

Содержимое вселенной выражают в понятиях ее массы/энергии (масса и энергия оказываются взаимозаменяемыми величинами согласно уравнению Эйнштейна: энергия = масса х квадрат скорости света). Наша галактика – одна из 400 млрд. подобных ей в наблюдаемой части вселенной. Исследования показывают, что последние 5 млрд. лет вселенная расширяется, причем с ускорением, источником расширения является темная энергия – новая форма материи. Для ускоренного расширения вселенной необходимо, чтобы пустое пространство содержало в три раза больше энергии, чем все наблюдаемые космические структуры и объекты: галактики, скопления и сверхскопления галактик. А.Эйнштейн впервые ввел в рассмотрение такую специальную форму материи, чтобы сохранить статичность вселенной, он назвал ее «космологической постоянной». По иронии судьбы то, что призвано было характеризовать статичность, ныне указывает на изменчивость. Со временем (огромным) наша галактика может оказаться «локализованной в пустоте».

Оказалось, что более 72% от массы вселенной составляет темная энергия, 23% - темная материя, 4% - обыкновенная материя, менее 1% - нейтрино. Итак, более 95% вещества – это необычная материя, которая состоит из каких-то частиц, с которыми человечество еще не сталкивалось при проведении экспериментов. Это вещество не изучает электромагнитных волн, которые могли бы быть зафиксированы, но проявляется себя в гравитационном взаимодействии – влияет на вращение галактик и скорость их движение в пространстве, она разгоняет все объекты вселенной вместо того, чтобы удерживать их.

Проникновение в дальний космос помогает человечеству решать базовые вопросы о том, как устроен земной мир.

В отличие от обычного вещества темная энергия равномерно распределена повсюду, независимо от места имеет одну и ту же плотность, около 10 в минус 26 степени кг на см в кубе, что равноценно нескольким атомам водорода на кубометр. Вся темная энергия в пределах Солнечной системы по массе равна одному маленькому астероиду, поэтому в жизни планет ее роль ничтожна. Заметным ее влияние становится только на больших расстояниях и в течение длительного времени. На межгалактических масштабах действуют иные законы гравитации, чем на меньших расстояниях, и поэтому притяжение галактик не может сдерживать расширение. Итак, неизвестная ранее форма энергии противостоит гравитации и, преодолевая взаимное притяжение галактик, заставляет их разбегаться все быстрее. Несмотря на то, что темная энергия практически не ощутима она является наиболее мощной космической силой.

Судя по астрономическим наблюдениям, материи в нашем мире гораздо больше, чем антиматерии. Античастицы – это как бы зеркальные отражения обычных частиц, они подчиняются тем же физическим законам, имеют те же характеристики, но противоположные заряды (например, если у электрона электрический заряд отрицательный, то у его антипода, позитрона – положительный). При столкновении частицы и ее отражения они превращаются в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе исчезнувших частиц. Исходя из простейших законов сохранения, можно было бы предположить, что в новорожденной вселенной количество тех и других было одинаковым. Возникает вопрос, каким же образом возник дисбаланс частиц?

Одна из гипотез состоит в том, что античастицами все-таки управляют немного иные законы, и это могло бы послужит причиной исчезновения антиматерии. Поэтому в исследованиях необходимо получить их отдельно друг от друга, а для этого нужно приспособление, подходящее как по размеру, так и по диапазону энергий. Для этого существуют устройства, которые помогают работать в столь малых масштабах – это сами ядра. Их разгоняют и сталкивают друг с другом в специальных установках – ускорителях и коллайдерах (от англ. сталкиваться), надеясь, что при достигнутых энергиях столкновений они развалятся на составные части. Роль микроскопов выполняют многочисленные детекторы излучений, фиксирующие параметры проходящих через них частиц. Объекты, образуемые в зоне столкновения, чаще всего настолько нежизнеспособны, что всего через доли микро- и наносекунд превращаются в более стабильные и обычные. По количеству энергии и направлению движения вторичных частиц с помощью законов сохранения ученые определяют характеристики того, что образовалось в эксперименте.

Чем мельче строительные элементы материи, тем крепче они связаны друг с другом. Это означает, что для перехода на более низкий уровень строения будет необходима большая энергия столкновений. Именно это является причиной модифицирования ускорителей, основная задача которых состоит в том, чтобы получить максимальную энергию сталкивающихся частиц.

