Всеки ден учените в Меката на физиката разгадават най-дълбоките тайни на Вселената

Фабриката за антиматерия - да произвеждаш обратното на материята

Да влезеш в ЦЕРН - институцията, създадена от титаните във физиката Нилс Бор, Вернер Хайзенберг, Луи дьо Бройл, Раул Дотри, Пиер Оже, Лев Коварски, Едуардо Амалди и др., които, подпомагани от Исидор Раби в рамките на Плана „Маршал“, създават европейска научна институция с мото „Наука за мир“, за да открият тайните на Вселената, - е преживяване, което много трудно може да се опише.

Вървим към един от входовете на ЦЕРН, а на 100 м под нас е 27-километровият тунел (най-студеното място, което познаваме в нашата Вселена), в който са разположени гигантски ускорители и детектори. Именно с тях учените искат да разберат как се е родила Вселената: какво точно се е случило при Големия взрив; къде е изчезнала антиматерията; коя е петата сила във физиката, която би променила всичко в познатия ни свят - от развитие на технологиите, през медицината до почти всички ежедневни дейности.

Каква ще бъде Новата физика,

която ще преобърне всичко и ще отвори огромна врата към ново познание?

Екипът на „Космос” престъпва прага на ЦЕРН след месеци, в които Меката на физиката и фундаменталната наука функционираше в ограничен режим и повечето учени работеха от вкъщи с изключение на персонала на първа линия. В края на август бе първото разхлабване на мерките, когато институцията вече бе изпълнена с изследователи и по всичко личеше, че сме пред евентуални нови ограничения с оглед нарастването на заразените с COVID-19 в страните домакини на ЦЕРН - Швейцария и Франция.

Улиците в тази изумителна общност са тесни, чисти, кръстени на великите имена във физиката - Алберт Айнщайн, Нютон, Волфганг Паули, Ричард Файнман, Нилс Бор, Вернер Хайзенберг…

Историята в ЦЕРН се усеща навсякъде. Сградите са скромни, бели, на два или три етажа. Библиотеката е тиха, светла, работи денонощно. В нея са едни от най-богатите архиви на великите умове във физиката, на учени като Паули, Айнщайн.

Кабинетите, в които творят най-добрите физици в света, са толкова малки и семпли, че всеки служител на средна българска компания или институция би изпаднал в истинско недоумение откъде идва вдъхновението, радостта и гордостта да работиш в ЦЕРН. Дори млади хора, току-що завършили, казват със светнал поглед, че искат да останат тук завинаги. Поглеждам мъничките им тесни кабинети с бели стени, с най-обикновени бюра, претрупани с изследвания, и неволно ги сравнявам с тези в обикновените фирми или офисите в българските държавни ведомства, в които цари истински лукс в сравнение с всичко тук.

Причините може би са много, но основните са две. Първата е невероятната история на тази институция, създадена от най-големите имена във физиката. Втората е, че откакто съществува, принцип в ЦЕРН е, че огромната част от бюджета се насочва приоритетно за изследвания, а не за удобства.

Мечтата за подобна международна организация е изстрадана - тя се заражда много преди 1949 г. и е свързана с

битката на едни от най-уважаваните физици с Хитлер

и водещите политици в света, за да оцелее човечеството и за да постигнат дългогодишния следвоенен мир. Повече за тази прелюбопитна история ще научите от следваща статия в „Космос“.

От нея ще разберете защо Нилс Бор, Вернер Хайзенберг, Исидор Раби и други знаменити физици замислят ЦЕРН като Европейска организация за фундаментални изследвания, която винаги ще търси широко международно сътрудничество и изследванията й ще са за мирни цели.

С нея те искат да спрат изтичането на мозъци, да обединят следвоенна Европа, да изградят силна наука, която ще гарантира развитието на силна европейска икономика.

