Большой адронный микроскоп

Тренды
Москва, 08.07.2010
«Русский репортер» №26 (154)
Большой адронный коллайдер работает уже четыре месяца. Сталкиваются на огромных энергиях пучки протонов, рождаются новые элементарные частицы, детекторы их регистрируют. Ученые всей планеты уверены, что теперь физика будет совершенно другой. Так и говорят: новая физика. О том, какой она станет, мы расспросили ученых из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В этом институте работают люди, имеющие непосредственное отношение к Большому адронному коллайдеру: инженеры, строившие детекторы, теоретики, предлагающие модели для проверки, экспериментаторы, проверяющие эти модели

Видите? В ЦЕРНе включили установку. Пошли измерения частиц, которые летят к нам из космоса. Так проверяется система, — говорит Сергей Шматов, координатор группы физиков, работающих в проекте с поэтическим названием «Компактный мюонный соленоид». Это один из четырех главных детекторов Большого адронного коллайдера в Европейском центре ядерных исследований. Установка в Швейцарии, а сюда, в Дубну, на плазменный экран во всю стену идут данные: схемы, таблицы, столбики цифр. Все это хозяйство находится на четвертом этаже Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.

В Дубне в нескольких корпусах можно посмотреть, что происходит на разных детекторах в Швейцарии. Сейчас в огромном институте трудно найти человека, никак не связанного с главным физическим экспериментом века — Большим адронным коллайдером. Именно оттуда ждут результатов, которые завершат так называемую Стандартную модель и начнут «новую физику».

Стандартная модель

— Сегодня центром физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она начала складываться, когда число открытых частиц перевалило за сотню и их пришлось классифицировать. Получилось что-то наподобие таблицы Менделеева, — говорит Дмитрий Казаков, главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики (ЛТФ). — Эта модель почти завершена, но у нее не хватает одного кирпичика — правда, очень существенного. Называется он бозоном Хиггса и должен отвечать за то, чтобы у других частиц была масса.

Стандартная модель… Наверное, каждый журналист, работающий в научпопе, хоть раз да написал это словосочетание. С одной стороны, штука действительно простая: всего несколько элементов, а с другой — над ее созданием билось несколько поколений физиков в тысячах лабораторий мира. Вся вторая половина прошлого века была положена на построение этой модели.

— Думаю, рассказать о Стандартной модели можно даже дошкольнику, — говорит Алексей Гладышев, старший научный сотрудник ЛТФ. — Вы говорите: «Мир состоит из атомов». Дальше рассказываете, что атом состоит из ядра и электронов, ядро атома — из протонов и нейтронов. И под конец сообщаете: «А протон состоит из трех кварков». Ну вот, считайте, про кварки вы ему рассказали. Потом вы можете сказать, что они притягиваются друг к другу точно так же, как притягиваются магниты. И это будет почти правда. Кстати, я с удивлением обнаружил, заглянув в книжный магазин и полистав учебник по физике, что этому уже учат в школе. Пожалуйста, в конце учебника параграф «Стандартная модель». И выражения «за пределами Стандартной модели», «великое объединение», «суперсимметрия» присутствуют.

Если излагать то же самое «понаучнее», получится вот что.

Стандартная модель описывает элементарные частицы и взаимодействия между ними. Частицы — это кварки, их всего шесть видов, и лептоны, например электрон и нейтрино, их тоже шесть. А переносчиков взаимодействий четыре. Электромагнитное, например свет, его переносчик — фотон. Два переносчика слабых взаимодействий — W- и Z-бозоны. И глюон — переносчик сильных взаимодействий. Как раз сильные взаимодействия удерживают кварки внутри протонов и нейтронов. По три кварка. И должен еще быть упомянутый Казаковым бозон Хиггса.

Физика без Дарвина

Отдельного кварка в природе не существует. Только пары или тройки. А связывают их переносчики-глюоны. Причем связывают жестко, как тросом: растянуть нельзя, но можно порвать. И тут выясняется, что с гордостью физиков, Стандартной моделью, не так все благополучно, как представляется в школьных учебниках.

