Журнал «Вокруг Света» №07 за 2007 год

«Бывает ли продолжение в жизни?» — этот вопрос возникает у любого, кто впервые соприкасается с танго. Задаю его Сильване и я.

«Иногда да. Чаще — нет. Во время танца между партнерами может возникнуть какая-то волшебная связь, но удержать ее в жизни очень сложно. А вообще… лучше всех на этот вопрос ответил писатель Леопольдо Маречаль. Он определил танго как «бесконечную возможность».

Танго как танец: «рептилия, выползшая из борделей»?

По наиболее распространенной версии, танго зародилось в конце XIX века в портовых публичных домах Буэнос-Айреса. В ту пору проституция и впрямь процветала в городе просто потому, что мужчин было впятеро больше, чем женщин. Современные исследователи в целом не опровергают эту теорию, но склонны смягчать ее: если танго и зарождалось в низах, то вовсе не обязательно только в «борделях» — это могли быть и кабаки, и танцплощадки. И если оно и бывало прелюдией более тесных отношений, то вовсе не обязательно платных. По другой версии, танго изобрели не столько новоприбывшие эмигранты, сколько завезенные сюда намного раньше черные. Хотя Буэнос-Айрес традиционно считается самым «белым» городом Латинской Америки и к концу XIX века черное население сократилось с 30 до 2 процентов, все пошло главным образом от их танца кандомбе. В пользу этой теории говорит то, что само слово «танго» — креольского происхождения («танец, барабан, место танца») и восходит к языкам Центральной Африки. И то, что в Уругвае — а танго зарождалось на обоих берегах Ла-Платы, как в Буэнос-Айресе, так и в Монтевидео — население было более смешанным. Наконец, об африканских истоках свидетельствует и позиция, в которой изначально танцевали танго: наклонившись друг к другу, согнув колени и слегка выставив зад. Самые дипломатичные исследователи пишут, что танго зародилось на периферии города и общества и представляло собой сплав разных влияний: музыкального мастерства новоприбывших европейцев; андалусийских традиций внутренних переселенцев — перебравшихся в город гаучо; популярной среди черного населения кандомбе и хабанеры, завезенной моряками с Кубы. Как бы то ни было, приличное общество долгое время не признавало этого танца. Лишь когда в 1910-х годах танго, завезенное в Европу эмигрантами, покорило сначала Париж, а затем и все остальные столицы, мода на него распространилась и в родном городе. За неимением специальных школ мужчины тренировались друг с другом, а иные семейства тайком нанимали преподавателей из низов, чтобы жены и дочери могли блеснуть на очередном вечере. Вместе с социальным статусом и пропиской (с окраин танго перебирается в респектабельный центр) постепенно меняется и манера исполнения: корпус и колени выпрямляются, резкие и вызывающие движения смягчаются и приобретают элегантность — так появляется tango liso («сглаженное») и tango de salon («салонное»). Но даже в таком виде танец еще продолжал вызывать нарекания. В 1913 году европейские газеты писали о том, что кайзер Вильгельм II запретил своим офицерам позорить мундир, уподобляясь, по словам журналиста, «низменной чувственности негров и метисов». В 1914 году архиепископ Парижский обещал отлучить танцующих от церкви. Святой престол также неоднократно выказывал озабоченность этим вопросом. Закончилось тем, что в 1924 году в библиотеке Ватикана перед папой Пием XI выступила аргентинская пара. Правда, танцевали они под танго «Аве Мария» (кстати, главный инструмент танго — бандонеон — изначально предназначался для исполнения духовной музыки), на партнерше была юбка до пят, а партнер тщательно выбирал фигуры. Такой танец папа не мог не одобрить, и вопрос о его допустимости и нравственности был закрыт.

