Ускорители прогресса  

/продолжение публикации  на сайте НИЦ "Курчатовский институт"/

(...)

Александр Михайлович Зайцев, заместитель директора ГНЦ ИФВЭ по научной работе, профессор МФТИ, заведующий кафедрой физики высоких энергий:

 

 — Если говорить о физике высоких энергий, то за семь десятилетий она прошла огромный   путь. Открыты фундаментальные физические законы, которые управляют всем нашим   сложным разнообразным миром. Одно из важных недавних научных событий, где все   институты НИЦ «Курчатовский институт», включая наш, принимали серьезное участие, это   открытие в CERN бозона Хиггса. Он отвечает за образование массы элементарных частиц.

/Этот ускоритель до сих пор явояется крупнейшим в стране - примечание публикатора/

  Частицы   имеют массу лишь постольку, поскольку они взаимодействуют с неким   "хиггсовским полем".

 

  — Часто в популярной литературе можно услышать: наконец-то мы поняли, что   управляет массами частиц и откуда произошел мир. Откуда же?

  — Это ошибочное утверждение. На самом деле в протоне, в нейтроне, то есть в частицах, из которых в основном и состоит мир, кварки весят всего-навсего несколько процентов, а остальное — 98% — взялось неизвестно откуда, из вакуума. Таким образом, пустота устроена, оказывается, чрезвычайно сложно.

 

— Мы сейчас говорим о тёмной материи?

— Есть тёмная материя, которая весит в несколько раз больше нашего вещества. Есть тёмная энергия...

 

— …которая разгоняет Вселенную.

— Это нечто с неправильными термодинамическими законами. Но вопрос в другом. Откуда взялись массы частиц? Если кварки, из которых состоит протон, весят в сумме 10 МэВ (10 млн электронвольт), а сам протон весит 1 тыс. МэВ, откуда взялась эта масса? Это абсолютно фундаментальный, важнейший вопрос. И современная наука пытается ответить на этот вопрос - пока не очень успешно. Мы знаем базовую теорию, так называемую квантовую хромодинамику, и есть понимание того, как такое может быть в принципе. Совсем грубый образ: если мы возьмем два тела, которые притягиваются, то обнаружим дефект масс: суммарная масса системы меньше, чем масса в сумме этих двух тел. Но если мы массы тел устремим к нулю, то энергия будет отрицательной. Казалось бы, в такой модели вакуум, чтобы иметь минимальную энергию, должен быть заполнен такими состояниями. Как же такое может быть? Но, оказывается, ровно так мир и устроен. Мы живем не в пустоте. Вакуум — сложное образование, которое нам пока не очень понятно. Осознание этого, с одной стороны, радикально меняет образ окружающего нас мира, с другой — ставит очень серьезные вопросы перед экспериментом. Как такие вещи в принципе можно изучать? Скажем, рыбы плавают в воде и никогда не узнают, что её формула  H₂O. Или птицы — летают и не догадываются, что вокруг них кислород. Мы точно таким же образом существуем в этом вакууме.

 

— И никогда не узнаем, что это такое?

— Нет, узнаем, если будем стараться. В отличие от рыб или птиц мы существа любознательные. А конкретный способ состоит в следующем. В этот вакуум надо помещать разные пробники, которые так или иначе с ним взаимодействуют. И такими пробниками выступают элементарные частицы. Они устроены по-разному. Мы понимаем базовые характеристики этих частиц. И если мы посмотрим, как они живут, что с ними происходит, как они взаимодействуют, каковы их свойства, то сможем создать образ более или менее адекватный тому, как этот вакуум устроен. Именно этим в значительной степени занимается наш институт.  Узнавать эти трудные вещи можно, занимаясь спектроскопией адронов. Это обширная тема, бурно развивающаяся у нас. Есть масса результатов, полученных за длительное время, и мы продолжаем работать.

 

— Есть ли какие-то прорывные результаты?

