«Переводы»: Почему мы можем перестать волноваться и полюбить ускоритель заряженных частиц?

Об авторе: Джоэл Фрёлих – аспирант Калифорнийского университета (Лос Анджелес), где он изучает биомаркеры расстройств аутистического спектра. Фрёлих также является ведущим редактором образовательного интернет-ресурса «Knowing Neurons».

Опасны ли ускорители частиц?

Что произойдет, если вы поместите свое тело в ускоритель заряженных частиц? Такой сценарий напоминает начало какого-нибудь плохого комикса «Marvel», но оказывается, такое происшествие может пролить свет на наши догадки о сущности радиоактивного излучения, об уязвимости человеческого тела, а также о природе материи как таковой. Ускорители частиц позволяют физикам изучать субатомные частицы путем их ускорения под воздействием мощных магнитных полей. В результате этого частицы сталкиваются друг с другом, а ученые затем прослеживают последствия этих соударений. Служа для изучения тайн Вселенной, ускорители слились с «духом времени», обозначив чудеса и страхи нашей эпохи.

Еще в 2008 году Большой адронный коллайдер (БАК), запущенный Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), был осужден за создание микроскопических черных дыр, которые бы позволили физикам обнаружить дополнительные измерения. Для многих это звучит как сюжет научно-фантастического фильма-катастрофы. Никого не удивило, когда двое человек инициировали судебный процесс с целью закрыть БАК и не допустить образования черной дыры достаточной мощности, чтобы уничтожить весь мир. Но физики засвидетельствовали, что эта мысль абсурдна, и иск был отклонен.

Затем, в 2012 году, с помощью БАК был обнаружен давно разыскиваемый бозон Хиггса, частица, необходимая для объяснения того, как частицы обретают массу. Совершив это главное открытие, БАК вошел в популярную культуру; он был изображен на обложке альбома «Super Collider» (2013) хеви-метал группы «Megadeth», а также поучаствовал в развитии сюжета американского телесериала «Флэш» (2014-).

Однако, несмотря на свои достижения и всеобщую притягательность, мир физики элементарных частиц настолько абстрактен, что лишь немногое понимают, в чем состоят перспективы, значение и практическая ценность этой сферы. В отличие от зонда НАСА, отправленного на Марс, изыскания ЦЕРН не проявляются в ошеломляющих материальных образах. Вместо этого наилучшими иллюстрациями исследований в области физики элементарных частиц являются выведенные мелом на доске уравнения и волнистые линии, называемые диаграммами Фейнмана. Лауреат Нобелевской премии Оге Бор, чей отец Нильс изобрел боровскую модель атома, и его коллега Оле Улфбек (Ole Ulfbeck) пошли еще дальше, отрицая физическое существование субатомных частиц вне математических моделей.

Теория и практика несчастных случаев

Это возвращает нас к изначальному вопросу: что случится, если луч субатомных частиц, движущийся почти что со скоростью света, встретится с человеческой плотью? Возможно, по той причине, что физика элементарных частиц и биология – очень далекие друг от друга области, компетенции для ответа на этот вопрос не хватает не только неспециалистам, но и некоторым профессиональным физикам. В 2010 году на YouTube вышло интервью с членами факультета физики и астрономии Ноттингемского университета, в котором несколько экспертов из академической среды признали свою слабую осведомленность в том, что бы случилось, если бы кому-то пришлось поместить свою руку под протонный луч в БАК.

Профессор Майкл Меррифилд (Michael Merrifield) выразился по этому поводу лаконично: «Это хороший вопрос. И ответ таков: я не знаю. Возможно, с вами произойдет что-то плохое». Профессор Лоренс Ивз (Laurence Eaves) также поостерегся делать какие-либо заключения: «Судя по тем масштабам энергии, которые мы замечаем, это не было бы так уж достойно внимания», – сказал он не без доли британской сдержанности. «Поместил бы я свою руку под луч? В этом я не уверен».

Такие мысленные эксперименты могут быть полезным инструментом для изучения ситуаций, которые не могут быть исследованы в стенах лабораторий. Впрочем, иногда аварии становятся поводом для изучения конкретных случаев – когда у ученых появляются возможности исследовать сценарии, которые не могут быть инициированы в рамках эксперимента по этическим причинам. Изучение конкретного случая предусматривает объем выборки в количестве одного и не предусматривает контрольной группы.

Однако, как отмечает невролог В. С. Рамачандран в своей книге «Фантомы мозга» (англ. «Phantoms in the Brain», 1998), достаточно лишь одной говорящей свиньи, чтобы доказать, что свиньи умеют говорить. В сентябре 1848 года, например, железный прут насквозь проткнул голову Финеаса Гейджа, работника американской железной дороги. Это происшествие основательно изменило его личность, предоставив тем самым ранее свидетельство биологической основы личности.