— Кварк можно увидеть только внутри сложной частицы, например протона, — объясняет Олег Теряев, начальник сектора ЛТФ, только что получивший премию за «разглядывание» кварков внутри протонов. — И то, что он не вылетает из частицы, — в этом состоит явление так называемого конфайнмента — удержания. Но это и хорошо. Кварки очень легкие, и вся масса протона или нейтрона — это, по сути, энергия.

Тут вспоминается знаменитое E=mc2, то есть масса переходит в энергию и обратно. Когда-то это вдохновило физиков на создание оружия массового поражения…

— Если, скажем, взрывается ядерная бомба, то выделяется энергия, которая весит всего проценты от массы, — продолжает Теряев. — А если бы вылетели кварки, выделилась бы вся энергия — была бы ужасная кварковая бомба, которая бы все взорвала. Так что очень хорошо, что есть конфайнмент. Но теории этого явления пока нет. Сейчас квантовая хромодинамика — наука, которая это изучает, — похожа на биологию до теории Дарвина. Тогда ведь тоже были подробные классификации, но не было единого принципа. Самое замечательное, что уже сейчас понятно: решение проблемы конфайнмента будет совершенно неожиданным. Представляете? Заранее известно, что оно будет неожиданным!

Чуть-чуть — и получилась Вселенная

Кроме конфайнмента есть и другие проблемы. Например, Александр Нагайцев, начальник сектора структуры частиц (звучит-то как!), рассказывал нам о так называемом спиновом кризисе, начавшемся в 1989 году и так до сих пор не преодоленном. Суть его в следующем. У частиц есть характеристика — спин, что-то вроде скорости вращения. Но если сложить из кварков протон, то его спин не будет равен сумме спинов кварков. Нагайцев с коллегами преодолевают кризис на, как он выразился, «одном из старинных, древних ускорителей», расположенном в том же ЦЕРНе.

Другая вещь, под которую в Дубне строится целый ускоритель NICA (об этом ускорителе «РР» рассказывал Алексей Сисакян в интервью, опуб­ликованном в № 17–18), — кварк-глюонная плазма. Материя в ранней Вселенной состояла не из протонов, нейтро­нов и прочих составных час­тиц, а из эдакой кварковой каши. По идее, кварки
по отдельности существовать не должны, но в кварк-глюонной плазме им это как-то удается.

То есть Вселенная вначале была просто точкой. Потом сформировалось нечто — эта самая кварк-глюонная плазма. Из нее появились протоны и нейтроны, а также антипротоны и антинейтроны. Но вдруг по не вполне понятным причинам вещества во Вселенной стало больше, чем антивещества.

— Если бы был полный баланс вещества и антивещества, то не было бы никакой Вселенной и нас с вами, все бы аннигилировало, — говорит Владимир Кекелидзе, директор Лаборатории физики высоких энергий.— Были бы просто сгустки энергии. Но вещества стало чуть-чуть больше, чем антивещества. Это чуть-чуть и есть вся Вселенная. Мы хотим изучить фазовый переход между кварковым вещест­вом и обычным, сейчас Стандартная модель ничего не может про это сказать.

Сказать заранее, насколько фундаментальны пробелы в теории, не возьмется никто. В конце концов, Максу Планку в свое время тоже говорили, что теоретическая физика завершена и потому, молодой человек, заниматься ей бесперспективно: остались лишь частности. А он через несколько лет произнес слово «квант» и открыл физику ХХ века.

Суперсимметричная и темная

Конфайнмент конфайнментом, а бозон Хиггса искать нужно. Потому что это последняя час­тица в Стандартной модели и одновременно начало физики за ее пределами.

— Сейчас люди пари заключают, откроют его или не откроют, — говорит теоретик Казаков. — Либо мы его найдем, либо что-то придется менять в концепциях. Для поисков этой час­тицы разрабатываются всевозможные гипотезы и модели. Конечно, модели одним Хиггсом не ограничиваются. Они предсказывают, например, какие будут массы у новых частиц, где они будут рождаться. Обычно мы так и называем эту новую область: новая физика.