  

Ноэлья Манкада. Если во времена Гарделя танго пели в основном мужчины, то сегодня — женщины

Танго как песня: порождение «грустных ночей»

Считается, что песенное танго пошло от пайадоров — так называли в XIX веке бродячих музыкантов, исполнявших под гитару импровизированные куплеты. Так, пайадором был один из первых авторов и исполнителей танго, Анхель Вижольдо. Вопреки сложившемуся стереотипу, в веселых и дерзких песенках, характерных для раннего периода, нет ни тени меланхолии и грусти. Официальной датой рождения танго-песни в современном понимании считается 1917 год, когда Карлос Гардель впервые исполнил и записал песню «Mi noche triste» («Моя грустная ночь») на стихи П. Контурси. Раньше танго представляло собой хвастливый монолог лирического героя о том, как он хорошо танцует или как ловко обманывает женщин. Здесь впервые прозвучало другое настроение: мужчина плачет оттого, что его покинула возлюбленная. С тех пор тема несчастной любви, разочарования, ностальгии в стиле португальского фаду прочно вошла в лирику песен. Впоследствии поэт Энрике Сантос Дисеполо дал знаменитое определение танго как «грустной мысли, которая танцуется». Вместе с «что» изменилось и «как». Придумав свой собственный исполнительский стиль, куда вошли элементы бельканто, мелодрамы и народной музыки, Гардель по сути дела создал танго как песню — образец для всех последующих артистов. Одной из особенностей танго 1910—1920-х годов было широкое использование городского жаргона, «лунфардо», который в основном состоял из иностранных вкраплений в испанский. На протяжении 1930-х этих слов стало меньше, а в 1940-х цензура запретила их использование.

  

Оркестр Fervor de Buenos Aires открывал концертную программу фестиваля. По воскресеньям этих ребят, играющих в классической манере 1950-х, можно встретить на улице в старом районе Сан-Тельмо

Танго как музыка: бывшая прислужница танца

На заре танго музыка была примитивна и полностью подчинена танцу. В XIX веке она исполнялась на скрипке, флейте и гитаре (или арфе). Чуть позже сюда добавился бандонеон, разновидность аккордеона, названный по имени немца-изобретателя Генриха Банда и завезенный в Аргентину в конце XIX века. Затем появились контрабас и фортепьяно, вытеснив флейту и арфу. Танго стало медленнее и перестало быть «бродячим»: возникли стабильные трио, квартеты или оркестры. Именно с появлением крупных образований (с участием фортепьяно, нескольких струнных инструментов и нескольких бандонеонов) принято отождествлять «золотую эпоху» танго. Считается, что ее открыло выступление оркестра Анибаля Тройло 1 июля 1937 года. В дальнейшем благоприятные условия создало начало мировой войны: во-первых, из Европы на родину вернулись артисты, во-вторых, прекратились поставки импортных пластинок, что повысило спрос на живую музыку. В 1940—1950-х увлечение танго приобретает массовый характер: его танцуют и в роскошных кафе на центральной Авенида Корриентес, аргентинском Бродвее, и на пригородных фабричных гуляньях. «Каждый уважающий себя квартал имел тогда свою площадь, свой церковный приход, свой клуб и свой оркестр танго», — рассказывают старожилы. Как нынешние футбольные фанаты, люди ходили «болеть» за тот или иной коллектив, а среди танцующих регулярно проводились соревнования. Эйфория длилась вплоть до конца 1950-х и закончилась с приходом рок-культуры. Танго олицетворяло все то традиционное, «отцовское», что отвергало новое поколение хиппи: от классических мужских костюмов до коротко остриженных, прилизанных волос. Как некогда биг-бэнды, большие оркестры один за другим стали распадаться: остались лишь квинтеты и квартеты; дискотеки с пластинками сменили вечеринки под живую музыку. Правда, тогда же на мировую арену вышел Астор Пьяццола, бандонеонист и композитор, автор знаменитого «Либертанго» и великий реформатор жанра, включивший в него элементы джаза и классической музыки. Считается, что он же окончательно обособил музыку от танца, которому до него, по словам бандонеониста Нестора Маркони, она «прислуживала». В нынешнем ренессансе танго несомненно лидирует танец: в мюзикле «Танго Аргентино», которым он начался, планировались равные отрезки песни, музыки и танца, но публика требовала только танцевальные номера. И если раньше кумирами были певцы или музыканты, то теперь — танцоры. Однако возрождаются и оркестры. Конечно, былого размаха, когда в городе официально их было зарегистрировано около 700, уже нет. Зато появилось многообразие. Одни музыканты возрождают традиции так называемой «старой гвардии» (ранних исполнителей танго), другие работают в классической манере 1940—1950-х, третьи продолжают эксперименты в русле «танго нуэво» Пьяццолы или электронного «нео-танго». Среди последних особенно популярна в мире парижская группа Gotan Project. Ее аргентинско-французско-швейцарский состав — очередное свидетельство интернациональности «национального достояния» Аргентины.