В 1931 году молодой профессор Калифорнийского университета в Беркли Эрнест Орландо Лоуренс и его аспирант М.Стэнли Ливингстон построили и испытали настольный вакуумный прибор, позволявший ускорять заряженные частицы для проведения экспериментов в области физики высоких энергий. Этот аппарат назвали циклотроном. Во второй половине 20 века в разных странах были построены сотни, а потом и тысячи машин того же назначения. Особо выделяются среди них ускорители на встречных пучках – коллайдеры. Сегодня их действует только десять: два в России, четыре в США, один в Германии (закрыт) и по одному во Франции, Японии и Китае. Семь из них предназначены для изучения столкновений электронов и позитронов, одна (закрытая) – электронов и протонов, одна – протонов и антипротонов и еще одна – тяжелых ионов.

Принцип работы всех ускорителей один и тот же: заряженные частицы ускоряются в электрическом поле. Если ускоритель не линейный, а кольцевой, то накладывается еще и магнитное поле, которое удерживает частицы на искривленных траекториях.

Конструкторы ускорителей осознавали возможности таких устройств, как коллайдер, еще в 1940-х годах, однако технические трудности на пути их создания были слишком велики. Первая в мире система на встречных пучках была запущена в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати в 1961 году. Это было накопительное кольцо почти метрового радиуса, в котором крутились электроны и позитроны (в противоположных направлениях). Энергия каждой частицы доводилась до 250 МэВ. Частицы для столкновений машина (накопительное кольцо) производила сама с помощью электронного синхротрона. Разогнанные в этом ускорителе электроны рассеивались на неподвижной мишени, порождая гамма-лучи (так называемое тормозное излучение). Эти лучи направлялись в вакуумную камеру коллайдера и попадали на тонкий танталовый диск. Взаимодействуя с электрическим полем ядер и электронов мишени, гамма-кванты рождали электронно-позитронные пары. Электроны и их античастицы циркулировали по кольцу в противоположных направлениях и дополнительно разгонялись в радиочастотном резонаторе. Время жизни пучков поначалу было небольшим, но постепенно его удалось довести до 40 часов. Отработка методов длительного хранения частиц в накопительном кольце и стала основным итогом работы этой машины.

Успех итальянских физиков открыл путь к созданию более мощных коллайдеров, сталкивающих частицы из семейства лептонов: электроны с электронами, электроны с позитронами (коллайдеров на других лептонах пока не существует). Первая в мире установка со встречными электронными пучками была запущена в 1964 году в СССР (Академгородок в Новосибирске). Эта машина имела два кольца диаметром около метра, в каждом из которых электроны разгонялись до 160 МэВ. Тогда же, в 1964 году в США был построен двухкольцевой коллайдер на 550 МэВ. Уже в 1966 году в Академгородке был запущен электронно-позитронный однокольцевой ускоритель на 700 МэВ. Немногим позже, в 1969 году состоялся пуск итальянского коллайдера на 1,5 ГэВ.

Мощность лептонных коллайдеров продолжала расти и в 1972 году общая суммарная мощность коллайдера Стэндфордского университета составила 4,5 ГэВ. Именно здесь в 1974 году была впервые зарегистрирована частица, содержащая кварк (и антикварк) нового типа. Годом позже там же был получен тяжелый лептон с массой 1,8 ГэВ, названный тау-частицей.

Самым крупным электронно-позитронным коллайдером в мире был ускоритель на территории Франции и Швейцарии. Эффективную энергию столкновения частиц удалось довести на нем до 200 ГэВ.

Согласно формуле де Бройля, каждой микрочастице соответствует квантовая волна, ее длина обратно пропорциональна импульсу частицы. Чем короче волна, тем более мелкие объекты можно локализовать с ее помощью. Следовательно, для получения более полной информации о микромире надо увеличить энергию микрочастиц. Гигантский ускоритель, расположенной в окрестностях Чикаго Национальной лаборатории имени Ферми, доводит энергию протонов и антипротонов до одного триллиона электрон-вольт (тераэлектрон-вольта, или ТэВ, отсюда и название установки – Тэватрон). Большой андронный коллайдер генерирует протонные пучки с энергией 7 ТэВ.

