Содержание:
Одной строкой
Безопасны ли эксперименты на LHC? Не возникнет ли в их ходе какой-нибудь опасный экзотический объект, который может привести к глобальной катастрофе?
Да, безопасны. Эта уверенность основана на надежно проверенных законах физики, на экспериментальных данных с предыдущих ускорителей, а также на астрофизических данных.
Общие замечания
В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?
Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.
Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет (PDF, 580 Кб) основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).
Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.
Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC — очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду (!) во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.
В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария — 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя. Во-вторых, фигурирующие в отчете ограничения сверху на много порядков меньше этого числа.
(Подробнее про вероятность катастрофического сценария на LHC.)
Надо подчеркнуть, что, несмотря на все эти отчеты, время от времени находятся люди, которые считают, что физики ошибаются в расчетах вероятности катастрофы, и поэтому их выводам не доверяют. Как правило, эти люди сами не физики и тем более не специалисты по физике элементарных частиц, поэтому их аргументация не относится к научным утверждениям, используемым специалистами для доказательства безопасности LHC. Такие люди будут появляться и в будущем, о них будут писать СМИ, но к этим сообщениям не стоит относиться серьезно.
Микроскопические черные дыры
В представлении обыкновенного читателя черные дыры выглядят неким «оплотом зла» — они втягивают в себя всё вещество без разбора и за счет этого растут. Неудивительно, что когда кто-то краем уха слышит про возможность рождения черных дыр на LHC, он может забеспокоиться.
Тут есть распространенное заблуждение, что черные дыры обязательно будут рождаться на LHC, а физики-де пытаются убедить весь мир, что они будут безопасными. На самом деле, черные дыры в том виде, в котором мы их сейчас знаем, вообще не могут рождаться на LHC. А станет этот процесс возможным, только если окажется верной одна очень смелая гипотеза теоретиков — о том, что гравитация становится сильной на масштабе энергий порядка 1 ТэВ. Никакого экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла, и большинство физиков полагает, что это лишь занятная математическая конструкция, но не более того.
Тем не менее, нужно рассмотреть вариант, когда эта гипотеза оказывается верной. Тогда, согласно ей, микроскопические черные дыры действительно будут рождаться на LHC и, согласно ей же, — тут же распадаться на обычные частицы. Такая микроскопическая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.
Можно также совсем отказаться от теоретических рассуждений и воспользоваться наблюдательными данными. Если черные дыры смогут родиться на LHC, то они тогда должны рождаться и при столкновении космических лучей с небесными телами. Тот факт, что Земля, Солнце, а также компактные звезды существуют миллиарды лет и не превратились в черную дыру, означает, что на самом деле этой опасности нет.
(Подробнее про микроскопические черные дыры на LHC)
Нестабильность вакуума
Самая глобальная катастрофа, которую можно себе представить, — это разрушение всей Вселенной. Такое могло бы случиться, если бы вакуум в нашем мире был не настоящим, а «ложным» вакуумом, с некоторым запасом энергии. Тогда если бы была возможность перевести вакуум из ложного в настоящий в некотором начальном объеме, то возник бы пузырь настоящего вакуума, который бы расширялся во все стороны со скоростью света и с большим энерговыделением. В результате такого перехода на месте пузыря возникла бы более стабильная Вселенная с иными свойствами.
Надо понимать, что нет никаких теоретических, а тем более экспериментальных свидетельств в пользу гипотезы, что мы живет в ложном вакууме. Это лишь одна из многочисленных «математически разрешенных» идей, которая может иметь, а может и не иметь отношение к реальности. Даже если она верна, то отсюда еще не следует, что переход нынешней Вселенной из ложного в истинный вакуум возможен в процессах столкновения частиц.
Это то, что касается положения дел в теории. А в эксперименте всё намного проще. Если хоть где-то во всей наблюдаемой части Вселенной такой процесс произошел бы в столкновении космических лучей, то разрушилась бы вся Вселенная. Но мы существуем, следовательно, такие процессы не происходят. Не произойдут они на LHC, поскольку природа уже провела огромное число экспериментов масштаба LHC.
Магнитные монополи
Монополи — это гипотетические объекты, несущие на себе отдельный магнитный заряд. Современная физика не запрещает существование таких объектов, а в некоторых теориях они даже с необходимостью появляются. Проводились многочисленные эксперименты по поиску природных монополей, но все они неизменно давали отрицательные результаты.