Танго как образ жизни: «ты есть то, что танцуешь»

Если в 1940—1950-х годах увлечение танго было тотальным, то со временем оно стало уделом немногих любителей, а с улиц и популярных танцплощадок перекочевало в клубы. Хотя этих любителей сейчас все больше и они вовсе не скрывают своего существования, многие горожане могут их по-прежнему не замечать. Тем же, кто потрудится переступить порог одного из таких клубов, откроется удивительный мир. Где еще увидишь, чтобы молодежь проникновенно танцевала парами, как их бабушки и дедушки, — причем народный танец? А старики, как какие-нибудь тинэйджеры, возвращались домой только под утро? Этот мир живет по своим, особым законам. Непостижимым образом в нем всегда сохраняется равновесие — между молодыми и пожилыми, завсегдатаями и новичками, женщинами и мужчинами. Все то, что важно в обыденной жизни — социальное положение, карьера, успех, — теряет здесь всякое значение, уступая место одному-единственному критерию: как говорят милонгерос, «ты есть то, что танцуешь». И если на уроках танго царит демократия — звезды не гнушаются поучить даже самых отсталых, — то на милонгах устанавливается строгая иерархия. Старшее поколение рассказывает, что раньше помещения клубов даже условно разбивались на несколько участков: на одном толпились новички, на другом — те, кто уже что-то умели, а на третьем, куда все мечтали попасть — только лучшие. Познание здешних правил, скажем, как приглашать и отвечать на приглашение (обычно кивком или взглядом, который женщина может заметить или нет) — сложно и многоступенчато и в чем-то напоминает посвящение в таинство. Или, по крайней мере, приобщение к кругу избранных: тех, кто в курсе, где проходят лучшие вечеринки, кто знает всех знаменитых персонажей — а если повезет, то и сам сможет стать узнаваемым. Фестиваль танго

Проходит в Буэнос-Айресе с 1999 года ежегодно (2008 год: c 22 февраля по 2 марта, 2009 год: с 27 февраля по 8 марта). Подробная программа появляется на сайте www.festivaldetango.com.ar за пару недель до начала фестиваля, во время него выходит специальная газета с расписанием и адресами концертов, уроков, экскурсий и пр. Вход на все мероприятия бесплатный. Правда, там, где количество мест ограничено, необходимо заранее получить входные купоны в специальной кассе. Следует также иметь в виду, что в случае дождя — а в конце аргентинского лета такую возможность исключать, увы, не приходится, — все мероприятия под открытым небом отменяются.

Марита Губарева Фото Андрея Семашко

Читайте также на сайте «Вокруг Света»:

Аргентина. Танго

Аргентина. Танго (2)

Столкновение на встречных курсах

В 2008 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН, расположенном на границе Швейцарии и Франции вблизи Женевы, начнет работать на полную мощность Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadronic Collider) — главный физический эксперимент десятилетия. С ним специалисты связывают надежды на новую революцию в физике микромира. За сто лет, в течение которых человечество изучает элементарные частицы, ускорительная и регистрирующая техника прошла огромный путь. Ее развитие опиралось на многочисленные научные достижения и инженерные решения и ознаменовалось несколькими нобелевскими премиями. Создание коллайдера LHC вместе с гигантскими детекторами — это одна из самых сложных научно-технических задач, которые когда-либо предстояло решить.

Задача ускорителя — разогнать частицы до большой энергии, столкнуть их друг с другом, а затем — дать ученым посмотреть, что из этого выйдет. Однако первоначально целью физиков было — не разломать атомы и ядра, а разглядеть их «внутреннее устройство». Ускоритель, словно микроскоп, позволяет увидеть чрезвычайно мелкие детали строения вещества.

Когда мы рассматриваем маленький предмет в микроскоп, мы освещаем его и наблюдаем, как свет отражается или рассеивается на предмете. Но у микроскопа есть физическое ограничение: в него нельзя увидеть объекты размером меньше длины световой волны. Для видимого света это примерно полмикрона.

Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет« «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются. Чем больше энергия электронов, тем меньше их длина волны, а значит, мельче детали, которые можно увидеть. Энергия в несколько килоэлектронвольт позволяет« «разглядеть» отдельные крупные молекулы. Атомное ядро« «видно» только на ускорителе при энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт, а структуру протона можно изучать, лишь достигнув энергии около 1 ГэВ. (Энергия в 1 электрон-вольт равна 1,6.10-19 Дж.)

  

Модель распада бозона Хиггса, который (возможно) удастся зафиксировать на детекторе CMS Большого адронного коллайдера

Превысив энергию в 1 ГэВ, физики словно открыли новую, неведомую ранее грань нашего мира. Протоны и нейтроны стали разрушаться, и в столкновениях рождались и распадались новые нестабильные частицы. Чем выше была энергия, тем более тяжелые и «удивительные» появлялись частицы. Поначалу специалисты были этому не слишком рады: одно дело, когда весь мир состоит из электронов, протонов и нейтронов, а другое — когда в эксперименте вы получаете еще пару сотен нестабильных частиц. Но постепенно ситуация прояснилась, и сейчас мы знаем, что эти нестабильные частицы во многом определяют строение нашего «обычного» мира.

Именно поэтому главная задача ускорительных экспериментов сегодня — разогнать частицы до максимально высокой энергии и проникнуть в мир тяжелых частиц. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе позволит изучить неведомый ранее мир частиц с массой около 1 ТэВ. Физики уверены, что именно в этой области масс будет обнаружен предсказанный теоретически, но до сих пор неуловимый бозон Хиггса, дающий ключ к окончательному пониманию слабых и электромагнитных сил и одновременно открывающий новые перспективы для развития физики микромира.

Большой адронный коллайдер

Характеристики LHC впечатляют. В каждой из двух кольцевых труб длиной 27 километров будет циркулировать протонный пучок, состоящий из 2 808 сгустков по 100 миллиардов протонов в каждом. Его поперечник 0,03 мм, а суммарная масса всех протонов в пучке меньше 1 нанограмма (10-9 г) — легче пылинки, но в них запасена чудовищная энергия: 300 мегаджоулей, что сопоставимо с кинетической энергией самолета или 100 кг тротила. Не удивительно, что предусмотрены все возможные меры безопасности, начиная от системы слежения за пучком и заканчивая специальным« «аварийным выходом» для него: в случае дестабилизации пучка специальные магниты в считанные доли миллисекунды уведут его по длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромной графитовой мишенью. Еще большая энергия — 10 миллиардов джоулей — запасена в нескольких тысячах сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре лишь на два градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре жидкий гелий, используемый для охлаждения, становится сверхтекучим и у него резко повышается теплопроводность, что помогает охлаждать установку. Все эти магниты уже смонтированы и в целях безопасности тестируются на «выживание» в разных нештатных ситуациях. Несмотря на огромные размеры и энергии, LHC является чрезвычайно точным прибором. Достаточно сказать, что для его успешной работы придется принимать во внимание и положение Луны и Солнца. Вызываемые ими приливы в литосфере ежедневно поднимают и опускают окрестности Женевы на 25 см. В результате периметр ускорительного кольца меняется примерно на один миллиметр, а это будет приводить к небольшим изменениям энергии пучков.

От кинескопа до коллайдера

Простейший ускоритель состоит из... одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.

Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.

Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.

10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

  

Американский физик Эрнесто Орландо Лоуренс, создатель первого циклотрона (внизу). Построенный в 1930 году этот прибор легко умещался на ладони 

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1928 году, хотя идеи о «протонной карусели» в магнитном поле ранее высказывались норвежцем Рольфом Видероэ (Rolf Wideroe). Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, дуантов, внутри которых вращаются частицы. На края зазора подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что пока скорость электронов существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в диаметре и разгонял частицы до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался сопряжен со слишком большими техническими сложностями (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали). Чтобы избавиться от этих проблем вместо огромного диска частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускоритель такого типа получил название синхротрон. В основе многих современных ускорителей, в частности в основе LHC, лежит принцип синхротрона.