С помощью той же формулы де Бройля можно подсчитать, что электроны с энергией 1 гигаэлектрон-вольт (ГэВ) позволяют прощупать дистанции порядка 10 в минус 15 степени метр (один фемтометр), а 10 ГэВ – порядка 10 в минус 16 степени метр. Но разгоняемые в ускорителях частицы сами по себе никаких изображений не формируют. Каждая такая микропуля должна столкнуться с той или иной мишенью (частицей) и как-то с ней прореагировать. А далее возможны следующие варианты. Налетающая частица может просто изменить свою траекторию и уйти в регистрирующее устройство, оставив мишень в прежнем состоянии. Такие столкновения называют упругими. Либо возникнет эффект неупругого столкновения, в ходе которых частица-мишень переходит в возбужденное состояние или распадается.

Чем больше энергии налетающая частица отдает мишени, тем более массивными могут оказаться продукты ее распада – вторичные частицы. Для их идентификации ускорители и снабжают разнообразными детекторами, которые работают под контролем компьютеров.

Если одна из частиц покоится, а вторая движется со скоростью, близкой к скорости света, значительная доля полной энергии налетающей частицы уйдет на ускорение вторичных частиц. На энергетическое обеспечение процесса их рождения, которое и является цель эксперимента, останется не так уж много.

Всему виной кинематика специальной теории относительности. Энергия ускоряемых частиц измеряется относительно самого ускорителя, в лабораторной системе отсчета. А чтобы оценить ту ее часть, которая может пойти на рождение новой частицы (эффективная энергия столкновения), надо вычислить энергию налетающей частицы относительно общего центра инерции ее и частицы-мишени. Если ультрарелятивистские частицы одинаковые, то энергия в системе центра инерции равна квадратному корню из удвоенного произведения энергии покоя частицы и ее полной энергии после разгона в ускорителе.

Предположим, что речь идет о протонах. Энергия покоя протона примерно 1 ГэВ. Пусть налетающий протон приобрел энергию в 100 ГэВ, тогда на рождение новых частиц останется 14 ГэВ. С ростом энергии коэффициент полезного действия процесса становится все меньше: если энергия налетающего протона 1 ТэВ, то эффективная энергия его столкновения с неподвижным протоном мишени составит всего лишь около 45 ГэВ.

Но если сталкивать частицы, импульсы которых равны по величине и противоположны по направлению, суммарный импульс будет равен нулю, и лабораторная система отсчета совпадет с системой центра инерции. Тогда эффективная энергия столкновения будет равна сумме энергий обоих частиц. Это и дает коллайдерам огромное преимущество перед обычными ускорителями.

Конечно, ничто не дается даром. Плотность частиц в пучке неизмеримо уступает плотности атомов в неподвижной мишени, поэтому столкновение в коллайдерах случаются намного реже, чем в традиционных ускорителях. Но можно предварительно собрать разогнанные частицы в накопительных кольцах – вакуумных камерах тороидальной формы (напоминают полые бублики), помещенных в магнитное поле. Ускоренные частицы направляют (инжектируют) в такие камеры, пока сила тока не достигнет нужной величины (на практике это десятки ампер), а затем уже выпускают навстречу друг другу.

Заряженные частицы, вращаясь внутри накопительного кольца по круговым путям, испускают остронаправленные электромагнитные волны (синхротронное излучение), тратя на это часть свое энергии. Потери необходимо компенсировать, иначе частицы пойдут по сужающимся спиралям и в конце концов столкнутся со стенками. Для протонных и ионных пучков интенсивность синхротронного излучения сравнительно невелика, но для электронных и позитронных она растет по мере уменьшения массы. Так что накопительные кольца приходится оснащать разгонными радиотехническими устройствами, стабилизирующими скорость частиц. Эти системы также могут придавать частицам дополнительное ускорение, увеличивая их энергию.

Главное достоинство ускорителей на встречных пучках заключается в рекордной эффективности энергии столкновения, что подчас оборачивается их же недостатком. Коллайдеры позволяют изготовлять более массивные вторичные частицы, однако скорость их разлета оказывается очень небольшой, поскольку на их разгон энергия почти не тратится. Но среди этих продуктов могут быть очень короткоживущие частицы, которые при движении с умеренными скоростями имеют все шансы исчезнуть еще до попадания в детектор. При разлете же со скоростями, близкими к скорости света, они не только быстрее движутся, но и дольше живут (согласно специальной теории относительности время для них замедляется). И потому успевают пройти куда больше дистанции.