Благодарение на авторитета на тези великани във физиката политиците склоняват и през 1952 г. започват да финансират начинанието. Именно тогава стартира работата по Синхроциклотрона - първия ускорител в ЦЕРН, по който работи Енрико Ферми, въпреки че по това време все още не е взето решение къде в Европа ще бъде позиционирана лабораторията. Чак през 1954 година са избрани красивите поля край Женева до величествената планина Юра като място, където да се изгради лабораторията. Представители на ЮНЕСКО са поканени за наблюдатели, за да гарантират, че изследванията ще се използват само и единствено за мирни цели и ще бъдат достъпни за всички.

До 1957 г. теоретичната група, която създава ЦЕРН, работи в кабинетите, осигурени от Нилс Бор в Дания. Едва когато първите постройки до Женева са готови, те се местят в Швейцария, а по-късно и във Франция, където днес се простират лабораториите на ЦЕРН.

Верни на идеята си да обединят учените от цял свят в името на мира, през 1956 г. основателите на ЦЕРН организират симпозиум и всички физици са помолени да използват личните си контакти, за да поканят свои съветски колеги. Руските служби решават, че с оглед на сигурността делегацията от СССР ще бъде в хотел „Метропол“ и те няма да го напускат. Всъщност след Втората световна война това е първата конференция на Запад, в която участват съветски учени.

Много от руснаците се сприятеляват с физиците от ЦЕРН, а по-късно оглавяват руските ядрени институти и изследователски програми. Така е поставено началото на сътрудничество, подсигурило следвоенния мир. Но това удивително поколение физици не спира дотук и в ЦЕРН са поканени съветските учени от Ядрения институт в Дубна. Оттогава досега те работят заедно и в следващите броеве ще разкажем как благодарение на това много скоро ще имаме една по-чиста околна среда.

През 1963 г. е подписано споразумение между ЦЕРН и СССР да си сътрудничат в създаването на най-големия ускорител в света по това време. За целта са привлечени учени от руския Институт за високоенергийна физика в Серпухов. Още една гаранция за Запада и Изтока, че откритията ще са само за мирни цели.

Десет години по-късно ЦЕРН кани за сътрудничество и китайските учени. Благодарение на това през 1986 г. физикът Льокок се среща с групата на китайския учен Сам Тинг, за да обсъдят въвеждането на специален кристал в петаскенерите. Льокок показва на китайските си приятели изследванията и в края на срещата Тинг го пита дали е свободен в събота. След което резервира билети до Шанхай. Там

кметът Дзян Дзъмин кани на вечеря учените,

за да обсъдят експеримента. Няколко години по-късно този отворен към науката градоначалник става президент на Китай, което още повече улеснява контакта между ЦЕРН и Поднебесната империя.

Заедно с мира, това фантастично поколение физици, работещи за ЦЕРН, прави гигантски крачки във физиката. Един след друг през годините биват проектирани и инсталирани плеяда от ускорители - всеки следващ с все по-големи размери и все по-големи възможности за научни открития.

През 1971 година е пуснат в експлоатация първият в света адронен колайдер - така нареченият Intersecting Storage Rings (Пресичащи се пръстени за съхранениe).

През 1976 година започва работа Супер Протон Синхротрон (SPS) – ускорител, който работи като протон-антипротон колайдер, със завидните за онова време размери - цели 7 километра.

През 1981 г. е монтиран 2000-тонният детектор на SPS. Легендарният директор на ЦЕРН, Карло Рубия, оглавява експерименти, привлича учени от САЩ и резултатът е откритие с епохално значение за физиката - W и Z бозоните.

Благодарение на пробива учените са подкрепени от държавите членки и през 1983 г. започва изграждането на Large Electron-Positron Collider на 100 м под земята. „Перлата в короната“ на ЦЕРН, разбира се, е 27-километровия Голям адронен колайдер (LHC). Това е най-мощният инструмент, създаван някога за изследвания на елементарни частици. Той започва работа през 2008 година, а през 2010 г. е реализиран първият сблъсък между протони с рекордната тогава енергия от 7 TeV.