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную мишень, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. Поэтому в коллайдерах могут возникать намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

Чудеса на виражах

Типичный ускорительный комплекс представляет собой длинный кольцевой туннель с двумя вакуумированными трубами, по которым в противоположных направлениях движутся частицы. Эти кольца не идеально круглые, а, скорее, представляют собой скругленные многоугольники. На скруглениях стоят поворотные магниты, которые меняют направление пучка, а на прямых участках расположены ускоряющие элементы — клистроны, корректирующие магниты, система «впрыскивания» частиц из предварительного ускорителя, а также вспомогательная аппаратура. В нескольких точках два кольца пересекаются — именно там происходят столкновения встречных частиц, результаты которых изучаются расположенными тут же детекторами.

Успешная работа ускорителя опирается на целый ряд нетривиальных технических ухищрений. Например, в современных ускорителях пучок толщиной меньше волоса распределен вдоль кольца не равномерно, а собран в отдельные короткие сгустки, следующие друг за другом — так удобнее ускорять частицы. Но одноименные заряды, как известно, отталкиваются, и потому сгусток имеет тенденцию расплываться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Для компенсации продольного расплывания был придуман метод автофазировки: ускоряющее поле в клистроне прикладывается таким образом, чтобы подгонять отставшие частицы чуть сильнее, а убежавшие вперед сгустка — послабее. С расплыванием в поперечном направлении справляются с помощью магнитного поля сложной формы, которое фокусирует проходящий сквозь него пучок. Такое поле действует на пучок, словно собирающая линза на луч света, его так и называют: магнитная линза.

У протонных коллайдеров есть еще одна проблема: пучок оказывается слишком «горячим» (с большим разбросом по кинетической энергии протонов из-за их поперечного движения). Магнитные линзы ограничивают его расплывание ценой нарастания поперечных колебаний. Справиться с этой проблемой помогла идея электронного охлаждения протонов, выдвинутая советским физиком Г.И. Будкером в 1966 году и экспериментально реализованная в 1974 году под его же руководством в Институте ядерной физики в Новосибирске. На одном из линейных участков рядом со сгустком протонов «впрыскивают» холодный сгусток электронов (они, в отличие от протонов, хорошо охлаждаются сами по себе), движущийся примерно с той же скоростью. Какое-то время они, перемешиваясь, летят вместе, и протоны охлаждаются за счет столкновений с электронами, после чего сгустки вновь разделяются в магнитном поле.

  

Большой дипольный магнит, последним (из 1 700) уложенный в тоннель Большого адронного коллайдера в апреле 2007 года 

Интересно, что в электронных коллайдерах проблем с охлаждением нет. Любая движущаяся заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, которое перемещается вместе с ней. Однако на поворотах часть этого поля« «отрывается» от частицы и, став свободным электромагнитным излучением, улетает вперед. Это излучение называется синхротронным. Величина заряда у протонов и электронов одинаковая, а вот масса различается почти в 2 тысячи раз. Поэтому в сопоставимых экспериментах легкие (и куда более быстрые) электроны тратят на излучение на несколько порядков больше энергии, чем протоны. Благодаря этому электронный пучок легко остывает (в нем затухают поперечные колебания), но одновременно с этим он и тормозится, сводя на нет все усилия по его ускорению. Именно по этой причине Большой электрон-позитронный коллайдер LEP в ЦЕРНе с энергией электронов 100 ГэВ, в туннеле которого теперь размещается LHC, считается последним из поколения гигантских кольцевых электронных ускорителей.

Дальше увеличивать энергию электронов можно, лишь отказавшись от поворачивающего магнитного поля, то есть вернувшись к линейным ускорителям. Проекты таких линейных электрон-позитронных ускорителей сейчас активно разрабатываются, и вполне вероятно, что они начнут строиться лет через десять. Однако и здесь энергии больше 1 ТэВ кажутся недостижимыми.