— В этой области периодически открываются новые состояния, новые короткоживущие элементарные частицы. Такое происходит каждые несколько лет, и эти открытия уже имеют рутинный характер. Обнаружено, что подавляющее большинство наблюдаемых мезонов состоят из кварка и антикварка. Вместе с тем далеко не все можно получить из кварка и антикварка. Оказывается, помимо обычных мезонов существуют некие явления, требующие для своего описания введения частиц, которые никак кварк-антикварковой моделью не описываются. Образно говоря, помимо кварка и антикварка там себя проявляет вот этот вакуум, который «болтается» между ними и каким-то образом возбуждается. Это некое третье тело, которое мы экспериментально наблюдаем, но пока не понимаем, что это такое. Мы видим,  что квантовые числа этой системы не такие, какие могут быть у кварка и антикварка. Это в свое время обнаружено в нашем институте, но понять, как это устроено, — трудная задача. Работа идет, есть успехи, но это отдельная большая тема — экзотические адроны. Из свежих результатов, совсем недавно опубликованных, стоит сказать об ограничении на массу экзотических нейтрино. Мы знаем, что есть три нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все они очень легкие, их массы много меньше одного электронвольта, то есть они в миллионы раз легче электрона. Чудовищно маленькие массы, практически нулевые. С другой стороны, широкий класс моделей требует, чтобы нейтрино были и тяжелые тоже. И указания на возможность существования таких нейтрино есть. Поэтому стоит задача поиска нейтрино, отличных от тех, которые мы знаем. У нас в институте недавно получен интересный результат — ограничение на параметры таких нейтрино. В диапазоне от 200 до 300 МэВ получены лучшие в мире результаты по возможным свойствам таких нейтрино. Это делается на нашей установке ОКА технологически сложным пучком.

 

— Задам дилетантский вопрос. Насколько эти чрезвычайно короткоживущие частицы, которые вы с трудом фиксируете, фундаментально необходимы нашему миру? Или они случайно возникают и так же случайно исчезают?

— Если у вас есть струна, то у неё есть возбуждения. Квантовая физика отличается тем, что эти возбуждения не какие попало, а квантованные. Постоянная Планка управляет всеми возмущениями такого рода. Поэтому если есть система из кварка и антикварка, то с большой вероятностью у неё должны быть возбуждения, подобные тем, что наблюдаются у ядер, атомов, молекул. То есть такие объекты в принципе должны существовать. Вопрос состоит в следующем: какова структура этих объектов, каков потенциал, управляющий этими возбуждениями? И самое удивительное состоит вот в чем. Оказывается, этот потенциал такой, что при увеличении расстояния между кварками сила притяжения не уменьшается, она остается постоянной. И никакой энергии нам не хватит, чтобы их разорвать и получить свободные кварки. Базовые принципы взаимодействия частиц более или менее понятны, а вот конкретика, связанная с взаимодействиями этих частиц, которые в свою очередь определяются на 99% свойствами вакуума, должна быть изучена и понята в полной мере. И здесь есть место для эксперимента.

 

— Нет ли у вас такого чувства, что чем больше вы узнаете, тем меньше вы понимаете?

— Нет, не так. Понимаем-то мы больше, но область исследований тоже расширяется. Это классическая картинка увеличивающегося круга: внутри — то, что знаем, а граница — то, что познаем. Есть еще группа процессов, имеющих отношение ко всему сказанному, — это изучение специальных конфигураций, например в ядрах или других системах из большого количества частиц. Ядро представляет собой как бы мешок с нуклонами — протонами и нейтронами, они взаимодействуют друг с другом, но не слишком связаны. На самом деле, по-видимому, в ядре в тех или иных случаях существуют достаточно компактные конфигурации, можно постараться как-то по ним «ударить» той или иной частицей, чтобы понять их устройство. Изучение этих компактных конфигураций — интересная и важная тема, потому что взаимодействие кварков с вакуумом сильно меняется, если их поместить в очень большом количестве в один небольшой объем. В таких экстремальных условиях возникает свой мир, своя богатая физика. Одна часть её называется кварк-глюонной плазмой, которая возникает при очень высоких энергиях и температурах. Но есть нечто и при низких температурах. 

 

— То есть там кипящий бульон, а то, что вы изучаете, — наоборот.

— Совершенно верно. Если обычное вещество разогреть, электроны отрываются и получается плазма. В нашем случае это другая часть общей термодинамической картинки. Это как лед при высоком давлении.

 

— И что интересного вы там наблюдаете?

— Мы видим удивительные вещи. Когда частица высоких энергий сталкивается с ядром, она отскакивает вбок или вперед и летит с импульсом больше, чем это возможно для упругого рассеяния нуклонов. Это выглядит так, как будто велосипедист столкнулся с каким-то препятствием и вся его кинетическая энергия влетела в очки. Такие явления названы кумулятивными. Они известны уже давно, но нам удалось их изучить при больших переданных импульсах. Тем самым на этом пути мы пытаемся понять такие компактные образования в ядрах. Там много загадок — например, большой выход дейтерия, трития, чего в моделях не было. Это чисто экспериментальные наблюдения. Но и отлаженной теории здесь нет, потому что вся эта наука трудно поддается формализации.