Загадочная история Анатолия Бугорского

13 июля 1978 года советский ученый по имени Анатолий Бугорский просунул голову в ускоритель частиц. В тот роковой день Бугорский работал над починкой оборудования, являющегося частью синхротрона У-70 – самого крупного ускорителя элементарных частиц в Советском Союзе. Внезапно механизм безопасности дал сбой, и луч протонов, движущийся почти что со скоростью света, прошел прямо через его голову в стиле Финеаса Гейджа.

Возможно, на тот момент в истории не было другого человека, который бы испытал на себе сфокусированный пучок настолько мощного радиоактивного излучения. Хотя протонная терапия – лечения рака при помощи сфокусированного пучка радиации, призванного уничтожать опухоли – была разработана еще до несчастного случая с Бугорским, энергия лучей, применяемых при лечении, обычно не превышает 250 миллионов электронвольт (пучок энергии, используемый для малых частиц). Бугорский мог испытать на себе всю ярость луча, который был в 300 раз сильнее – 76 миллиардов электронвольт.

На самом деле, протонное излучение – редкий зверь. Протоны из солнечного ветра равно как и космические лучи блокируются атмосферой Земли, а в радиоактивном распаде протонная радиация настолько редка, что первые ее наблюдения пришлись лишь на 1970 год. Более привычные угрозы, такие как ультрафиолетовые фотоны и альфа-частицы, не могут попасть в тело через кожу, если только радиоактивный источник не будет проглочен.

Русский диссидент Александр Литвиненко, например, был убит путем поражения альфа-частицами – ничего не подозревая, он проглотил радиоактивный полоний-210, принесенный убийцей. Но когда астронавты «Аполлона», облаченные в защитные космические костюмы и скафандры, были подвержены космическим лучам, которые содержали протоны и еще более экзотические формы радиации, они сообщили, что видели вспышки света – предвестник того, с чем столкнется Бугорский в тот роковой день, когда с ним произойдет несчастный случай. Согласно интервью в журнале «Wired» за 1997 год, Бугорский тотчас увидел сильную вспышку света, но никакой боли не почувствовал. Молодого ученого поместили в московскую клинику. Половина его лица вздулась, и врачи ожидали наихудшего.

Такие частицы ионизирующего излучения, как протоны, наносят телу повреждение, разрушая химические связи в ДНК. Такая атака на генетическое программирование клетки может ее убить, привести к тому, что она перестанет делиться, или же вызвать раковую мутацию. Больше всего страдают клетки, которые делятся быстро – например, стволовые клетки в костном мозге. Поскольку клетки крови производятся в костном мозге, то во многих случаях радиационное отравление приводит к инфекциям и малокровию, что является результатом потери лейкоцитов и эритроцитов соответственно.

Но инцидент с Бугорским уникален тем, что излучение было сосредоточенно в форме узкого луча, прошедшим через его голову, а не являлось результатом повсеместного воздействия радиоактивных осадков, как было со многими жертвами катастрофы на Чернобыльской АЭС или бомбардировок Хиросимы. В случае с Бугорским такие наиболее уязвимые ткани, как костный мозг и желудочно-кишечный тракт, могли остаться нетронуты. Но в том месте, где луч пронзил голову Бугорского, объем переданной радиационной энергии был недопустим – по некоторым оценкам он в сотни раз превысил смертельную дозу.

И все же, Бугорский по-прежнему жив. Половина его лица парализована, что придает одному полушарию его головы удивительно молодой вид. Сообщается, что он глух на одно ухо. Также он испытал по крайней мере шесть генерализованных тонико-клонических приступов. Такие приступы более известны как развернутые эпилептические припадки. Они сопровождаются судорогами и потерей сознания, и именно такие приступы чаще всего изображаются в фильмах и на телевидении.

Вероятнее всего, эпилепсия Бугорского является следствием рубцевания мозговой ткани после воздействия на нее протонного луча. Также у Бугорского случаются малые эпилептические припадки: это куда менее серьезные приступы, в ходе которых сознание на короткое время отключается, и человек замирает с отсутствующим взглядом. Нет сведений, что у Бугорского когда-либо был диагностирован рак, хотя такой исход часто является долгосрочным последствием радиационного облучения.

Несмотря на то, что через его мозг прошел ни много ни мало луч ускорителя частиц, интеллект Бугорского остался невредим, и он успешно защитил докторскую диссертацию уже после несчастного случая. Бугорский пережил этот несчастный случай. И как бы страшно и ужасающе не было внутри ускорителя элементарных частиц, человечеству все же удалось пережить ядерный век.

Оригинал