Искать частицы и подтверждать модели физики будут на Большом адронном коллайдере. Впрочем, почему «будут»? Уже. Установка работает с марта, но мы так долго ждали ее пуска, что привыкли говорить о нем в будущем времени…

Самая популярная модель для экспериментальной проверки — «суперсимметрия частиц». Кабинет Казакова, например, увешан афишками научных конференций «Super symmetry-82, 83… 2009». Так что модель ждет проверки давно. Только прибора не было.

Симметрии — одна из главных вещей в физике. Левое — правое, осевая… Допустим, протон и нейтрон можно описать одной и той же формулой, если отбросить значения заряда. Но это просто симметрия, доступная нам в обычных условиях. А дело происходит в Большом адронном коллайдере, где может появиться симметрия с приставкой «супер-». И у уже известных частиц родятся принципиально новые партнеры. Как и протон с нейтроном, их связывают общие формулы, только более глобальные и позволяющие объяснить чуть ли не весь мир. Коллайдер воспроизводит условия, которые существовали бог знает когда, еще до кварк-глюонной плазмы. Тогда все было единым целым. Вот это целое физики и ищут.

— Теория суперсимметрии красивая. А красивые теории, как правило, подтверждаются, — говорит Алексей Гладышев. — Наглядно можно объяснить так. Представьте себе, например, конус. Смотрим сбоку — треугольник, а повернули дном — круг. Опять повернули — и опять треугольник. То есть, казалось бы, совсем разные, непохожие фигуры, круг и тре­угольник, а все вместе — конус. Так и у частиц. Мы что-то изменяем в формуле — получаем суперчастицу. Например, одна из предсказанных суперчастиц — нейтралино. Это суперпартнер фотона, кванта света, и прекрасный кандидат на темную материю. Вы про темную материю слышали?

Еще бы не слышали! Темная материя — это «недостающее вещество» Вселенной. Ее должно быть больше обычной, видимой, в пять раз. Частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, поэтому о ее существовании узнали только по наблюдениям за галактиками. Галактики движутся по космосу так, как будто их масса в несколько раз больше массы всех звезд и видимой пыли, из которых они состоят.

— Мы сейчас предполагаем, что есть такие частицы, которые приблизительно в сто раз тяжелее, чем протон, — говорит Казаков. — Они летают в нашей галактике. Значит, наша галактика — это такой диск из светящейся материи, внутри которого находится плотный шар. Так устроена видимая ее часть. Предполагается, что вокруг нее существует шарообразное гало, в котором носятся туда-сюда во всех направлениях частицы этой самой темной материи. Так же и в других галактиках. Вполне возможно, темную материю обнаружат на Большом адронном коллайдере.

Многомерный гравитон и параллельные миры

Практически все ученые в Дубне уверены, что работа Большого адронного коллайдера выведет физику за Стандартную модель. И ждут, что откроется такая экзотика, о которой мало что известно сейчас. В Лаборатории физики высоких энергий — той самой, где нам на экране показывали прямую трансляцию из швейцарского ускорителя, — несколько исследователей занимаются крайне необычными вещами (если считать обычным все, про что мы рассказывали выше).

— На Большом адронном коллайдере проводят четыре больших эксперимента, два из них представлены в нашей лаборатории. Например, в «Атласе» около трех тысяч физиков участвуют, 160 институтов из 33 стран, — говорит Александр Чеплаков, начальник сектора Physician Atlas. — «Атлас» — это такая бочка 20 метров в диаметре и 40 метров в длину, напичканная всевозможными детекторами. «Компас» немножко поменьше. И сначала все мы ждем, конечно, бозон Хиггса. А дальше… у нас большой кусок посвящен экзотической физике.

— Хотите все опровергнуть? — спрашиваем.

— Не то чтобы… К примеру, основным недостатком Стандартной модели является то, что она не описывает гравитацию. То есть масса есть, мы ее видим, но в формулах ее нет. Бред!

— Думаете гравитон обнаружить?

— Да. Но не просто какой-нибудь там гравитон, а многомерный гравитон!

— Как, извините?

— Вот смотрите. — Чеплаков берет в две руки две конфеты, лежащие на столике. — Допус­тим, у вас двухмерная поверхность, и вы сталкиваете двухмерные объекты. (Сталкивает конфеты.) Как только вы сообщили энергию, достаточную для того, чтобы почувствовать третье измерение, у вас может произойти что? (Конфеты сталкиваются.) У вас может объект, который родился здесь, в месте столкновения…

— Упасть со стола?