Успехите са неминуеми. През 2012 г. учени от цял свят станаха на крака, за да аплодират Хигс-бозона, открит чрез експериментите ATLAS и CMS на LHC ускорителя. За Карло Рубия ключът към всичко е в любопитството. „Откриването на нещо ново създава алтернативи, предизвиква интерес и изгражда света - казва той пред „CERN Courier“.- Бъдещето не е да повтаряте това, което сте правили в миналото, а в иновации, където сте водени от любопитство, от желанието да се намери нещо ново. Това са основните характеристики на човечеството. Ние не отидохме на Луната, за да станем по-мъдри, а заради любопитството. Това е част от човешкия инстинкт.“ Този изключителен човек през 1989 г. оглавява ЦЕРН и става първият му директор, спечелил Нобелова награда за изследвания в ЦЕРН. (Първият директор Феликс Блок също е нобелист, но за изследвания извън Европейската организация за ядрени изследвания.) От тази позиция Рубия дава началото на LHC. Той е и човекът, който по това време сформира екип в ЦЕРН с българския проф. Стоян Марков, за

да разработят ново поколение реактори.

„От производството на „устойчива“ ядрена енергия до производството на нови радиоизотопи за медицината, от нов двигател за съкращаване на междупланетни пътувания до иновативни източници на слънчева енергия - казва Рубия. - Ние трябва да направим ядрената енергия супербезопасна!“ Нещо толкова важно сега, когато е необходимо да се осигури време, за да се развият чистите технологии на базата на „зелен“ водород и възобновяеми източници.

Всъщност това е една много малка част от прелюбопитната история на ЦЕРН, изграден от титаните във физиката, която обяснява изключителното ни вълнение, когато престъпваме прага. Още първия ден проведохме интервюта в Data Center, където се е родил World Wide Web, променил света завинаги.

В преддверието са старите лентови касети, на които са записвани данните от експериментите, старият тип дискове и компютри. Самият Компютърен център е нещо като завод на два етажа, дълбоко вкопан в земята. Грохотът на тези изчислителни машини е оглушителен, светлината е приглушена, вижда се само примигването на сървърите - сякаш човек е попаднал в култовия филм „Матрицата“.

Както всичко в ЦЕРН, така и тази идея възниква от нужда. Все по-сложните експерименти генерират все по-големи количества данни. Петабайтите, съхранявани на дискове, растат лавинообразно. През 50-те и 60-те години, за да стигнат до физиците, които да ги анализират, учените се качват на колела и ги разнасят с чанти из лабораториите. Това звучеше като шега, но когато ни показват снимките с колелата, изведнъж човек разбира, че нуждата от бързи мрежи е била крещяща. Лабораториите са на териториите на Франция и Швейцария и за учените тази „offline система“ за пренос на данни става все по-изтощителна. Неслучайно през 70-те и 80-те години ЦЕРН става пионер в развитието на ИТ мрежите за пренос на данни. Благодарение на тези знания и опит се стига до едно още по-значимо за човечеството откритие - World Wide Web.

През 1989 г. на компютърния специалист от ЦЕРН - Тим Бърнърс Лий, му хрумва, че трябва да има по-интелигентен начин за разпространението на информацията между учените от цял свят, които си сътрудничат с ЦЕРН. Той създава нов браузър,

първия web клиент,

протоколите за URL, HTTP, HTML и така започва разпространението на web технологията, което се оказва едно от най-великите достижения на човечеството. Разбира се, пробивът на Лий не би бил възможен, ако той не бе част от екипа, подготвил всичко, за да бъде направена последната решителна крачка. Малко след това се появява първият сайт на ЦЕРН - info.cern.ch, а след това още и още.

В момента на въпросните два етажа под земята са разположени 9400 сървъра, с 374 хил. процесорни ядра, 35 000 виртуални машини, работещи 24 часа, седем дни в седмицата, а данните се съхраняват на 95 100 диска и 32 244 касети. В тях се пазят и се обработват данните, които идват предимно от експериментите (детекторите) на LHC ускорителя.

Влизаме вътре със защитни очила.