Прорыв может обеспечить только принципиально новая методика ускорения электронов. Стандартная технология позволяет частицам набирать примерно по 50 МэВ на метр пути внутри клистрона. Однако в последние годы активно разрабатывается новая, лазерно-плазменная методика ускорения. В ней с помощью короткого лазерного импульса в облаке плазмы возбуждается сильное возмущение электрического поля. Пролетающий сквозь плазму сгусток электронов может быть подхвачен этим возмущением и очень резко ускориться. На сегодня уже достигнуты впечатляющие результаты: прирост энергии на целый гигаэлектронвольт на пути всего несколько сантиметров! Правда, для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще много трудностей: научиться состыковывать друг с другом множество ускоряющих модулей и справиться с большим разбросом по энергии частиц в пучке.

  

Полное сканирование тела методом позитронноэмиссионой томографии

Ускорители и детекторы в медицине

В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины. Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли. Другое медицинское применение ускорителей — создание прямо в медицинском центре короткоживущих изотопов-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей даже при сверхнизкой концентрации радиоизотопов. Именно этот метод лежит в основе позитронной томографии. Впервые ее опробовали в ЦЕРНе в 1977 году, а сейчас используют в некоторых клиниках Европы. Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.

Взять с поличным

Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.

На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.

Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.

Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.

Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром

Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.

Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.

Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.

Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.

Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.

На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде. В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет (черенковское излучение) под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.

Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01–1,05. Но ничего подобного в природе не существует (например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001), и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом». В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз плотнее воздуха.

Наконец, внешние слои детектора состоят из нескольких разных калориметров — приборов, измеряющих энергию частиц. Эти компоненты детектора обязаны стоять самыми последними, поскольку для надежного измерения энергии частица должна полностью поглотиться калориметром и передать ему всю свою энергию. Для этого на пути частицы ставятся слои вещества с тяжелыми атомами, при столкновении с которыми порождается лавина вторичных частиц. Лавина застревает в детекторе, и вся ее энергия переходит частично в тепло, а частично — в свет. Эту вспышку улавливают фотоэлектронные умножители. Они превращают ее в электрический сигнал, измеряя который можно с хорошей точностью рассчитать энергию первоначальной частицы.

Все это — стандартная начинка современного детектора, его «анатомия». Но есть еще большая интересная тема, связанная с его «физиологией», с тем, что в нем происходит непосредственно в ходе эксперимента. Сгустки частиц сталкиваются внутри детектора миллионы раз в секунду, и при этом либо рождаются новые частицы, либо происходит упругое рассеяние частиц сгустка. Каждый такой процесс оставляет в разных компонентах детектора много информации. За какие-то доли микросекунды требуется не только собрать всю эту информацию и подготовить детектор к приему следующих частиц, но и успеть предварительно обработать полученные данные. Детектор буквально напичкан сложнейшей электроникой. Важнейшая из электронных систем называется триггером. Он на лету отбирает из всего потока события, интересные с точки зрения физики. Если бы не этот отбор, система хранения данных просто захлебнулась бы чудовищным потоком информации от детекторов. Поэтому создание эффективного триггера — один из важнейших этапов конструирования детектора.

Но даже после отсева объемы получаемой информации остаются огромными. Ожидается, что с LHC будет поступать порядка 10 петабайт (10 миллионов гигабайт) данных в год — грубо говоря, по DVD-диску в несколько секунд. Чтобы осмыслить такое количество информации, потребуется порядка сотни тысяч сегодняшних процессоров, участие в работе примут исследователи со всего мира, а хранение и обработка информации будет вестись с опорой на создаваемую сейчас GRID-технологию, которая обеспечивает глобальное использование распределенных вычислительных ресурсов.

Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук

Читайте также на сайте «Вокруг Света»:

Элементарная вселенная

Эффекты ГРИД-среды

Исцеляющий обман

Знаменитый мюнхенский врач-гигиенист Макс Петтенкофер 7 октября 1892 года провел эксперимент, который, по его мнению, должен был окончательно опровергнуть модную теорию Роберта Коха о том, что холера вызывается попаданием в организм специфического микроба. Получив из лаборатории Коха в Берлине культуру холерного вибриона, доктор Петтенкофер развел ее в стакане воды и в присутствии нескольких коллег-медиков выпил получившуюся взвесь до дна. Несмотря на то что в стакане содержалось огромное число микробов, маститый врач так и не заболел холерой.