Можно часто слышать утверждение, что монополи обязательно будут вызывать распад протона, словно наличие магнитного заряда как-то дестабилизирует протон. Это не так. Прежде всего, неизвестно, распадается ли протон вообще. Здесь тоже ставились многочисленные эксперименты, но ни в одном из них распад ни одного протона не был зарегистрирован.
Когда же говорят про распад протона, то имеют в виду пока чисто теоретические конструкции, не подтвержденные экспериментально. Например, распад протона возникает в теориях Великого объединения (то есть объединения сильного и электрослабого взаимодействий), однако ни одной по-настоящему работающей теории такого типа пока не построено. Именно в таких теориях появляются объекты, способные катализировать протонный распад, и по некоторой случайности эти объекты имеют также магнитный заряд. Так что с точки зрения распада протона «опасны» только гипотетические монополи из теорий Великого объединения, и то если их сечение взаимодействия собычной материей достаточно велико.
Описывают ли эти теории реальность или нет (то есть существуют ли опасные монополи в природе) — пока неизвестно. Еще более неизвестно, могут ли они рождаться на LHC. Однако здесь работает такой же астрофизический критерий, как и для черных дыр. Если такие объекты смогут рождаться на LHC, то они бы в изобилии рождались при бомбардировке космическими лучами поверхности Земли, Солнца и других небесных тел и давно бы их разрушили. А раз этого не произошло, то и от LHC вреда не будет.
Странное вещество
На стыке ядерной физики и физики элементарных частиц есть одно направление исследований, которое бурно развивается в последние годы. Это изучение свойств ядерного вещества при высоких температурах и давлениях. Уже установлено, что в зависимости от условий ядерная материя может существовать в разных состояниях, и эти состояния обладают разной степенью устойчивости.
Всё это разнообразие состояний реализуется лишь при очень высоких температурах или давлениях. В нормальных же условиях ядерное вещество образует обычные ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Однако некоторое время назад у теоретиков закралось подозрение (а не доказательство!), что одно из этих состояний — так называемая странная материя (то есть ядерное вещество с большой концентрацией странных кварков) — может оказаться стабильнее обычной ядерной материи. Если это так, то тогда капелька такой странной материи, которую называют «стрейнджлет» (strangelet) или «страпелька», родившись на ускорителе, будет стабильной. Более того, она может вступать в реакцию с обычными ядрами и превращать их тоже в странную материю. Иными словами, возникает еще один вариант «сценария катастрофы», при котором страпелька разрушает всю Землю, превращая ее в комок странной материи.
Такого, конечно, не произойдет — здесь тоже применимы указанные выше астрофизические аргументы. Однако из всех предложенных сценариев катастрофы, этот опирается, по крайней мере, на общепринятую область физики элементарных частиц. Она хорошо исследована в эксперименте, в частности на ускорителе тяжелых ионов RHIC и на более ранних экспериментах с меньшей энергией. Результаты многолетних опытов говорят об отсутствии образования устойчивых страпелек в столкновении ультрарелятивистских ядер, а также указывают на то, что теории, предсказывавшие образование страпелек, неверны.
Что касается LHC, то вероятность рождения страпелек — даже если они и существуют! — там будет еще меньше, чем в ускорителях на меньшие энергии. Это неудивительно, поскольку страпельки должны быть очень хрупкими объектами и могут существовать только при низкой температуре. Температуры, возникающие при столкновении ультрарелятивистских ядер, на порядки выше, поэтому ядерное вещество просто испаряется тепловым образом. Кроме того, даже если бы страпельки и образовывались в столкновении ядер и оказывались устойчивыми относительно испарения, они бы разрушились при первом же столкновении с обычными ядрами из-за своей большой скорости.
Дополнительная литература
- The safety of the LHC с официального сайта ЦЕРНа.
- Отчет ЦЕРНовской группы LSAG: Review of the Safety of LHC Collisions, PDF, 580 Кб (2008); препринт arXiv:0806.3414, а также дополнение про страпельки.
- S. B. Giddingsa, M. L. Mangano. Astronomical Implications of Hypothetical Stable TeV-Scale Black Holes // препринт arXiv:0806.3381.