Точно тук преди 30 години се генерира 80% от интернет капацитета на Европа. За да работи този Data Center, са необходими зашеметяващите 3 - 4 мегавата електроенергия. От тях около 1 мегават отива само за охлаждането. (Един мегават е равен на 1000 киловата, а повечето ВЕЦ-ове у нас произвеждат по 3 - 4 мегавата.)

Данните, генерирани от експериментите към май 2021 г., са 380 петабайта - на касети, а на дискове - 271 петабайта. Само за справка 1 петабайт е равен на 1024 терабайта, а 1 терабайт е равен на 1024 гигабайта.

Само за LHC в системата за съхранение към 2019 г. файловете надхвърлят 5 млрд. С усъвършенстването на ускорителите и записването на все повече детайли от експериментите, данните растат лавинообразно - така само през 2018 г. те са се увеличили с 53% спрямо предходната година.

Разбира се, тук е мястото да споменем разработките на ЦЕРН в GRID технологиите през последните 20 години. Благодарение на тях в единна система са свързани над 170 компютърни центрове в над 40 държави, които съхраняват и обработват данните от експериментите на LHC. Това е системата, която дава възможност на над 12 000 физици по цял свят да имат достъп до всички детайли и да работят с тях. Общият обем данни на тази GRID система надхвърля вече един екзабайт (1 милиард гигабайта или 1000 петабайта).

Но тъй като ЦЕРН тичат с години преди останалите, може би е въпрос на време да усвоят квантовите технологии, за да ускорят многократно обработката на екзаскейл (от старогръцки „екса“- представка, означаваща 10 на 18-а степен = 1 квинтилион, б.р.) данни.

От Data Center отиваме в Control Center (Залата за управление на ускорителите), в която в реално време се управляват ускорителите и се следят параметрите на сноповете частици в тях. Всъщност

това е сърцето на ЦЕРН.

Милиони датчици отчитат трилиони и трилиони сблъсъци на елементарни частици, летящи с 99% от скоростта на светлината, а детектори отсяват коя частица каква е, камери заснемат траекториите им и всички тези поразителни потоци от мегаданни се изписват на компютърните екрани.

Две неща ни впечатляват още с влизането в тази светая светих на физиката. Зад компютрите стоят млади хора - физици, инженери, компютърни специалисти, най-много на 30-ина година, някои с къси панталони, повечето спортно облечени и най-озадачаващото - усмихнати и в супердобро настроение. Осмелявам се да попитам кога тези младежи са успели да се подготвят така, че да им се поверяват толкова сложни наблюдения? Отговорът бе озадачаващ - там учените просто изглеждат млади, въпреки че са на около 50 г. Рецептата е обичайната - обичат си работата и обичат да творят. Разбира се, има и много млади хора, които работят в ЦЕРН - там има множество програми за студенти, докторанти, млади специалисти, които работят рамо до рамо с Нобелови лауреати, защото младите хора са носители на нови идеи.

Навсякъде по стените на малки полици в Залата за управление има бутилки с шампанско - всяка една за някое голямо откритие. За Хигс-бозона са няколко. Има няколко и за намирането на W и Z бозоните, гръмнати от откривателя проф. Карло Рубия.

Докато разсъждавам как е възможно в такава ведра атмосфера да се коват големите открития във физиката, неусетно стигаме до кафенето-ресторант на ЦЕРН. Чисто, с бели маси и столове, разположени на една зелена поляна. Тук-таме има дървета. Всичко е безкрайно семпло, но с всяко идване човек се чувства зареден. Учените са насядали на групи по масите - някъде са по 5 - 6, на места по десетина души. Обсъждат различни теми и проекти. От време на време някой си взема таблата и забързан тръгва към друга маса, защото е видял колега, с който да обсъди някакъв детайл.

На моменти се местят цели групи - събират се на една маса 15 - 20 учени и е истинско удоволствие човек да наблюдава този

изумителен творчески процес,

съчетаващ полезното с приятното. Гледам и си мисля между всички тези шеги и закачки колко ли открития се раждат само по време на един кратък обяд, дали защото там работят толкова любопитни учени, или защото доброто и ведро настроение струи отвсякъде? Как става това и каква е тайната на мениджмънта, непосилен за повечето други фирми по света, определено е друга интересна тема, предизвикваща дълбок размисъл.