Эти трудности можно обойти, сталкивая частицы с различными скоростями в лабораторной системе отсчета. Тогда эффективная энергия соударения снизится, но зато вторичные частицы приобретут большую скорость. Подобные столкновения называют ассиметричными. В США и Японии есть коллайдеры, которые работают именно в таком режиме.

Известно, что электроны и позитроны при соударениях аннигилируют, превращаясь в жесткое гамма-излучение. Однако так происходит лишь при столкновениях на низких скоростях. Более энергичные электронно-позитронные пары могут рождать множество других частиц.

Спектр возможных рождений ограничен законами сохранения. Прежде всего, энергия покоя всех вторичных частиц не может превышать эффективную энергию столкновения. Если возникает одна-единственная частица, она непременно будет незаряженной – ведь суммарный заряд электрона и позитрона равен нулю. Из закона сохранения барионного числа вытекает, что такая частица может быть мезоном (двухкварковым объектом), но не барионом (трехкварковым). Спин новорожденной частицы также должен равняться суммарному спину элетронно-позитронной пары – единице (при параллельных спинах) или нулю (при антипараллельных). Как только энергия столкновении электронов и позитронов доходит до 0,8 ГэВ, начинают возникать нейтральные ро- и омега-мезоны, которые имеют как раз такую массу покоя. При энергии в 1 ГэВ возникают фи-мезоны – парные объединения странного кварка и антикварка.

Машина в Италии производит нейтральные К-мезоны, которые представляют для физиков особый интерес из-за асимметрии в поведении этих частиц и их античастиц. Подобная асимметрия куда сильнее проявляется у намного более массивных нейтральных В-мезонов, и поскольку они «живет» не более одной пикосекунды (10 – 12 сек), оба коллайдера (установка в США и Японии) работают в ассиметричном режиме так, что новорожденные В-мезоны успевают пролететь 1 – 2 миллиметра, благодаря чему продукты их превращений все же удается зарегистрировать.

Лептонные коллайдеры являются наилучшим средством для экспериментов в области физики высоких энергий. Дело в том, что лептоны – точечные объекты, не имеющие внутренней структуры. Поэтому энергия соударений целиком идет на образование новых частиц. Когда же друг на друга налетают частицы-композиты, состоящие из кварков и глюонов протоны или тяжелые ионы с их протонно-нейтронными ядрами – выделенная энергия хаотично распределяется между компонентами сталкивающихся частиц. Вот почему те события, которые мы хотели бы наблюдать, будут очень редкими.

Для достижения самых высоких эффективных энергий нужны коллайдеры, разгоняющие тяжелые частицы – адроны. В 1971 году состоялся запуск первого такого устройства под Женевой, впоследствии был запущен Тэватрон в США. Понимая перспективы, в США тут же приступили к проектированию нового сверхмощного протонного ускорителя на встречных пучках, его длина должна была иметь около 87 километров (против 6,3 км у Тэватрона), что позволило бы разогнать частицы до 20 ТэВ. Строители успели проложить около 24 км., однако в 1993 году Конгресс США аннулировал весь проект из-за дороговизны (по мере строительства его окончательная стоимость начинала возрастать с 4,6 млрд. долл. до 12 млрд. долл.). Заслуживают внимания дебаты по данному вопросу, которые описывает С.Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по физике. (Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы. – М.: ЛКИ, 2008. – 256с.)

В Европе к тому времени сумели перестроить первый андронный коллайдер под Женевой, существенно увеличив его мощность, вследствие чего первенство в физике столкновения частиц перешло к европейцам: столкновение ионов свинца происходят с энергией около 2,76 ТэВ на нуклон (суммарная эффективная энергия столкновения превышает 1000 ТэВ).

Сегодня все кварки заперты внутри нуклонов – таков закон их взаимодействия, но на ранней стадии развития вселенной, когда вещество было очень горячим и плотно сжатым, глюоны не могли их удерживать вместе. Мир представлял собой некую «кашу» из свободных кварков – кварк-глюонную плазму. В рамках эксперимента в столкновении тяжелых частиц свинца будет высвобождаться огромная энергия (температура в сто тысяч раз больше, чем в солнечном ядре). В таких условиях связи внутри нуклонов начнут разрушаться, и в результате образуется кварк-глюонная плазма. Наблюдения за тем, как эта гипотетическая фаза расширяется и охлаждается, помогут нам прояснить некоторые тонкости в теории взаимодействия элементарных частиц.