 

— Кварк-глюонная плазма — это состояние Вселенной в момент Большого взрыва. А то, что вы изучаете, существует в природе?

— Это трудный вопрос. Возможно, существует. Например, очень тяжелый объект, который сжимает гравитация.

 

— Черные дыры?

— Нет, скорее нейтронные звезды.

 

— Какие у вас планы на будущее? 

 У нас есть шесть так называемых базовых установок. Какие-то из них заработали лет пять назад, какие-то чуть раньше. Одна установка сейчас запускается. Когда мы говорим о частицах, то понимаем, что у них есть спин — собственный  момент количества движения. При взаимодействии частиц в зависимости от ориентации спинов возникают разные угловые распределения продуктов реакции, которые несут много крайне непростой информации о механизмах взаимодействия.

 /схема экпериментально базы ускорительного комплекса ИФВЭ - примечание публикатора/

Поэтому исследования этих спиновых эффектов — очень большая тема, достаточно трудная, но очень естественная для нашего института. Потому что при наших энергиях эти спиновые эффекты значительны и есть надежда понять такие процессы. Для этих целей сделана специальная установка, которая может мерить почти все, что видно на поляризованной мишени. Сейчас мы работаем над повышением параметров этой мишени. Мы планируем буквально со следующего года начать большую программу исследований с этим спином. Она сулит нам большие научные дивиденды. Кроме того, есть целый ряд других предложений. Например, изучение упругого рассеяния разных частиц на протонах. Такие эксперименты проводились многократно. Но современная техника позволяет сделать это на много порядков лучше, чем это было раньше, — и по количеству зарегистрированных событий, и по систематическим ошибкам, и по кинематическим диапазонам. Это важно, потому что упругое рассеяние говорит о том, как устроена частица. Угловые распределения связаны самым непосредственным образом с конструкцией этих частиц. Поэтому детальное изучение упругого рассеяния с рекордной точностью актуально. Через два-три года можем ожидать серьезных результатов в этой области. Есть и другие задачи. Важнейшая из них — повышение интенсивности ускоренных пучков. По сравнению с тем, что было в проекте 50 лет назад, она выросла, наверное, в те же 50 раз. Для этого сделан бустер, то есть вся система инжекции заменена на новую, заменена вакуумная камера ускорителя… Это весьма масштабные задачи.

Сейчас мы занимается другой системой инжекции, чтобы вместо протонов инжектировать отрицательные ионы водорода, что позволит при достаточно хитрых манипуляциях заметно повысить интенсивность пучков. И у нас есть проект с радикальным повышением этой интенсивности в 50 раз. Мы знаем, как это сделать, но это большая работа, и мы надеемся, что рано или поздно нас поддержат в этом направлении. Понятно, что реализация такого масштабного проекта потребует значительных усилий и средств.

 

— Приходится ли вам отвечать на вопрос, зачем надо всем этим заниматься?

— Да, регулярно. И ответ на этот вопрос у нас есть. История развития цивилизации совершенно определенно говорит нам о том, что все эти достижения передовой науки востребованы, начиная от электричества, радиоволн, ядер и квантовой физики. Вся наша цивилизация на этом держится. Вторая сторона дела состоит в том, что на этом пути возникает масса новых технических приложений. Количество ускорителей в мире исчисляется десятками тысяч. Они для чего только не используются: для лечения людей, для облучения семян, чтобы лучше росли и были крепче зимой, для материаловедения и т.д. Ускорители — важный элемент современных технологий.

 

— И всё это не появилось бы без фундаментальных исследований.

— Да, фундаментальная наука — двигатель прогресса в этой части, и её вторичные продукты очень значимы. Один из ярких, свежих продуктов такого рода — это интернет, без которого мы жить не можем. Он изменил общество. Мы живем в другом мире благодаря интернету, а он был изобретен в связи с потребностями физики высоких энергий. Таких примеров множество.

Но главное, на мой взгляд, состоит в том, что познание мира — это неотъемлемая потребность человека. Знания — необходимый и обязательный элемент человеческой жизни, как еда, воздух или вода. И в этом смысле мы поставщики для общества чего-то самого главного — не только ускорителей, технологий, но и частицы того, что позволяет нам называться людьми.

 

По материалам: Наталья Лескова, Весь текст на сайте НИЦ "КИ" / "В мире науки" №11, 2017/ - здесь