Разбира се, има и изследователи, които са се усамотили пред компютрите в градината и никой не смее да ги разсее. Всички добре знаят какво значи някой от тях да потъне в размисъл. Много поучително е да се наблюдава как деликатно се приближават към такъв човек, за да попитат нещо за кратко и да го оставят отново във вълнуващия свят на физиката.

Някъде по това време забелязвам живописен екип, който напуска кафето и тръгва към Фабриката за антиматерия. Докато прехвърлям наум кой кой е и откъде го познавам, се сещам, че това са част от учените от Залата за управление, които бурно аплодираха новината, когато от ЦЕРН обявиха, че може би са попаднали на следи на петата сила във физиката, която един ден ще ни отведе към Новата физика и с нея ще промени всичко. Докато се чудя как да ги заговоря, защото не помня кой кой и да им стане любопитно да ми отговорят, те потъват зад тежката метална врата, която се отваря с дистанционно.

Истински късмет е, че ние също влязохме там - в едно от най-странните места на планетата - където учените създават обратното на материята - не атоми и протони, а антиатоми и антипротони. И ако за обикновен човек това е доста объркващо, тук - в ЦЕРН, генерирането на античастици е просто работа. Създават ги чрез сблъсък на субатомни частици, но те трябва да са охладени до минус 273 градуса или почти до абсолютната нула, за да са годни за Antiproton Decelerator, създаващ нискоенергийни антипротони и синтезиращ антиводородни атоми - или антиматерия.

Експериментът Baryon Antibaryon (BASE) също е в тази любопитна фабрика и се опитва да превърне частици с едва уловима маса във фотони, което е възможност за търсене на митичната тъмна материя. Защо това е важно? 27% от материята/енергията във Вселената се състоят от тъмна материя. Тези частици усещат силата на гравитацията, но почти не реагират на останалите три фундаментални сили в природата. Затова за Стандартния модел те не съществуват, защото в него всичко е подчинено на четирите известни сили - гравитация, силно ядрено, слабо ядрено взаимодействие и електромагнетизъм. Ключът към обяснението на асиметрията в природата между материя и антиматерия може да се окаже именно взаимодействието между антиматерията и предполагаемите частици на тъмната материя – т.нар. аксиони. Именно затова BASE има изключително чувствителен инструментариум, настроен да търси в милионите сблъсъци именно колизии между антипротоните и въпросните аксиони.

Разгадаването на тази голяма тайна във Вселената има своята дълга предистория. През 1995 г. в ЦЕРН създават първата форма на антиматерия. Тя се състои от частици, които имат същата маса като тези на материята, но са с обратен електрически заряд. По-късно са установени още озадачаващи разлики. Интересното е, че когато влязат в някакво взаимодействие, материята и антиматерията се анихилират, като при това се отделя огромна енергия. Изучаването й е трудно, защото при всеки досег с материята антиматерията се унищожава. През 2010 г. учените успяха да я задържат за една шеста от секундата, а през 2011 г. бе постигнат

рекорд от близо 16 минути,

за да могат учените да изследват поведението й. Всъщност именно това е работата на учените от Фабриката, които се опитват да открият как материята и антиматерията съществуват във Вселената, защо почти цялото количество антиматерия е изчезнал при Големия взрив и защо тъмната материя се разминава със Стандартния модел. Едно изключително начинание, което крие огромен научен потенциал за бъдещи научни открития.

Оттам отиваме в един от най-впечатляващите експерименти на ЦЕРН - Compact Muon Solenoid (CMS), който завинаги ще остане в историята. Той е на 20-ина минути път с кола от лабораториите в Женева, но е във Франция. Когато човек застане пред него, все едно стои пред цялата досегашна история на физиката и пред висшия пилотаж в инженеринга - 21 метра дълъг, 15 метра широк и 15 метра висок. Всеки от близо 5-те хиляди магнита в него тежи по около 2000 тона. Самият детектор е 14 хил. тона. Благодарение на това чудо на физиката е уловен Хигс-бозонът и са установени предполагаемите частици, които биха могли да образуват тъмната материя.