Главной задачей большого адронного коллайдера будет поиск самой загадочной из гипотетических частиц – бизона Хиггса, существование которого еще в 1964 году предсказали физики-теоретики Питер Хиггс, Франсуа Энглер и Роберт Броут.

Согласно общепринятой (так называемой Стандартной) модели элементарных частиц этот бозон является квантом всепроникающего поля, которое взаимодействует со всеми частицами с силой, строго пропорциональной их массе. Очень правдоподобно (хотя и не доказано), что это поле и служит причиной самого существования массы. Расчеты показывают, что бозон Хиггса будут рождаться один раз на 20 триллионов протонных столкновений.

Проверяется также гипотеза суперсимметрии, согласно которой каждый элементарный фермион (частица с полуцелым спином) имеет бозонного партнера (частицу с целым спином), а каждый бозон имеет партнера-фермиона. Теория суперсимметрии работает только в том случае, если предположить, что во времена ранней вселенной у элементарных частиц не было массы. Питер Хиггс, шотландский физик, предположил, что масса частиц – это результат их взаимодействия с неким специфическим полем. Проблема в том, что оно равномерно «размазано» по всей вселенной, а значит, мы никак не можем его обнаружить. Единственная возможность подтвердить гипотезу – это поймать частицу, имеющую отношение к этому полю, так называемый бозон Хиггса. Однако за 30 лет экспериментов это еще никому не удалось.

Ожидается, что будут открыты гипотетические частицы, из которых состоит несветящаяся космическая материя (ее-то и называют темной), которая обеспечивает 24% общей массы вселенной.

Самые смелые надежды связаны с установлением следов скрытых пространственных измерений, существование которых вытекает из целого ряда новейших квантовых теорий гравитации. В свое время Эйнштейн показал, что три пространственных измерения связаны с временным – это стало одним из основных положений релятивизма. Сегодня бурно развиваются модели взаимодействия элементарных частиц, в которых утверждается, что в нашем мире существуют дополнительные «свернутые» пространственные измерения. Согласно этим гипотезам, они могут проявиться на экспериментах, подобных описанным выше, доказательством же послужат внезапно исчезнувшие или непонятно откуда появившиеся частицы.

Для поиска бозонов Хиггса, скрытых измерений и частиц, которые могли бы сыграть роль темной материи, в ускорительном комплексе сконструированы два огромных и сложных детектора. Установка одного из них построена вокруг соленоидального магнита – цилиндрической катушки со сверхпроводящим кабелем, которая генерирует магнитное поле в 4 Тесла (в сто тысяч раз больше поля Земли). Это поле должно помочь правильно идентифицировать частицы, а значит, адекватно описать события, происходящие в зоне столкновений. Второй крупнейший детектор по своей конструкции кардинально от него отличается. Это сделано специально, чтобы получить наиболее полное и разностороннее свидетельство событий, происходящих при столкновении.

Ведутся проработки строительства лептонного суперускорителя – Международного линейного коллайдера. Он задуман как два направленных друг на друга 12-километровых линейных ускорителя, электронный и позитронный. Каждый должен разгонять частицы до 250 ГэВ, а вторая очередь обеспечит эффективную энергию столкновений в 1 ТэВ. Критическим предметом затруднений является стоимость суперускорителя.

Запуск большого адронного коллайдера вызвал много опасений относительно его безопасности. Дело в том, что в природе уже есть явления, похожие на пучки, гоняемые в кольцах ускорительных комплексов: это космические лучи – частицы, рожденные в разнообразных катастрофических процессах, например, во взрывах сверхновых, где они ускоряются до огромных энергий. Они бомбардируют Землю с самого момента ее формирования, и общее число столкновений несоизмеримо больше ожидаемого в процессе эксперимента.

Однако еще большие опасения вызывает гипотетическое появление микроскопических черных дыр при запуске коллайдера. Ученые убеждены, что с такой малой массой дыра не сможет поглотить ни одного нуклона и вскоре, излучив всю энергию, превратится в ливень обычных частиц.

Потенциальную опасность могут представлять и гипотетические объекты, состоящие из странной (темной) материи. Дело в том, что помимо обычных кварков, из которых состоят нуклоны, в состав странных объектов входят кварки более тяжелые и нестабильные поодиночке. Если такие образования действительно существуют, то вероятность, что они появятся в течение эксперимента, очень мала, к тому же они, скорее всего, тут же и развалятся на другие частицы вследствие нестабильности. Но даже в том случае, если они останутся «жить», вряд ли начнут расти (и превращать все, к чему прикоснутся в странную материю), так как будут иметь положительный заряд и не смогут притягивать окружающие протоны.