Cейчас достоверно известно, что Кох был абсолютно прав, и только чудо уберегло доктора Петтенкофера. Одни предполагают, что сотрудники Коха, догадываясь о его намерениях, нарочно прислали ему ослабленный штамм, чтобы не подвергать его опасности. Другие — что сыграли свою роль остатки временного иммунитета, приобретенные во время заболевания холерой в юности. Но в истории медицины этот драматический случай остался прежде всего как ярчайший, хотя и не вполне типичный пример так называемого эффекта плацебо.

Слово «плацебо» в буквальном переводе с латыни означает «понравлюсь». Название на первый взгляд кажется странным, но легко объясняется. В медицинской лексике XIX века так назывались таблетки-пустышки (официальный термин «плацебо» впервые зафиксирован в 1894 году), которые врачи того времени выдавали мнительным и капризным пациентам. Плацебо применялось в тех случаях, когда врач был уверен, что его подопечный лишь воображает себя больным, но не желал говорить ему об этом прямо. Вот тут таблетка, выглядящая совсем как настоящая, но не содержащая ничего, кроме нейтрального наполнителя, например сахара, мела, глюконата кальция, порой творила настоящие чудеса — важно было лишь убедить пациента, что ему дали эффективное средство от его болезни. Конечно, сами врачи к таким исцелениям всерьез не относились: что удивительного в том, что фиктивное лекарство победило фиктивную болезнь?

Но в конце 1930-х годов английский статистик Брэдфорд Хилл предложил методику «рандомизированных (случайных) контролируемых испытаний», позволяющую объективно оценивать действенность любых лекарств, процедур и воздействий. Одно из условий таких испытаний — наличие контрольной группы. Если пациентам из экспериментальной группы проверяемое лекарство вводится в форме таблеток, то и контрольная группа должна получать таблетки, точно такие же по виду, весу и вкусу, только без проверяемого лекарства. При этом участники испытаний (не только пациенты, но в идеале и сами врачи) не должны знать, кому дают «настоящее» лекарство, а кому — плацебо.

Большинство общеизвестных, давно применяемых лекарств и по сей день не прошло такой проверки, но для фармацевтических новинок такой подход постепенно стал чем-то вроде правил хорошего тона. И чем чаще проводились такие испытания, тем чаще исследователи замечали, что состояние некоторых больных в контрольной группе в ходе «лечения» улучшалось. Конечно, слабее, чем у тех, кого лечили настоящим лекарством, но заметно и достоверно. Еще в 1946 году Корнеллский университет провел первый симпозиум по влиянию плацебо на больного. А в 1955 году бостонский врач Генри Бичер опубликовал статью о результатах 15 клинических испытаний, в которых обнаружилось, что примерно трети пациентов пустышки приносили заметное улучшение. В своей статье Бичер назвал этот феномен «эффектом плацебо».

  

Для некоторых пациентов сам факт проведения операции — мощнейший исцеляющий стимул

За прошедшие с тех пор полвека это словосочетание стало не только широко известно, но и значительно расширило свой первоначальный смысл. Выяснилось, что улучшать состояние больного могут не только таблетки-пустышки, но и любые другие процедуры или манипуляции: от инъекций, вводящих в организм чистый физраствор или не вводящих вообще ничего, до хирургических операций по принципу «разрезали, посмотрели, зашили». Таким же действием обладают и чисто диагностические операции вроде простого измерения температуры. Есть даже исторический анекдот: пациент, умиравший от непонятной болезни, пошел на поправку после того, как знаменитый терапевт, остановившись на мгновение у его койки, бодро произнес вслух: «Exitus letalis» (летальный исход).

Говоря о медицине прошлых веков, один из самых авторитетных исследователей эффекта плацебо, Ховард Броди, делает вывод: большинство лекарств, применявшихся медиками даже в середине просвещенного XIX столетия (не говоря уж о более ранних эпохах), в действительности были плацебо. Оказывается, те самые врачи, что смеялись над чудодейственным исцелением мнимых больных таблетками-пустышками, настоящим больным прописывали чаще всего ничуть не более действенные снадобья, которые сегодня были бы признаны в лучшем случае чем-то вроде пресловутых биодобавок. И если люди все-таки выздоравливали и не отказывались от услуг врачей, то только благодаря эффекту плацебо. Еще больше была роль этого эффекта во всякого рода шаманских и знахарских практиках.

Пределы возможного