През 2012 г. физиците по цял свят изтръпнаха, когато след експеримент в CMS - част от Големия адронен колайдер (LHC) - от ЦЕРН обявиха, че са открили Хигс-бозона. Така теорията от 60-те на физика Питър Хигс, че има поле, в което на частиците се придава маса, и то е свързано с конкретна частица, се потвърди. Именно затова мнозина я нарекоха Божията частица, защото ако не е тя, останалите нямаше да имат маса. Благодарение на това бе открито как на субатомно ниво три от четирите основни сили си взаимодействат.

Самият CMS е изумително начинание, генериращо поле около 100 000 пъти по-голямо от магнитното поле на Земята. Докато сме там, научаваме, че на 1 септември в него ще бъдат инсталирани още три инструмента, измерващи яркостта и поведението на снопа частици. С тях детекторът още по-прецизно ще измерва скоростта на сблъсъците в реално време, ще оптимизира както скоростите, така и качеството на сноповете, идващи от Големия адронен колайдер (LHC). Имената на новите модули може да са странни, но напълно логични за ЦЕРН - Calabrese, Capricciosa, Diavola и Margherita. Можем само да гадаем дали не са хрумнали на учените, докато хапват от вкусните пици в кафето на ЦЕРН.

Самите сблъсъци на трилиони частици се осъществяват в една тънка тръба, а цялата апаратура - магнити, оборудване, свръхчувствителни датчици, камери - са предназначени да „уловят“ сред милиардите сблъсъци и комбинации точно тези с аномално поведение, което се отклонява от общоприетото при субатомните частици, да го заснемат, за да могат впоследствие физиците да го анализират.

Благодарение на ускорителите са открити и „призрачните частици“ през 1989 г. - леките

неутрино, които почти нямат маса,

и е истинска загадка как я придобиват, след като през 2015 г. бе доказано, че те наистина са частици с маса. За разлика от повечето, които са с положителен и отрицателен заряд, те са с неутрален и почти не взаимодействат с другите частици. Благодарение на това милиарди неутрино ежедневно минават през нас, без да ги усетим. Именно с тези интересни загадки се занимават учените от CERN в Neutrino Platform, а работата им е изключително важна, защото неутриното са част от субатомните частици, които обещават физика извън Стандартния модел. Изследванията са решаващи, за да проникнем в тайните на Вселената, да разберем природата на тъмната материя и защо е възникнал дисбалансът между материя и аниматерия.

И ако някой си мисли, че този висш пилотаж във фундаменталната наука няма нищо общо с живота ни, наистина много бърка. Ето само два примера от медицината измежду многото полезни приложения на научните открития, направени в ЦЕРН.

В резултат на задълбочени научни изследвания ускорителите вече са част от изключително успешен метод за лечение на рака. При него се поразяват единствено туморите, без да се засягат здравите тъкани. Учените постоянно търсят финансиране, за да продължат експериментите и да може всяка болница по света да разполага с малки ускорители и да въведе този безопасен метод за лечение, избягващ минусите на химио- и лъчетерапията, където заедно с увредените тъкани се поразяват и здравите.

С помощта на технологиите, които се използват в детекторите на елементарни частици, ЦЕРН е допринесъл за първите разработки на PET (Positron-Emission Tomоgraphy) скенери преди 45 години. В днешно време те се използват за откриване на ракови клетки, но имат приложения и в неврологията и кардиологията и са неизменна част от оборудването на всяка модерна болница.

Благодарение на ускорителите се провеждат и експерименти, които дават шанс много скоро да дишаме по-чист въздух и да възродим живота в моретата и океаните.

За всичко това, за големите пробиви на ЦЕРН, за изключителните умове, които работят там, а сред тях и много българи, за европейските проекти, които ще променят живота ни съвсем скоро, ще научите от поредицата в списание „Космос“.