В статье Криса Квига (В мире науки, 2008, № 5, с 33) названы пять целей для Большого адронного коллайдера, вот они:

-законов открыть Стандартную модель. Главнейшая цель коллайдера не в том, чтобы исследовать новые явления, но прежде всего в том, чтобы подтвердить старые. Машина может создавать известные частицы в фантастических количествах (например, несколько «истинных» кварков в секунду), а затем будут тщательно исследовать их с возрастающей точностью. Таким образом, ученые смогут не только проверить работу новых приборов, но и установить надежные точки отсчета для новых явлений;

-определить причину нарушений симметрии электрослабого взаимодействия. На коллайдере будут осуществляться эксперименты по поиску бозонов Хиггса (или других частиц, которые займут их место) и определить их свойства. Верна или теория о том, что бозон Хиггса обеспечивает массу не только W и Z-частиц, но также кварков и лептонов?

-отыскать новые силы природы. Новые частицы, переносящие взаимодействия, должны распадаться на уже известные, типа электронов и их античастиц – позитронов. Такие взаимодействия указали бы на новые виды симметрии в природе и могли бы привести физиков к единому пониманию всех взаимодействий;

-выдвинуть кандидатов на роль темной материи. Получив возможность наблюдать нейтральные устойчивые частицы, возникающие в столкновении при высоких энергиях, исследователи при помощи коллайдера смогут решить одну из самых больших загадок астрономии и проверить свое понимание истории вселенной;

-исследовать и вновь исследовать. Коллайдер позволит провести исследования, направленные на поиски доказательств существования скрытых измерений пространства-времени, новых сильных взаимодействий, суперсимметрии и чего-то совершенно неожиданного. Физики должны внимательно изучить связи между главными вопросами сегодняшнего дня и быть готовыми к новым задачам.

Будущее физики связано с исследованием по шкале энергий от единиц электрон-вольт до терадиапазона. И в этом случае мы удаляемся от знакомого нам мира и попадаем в ряд других самых различных сфер знаний: от областей химии и электроники твердого тела (единицы эВ) до ядерных реакций (миллионы эВ) и далее на территорию, которую специалисты по физике частиц исследовали во второй половине 20 века (миллиарды эВ). Все это относится к той области физики, к которой обращаются, когда две элементарные частицы сталкиваются, имея суммарную энергию около 1 тераэлектронвольта (1 ТэВ = 10 в 12 степени эВ). Это по силам такому устройству, как Большой адронный коллайдер.

Но что ждет физиков в терадиапазоне, не знает никто. Предполагается, что в конце путешествия к терадиапазону и за его пределы мы узнаем, из чего состоит организм человека и на основании каких законов функционирует наш мир.

Для решения подобных вопросов уже заявлено о создании к 2020 году Международного линейного коллайдера. В его установке, длиной более 30 км, будут сталкиваться электроны и позитроны, разогнанные до скоростей, очень близких к скорости света. (Позитрон – античастица по отношению к электрону, с такой же массой, но с противоположным зарядом).

Основным элементом нового коллайдера будет цепь ниобиевых камер (резонаторов), каждая длиной в 1м, состоящая из 9 сферических ячеек. При охлаждении до очень низких температур она перейдет в сверхпроводящее состояние, и в ней будут генерироваться электрические поля, необходимые для ускорения электронов и позитронов.

Протоны содержат три кварка, связанных между собой глюонами (частицами, определяющими сильное ядерное взаимодействие). Поскольку кварки и глюоны внутри протона постоянно взаимодействуют, процесс протон-протонного столкновения оказывается весьма сложным. В силу того, что энергия каждого кварка в момент столкновения точно не известна, определить свойства новых частиц достаточно сложно.

В противоположность протону, являющемуся сложной частицей, электрон и позитрон – фундаментальные (элементарные) частицы, и энергия, выделяемая при их столкновении, в коллайдере определена с высокой точностью.