— …исчезнуть со стола и путешествовать в третьем измерении. Если ударять протоны друг в друга, чем мы и занимаемся на Большом адронном коллайдере, то при столкновении может родиться такая частица, которая уйдет в другое измерение. В четвертое, в пятое… Мы это приборами можем обмерить и обнаружить гравитацию, как раз многомерный гравитон.

Как нам объяснила теоретик группы Мария Савина, дополнительные измерения (по-прос­тому — параллельные миры) очень маленькие, меньше молекул нашего трехмерного мира — от микрона до 10-13 см. Поэтому никакой жизни там, конечно, быть не может. Но элементарные частицы могут эти измерения «чувст­вовать». Есть такие модели, в которых частица может уйти в дополнительное измерение, покрутиться там и вернуться обратно, а есть такие, в которых частица навсегда уходит в дополнительное измерение и никогда не возвращается.

— Дополнительные измерения — это только одна из концепций, — говорит Савина.— Есть много экзотических конструкций. Еще, например, мы занимаемся весьма экзотическими сигналами, которые называются «многомерные черные дыры». Такая дыра, забыв обо всех законах сохранения и правилах отбора, рождает кварки, электроны, гравитоны — в общем, все что можно…

Пока вся эта экзотика лишь предположения физиков-теоретиков. Для Большого адронного коллайдера это физика не первого дня — надо набрать много статистики.

В жизни можно сделать только пять экспериментов

— Основная проблема, которую физике преподносят теоретики, — это количество моделей, которые они придумывают: красные, белые, такие, сякие… Так устроен бизнес в науке. Народ любит спекулировать. К сожалению, проверять модели сложно, а многие при наших сегодняшних ресурсах в принципе не проверяются, — говорит Вадим Бедняков, заместитель директора по научной работе Лаборатории ядерных проблем.

Бедняков — теоретик, но руководит экспериментаторами. Вместе с коллегами он проектировал и строил установки для Большого адронного коллайдера, на которых должна обнаружиться новая физика. Общаемся с коллегами, Алексеем Жемчуговым и Артуром Ткаченко, обоим на вид максимум по двадцать пять.

Заговорили об экспериментаторах, и выяснилась поразительная вещь: Жемчугов три года склеивал алюминиевые трубочки — детекторы для церновского «Атласа» делал. То есть три года по восемь часов, как на заводе: 83 камеры с точностью 10 микрон. А сейчас отрабатывает регулярные дежурства в Швейцарии — если что-то ломается, исправляет.

— Это абсолютно новые коробочки с новыми свойствами, с новыми возможностями! — вступился за коллегу Бедняков, когда мы сказали, что «клеить коробочки» — работа не слишком интеллектуальная для научного сотрудника. Потом мы осторожно поинтересовались, сколько времени занимает один такой цикл работы экспериментатора.

 Обычный эксперимент занимает 10–15 лет, ответили нам. А так как иногда эксперименты идут параллельно, то жизнь экспериментатора — это 4–5 экспериментов.

— Не страшно?

— Нужно правильно выбирать эксперименты.

Дубна — это в основном экспериментаторы. Здесь и своих установок, действующих и проектирующихся, достаточно. И все тысячи исследователей вот так и работают: вся жизнь — несколько проектов.

Полное непонимание

Конечно, задали мы физикам и глупый воп­рос (если все прочие считать умными): если все явления природы взять за единицу, то какую часть мы уже точно знаем и можем объяснить?

— Знать — значит уметь воспроизвести, — ответили нам. — Слышали шутку по этому поводу? Раз в несколько миллиардов лет собираются физики и запускают Большой адронный коллайдер… Нормальное состояние ученого — это полное непонимание.

Фотографии: Алексей Майшев для «РР»

У партнеров

    «Русский репортер»
    №26 (154) 8 июля 2010
    Жара
    Содержание:
    Фотография
    От редактора
    Вехи
    Репортаж
    Путешествие
    Реклама