Проблемы человека в космосе

Галактика пронизана быстро движущимися частицами, способными разрушать ДНК и другие молекулы. На поверхности Земли человека защищает от космической радиации не магнитное поле, а толстый слой атмосферы, где на каждый квадратный сантиметр поверхности приходится килограмм воздуха. Влетев в атмосферу, космический протон в среднем преодолевает всего лишь 1/14 ее высоты и на высоте 20 – 25 км соударяется с ядром атома воздуха. Остальная часть атмосферы поглощает осколки этого столкновения. Удар по ядру выбивает из него протон, или нейтрон, или и то и другое, и вызывает ливень гамма-лучей высокой энергии и частиц пи-мезонов, пионов. Каждый гамма-квант проникает вглубь атмосферы и завершает свой путь рождением электрона и его античастицы – позитрона. Аннигилируя, эти частицы рождают новые гамма-кванты, но уже более низкой энергии, и так продолжается до тех пор, пока гамма-лучи не станут слишком слабыми для рождения частиц. А тем временем пионы быстро распадаются на мю-мезоны, мюоны, которые проникают до земли. Ежегодная доза облучения человека космическими лучами равна двум рентгеновским снимкам легких, что вполне безопасно.

Иное дело открытый космос. О том, какие здесь возможны сценарии размышляет Юджин Паркер, профессор Чикагского университета. (Паркер Ю. Как защитить космических путешественников// В мире науки, № 6, 2006, с. 15 – 19). Если на низких околоземных орбитах космонавты защищены магнитным полем Земли, то тем, кто надолго отправится в дальний космос, грозит смертельная опасность. Только за одну секунду через тело человека может пронестись около 5 тысяч ионов, способных разрушить химические связи в организме и вызвать такой же каскад вторичных частиц, как в атмосфере. Неделя или месяц не дадут серьезных последствий, а вот путешествие к Марсу может обернуться трагедией для здоровья человека. В этом случае организм получит дозу радиации не менее 80 бэр за год, а предельно допустимой дозой для работников атомных станций является 5 бэр.

Помимо галактического излучения человека поджидает опасность со стороны Солнца. Иногда, как например, 23 февраля 1956 года, такие выбросы в течение часа добавляют пару сотен бэр радиации.

Каковы же возможные меры защиты человека в открытом космосе (а уже существует проект промышленного освоения Луны) при нынешнем уровне развития техники и технологий? Сферическая оболочка из воды или пластмассы могла бы защитить космонавта, но ее масса (при условии, что толщина должна быть не менее 5 м), составит при этом не менее 400 т, магнит из сверхпроводящих материалов мог бы отклонять космические частицы, но весил бы около 9 т. Для сравнения: максимальная грузоподъемность шаттла составляет около 30 т. Некоторые из этих предложений можно было бы реализовать на Марсе, где разряженная атмосфера (10 г/см в квадрате) также слабо защищает от космических лучей. Однако у магнитной схемы есть слабое место. Дело в том, что магнитное поле не обеспечивает защиту вблизи полюсов, где частицы движутся параллельно, а не поперек. Именно поэтому магнитное поле Земли дает слабую защиту тем, кто живет вдали от экватора. Чтобы космонавтам ничего не угрожало, жилой отсек космического корабля должен иметь форму бублика. Кроме того, людям придется жить в магнитном поле с индукцией 20 Тл и никто не знает, какие это вызовет биологические последствия. Возможно, инженерам придется нейтрализовать поле в пределах жилых помещений, используя компенсирующий электромагнит. Естественно, что наличие второго магнита усложнит систему.

Другая идея состоит в том, чтобы зарядить космический корабль электричеством, и если напряжение внешней оболочки относительно окружающего пространства составит 2 ГВ, то корабль сможет отразить все протоны космических лучей с энергиями до 2 ГэВ. Однако окружающее пространство – это не вакуум. В районе Земли солнечный ветер заполняет пространство примерно пятью электронами на 1 см в кубе. Электроны, имеющие отрицательный заряд, будут притягиваться к положительно заряженному кораблю. Поскольку электрическое поле будет протираться до расстояния, где его потенциальная энергия становится ниже тепловой энергии электронов (до расстояния в десятки тысяч километров), космический корабль будет стягивать к себе электроны из этого огромного объема. Они станут врезаться в обшивку с энергией 2 ГэВ и вести себя так же, как космические лучи, поскольку будут обладать такой же энергией, как и протоны.

Видимо, дело за тем, чтобы существенно сократить время полета, для чего надо сообразить, как использовать энергию античастиц. Размещение жилых помещений на Луне, Марсе и других планетах целесообразно планировать под верхними слоями на глубине сотен метров.