Вечная жизнь электрона и поиски суперсимметрии:
чем интересен микромир? /Редакционное название/
Наш мир, как матрешка: он состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из электронов и ядер, внутри ядра атома — протоны и нейтроны, а внутри них — кварки и глюоны. Все это многообразие описывается Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий.
Самые интересные вопросы микромира — такие как невылетание кварков, продолжительность жизни частиц, поиски суперсимметрии и гипотетических частиц, — мы обсудили (см.) с Владимиром ПЕТРОВЫМ из НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ (Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова) в Протвино.
/Автор интервью Янина Хужина — с Владимиром Петровым. Фото: Николай Малахин, «Научная Россия»/.
Справка. Владимир Алексеевич Петров — доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, один из наиболее цитируемых российских ученых по версии Scopus, руководитель Отдела теоретической физики в НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ.
— В 2012 году на Большом адронном коллайдере был триумфально открыт бозон Хиггса. Группа НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ тоже участвовала в этих исследованиях. В чем заключался вклад вашей команды?
— Бозон Хиггса был заявлен двумя из четырех крупных экспериментов в ЦЕРНе. Это эксперименты АТЛАС и КМС. В обоих экспериментах участвовали группы ученых из нашего Института в Протвино. Они являются соавторами открытия бозона Хиггса. Сегодня я не буду останавливаться подробно на вкладе каждого из них, скажу только, что усилия всех специалистов были огромными: это и создание уникального оборудования, и поставка для ЦЕРНа некоторых материалов, которые не всегда можно получить с оптимальным соотношением цены и качества в Европе, а в России они есть; а также дежурство на сеансах и сложная обработка результатов с помощью компьютеров высочайшего уровня и, конечно, соответствующая теоретическая работа — cловом, практически во всех областях проекта наши специалисты принимали активное участие.
— Поле Хиггса придает массу частицам?
— Грубо говоря, да. Это значит, что если бы этого поля не было, то мы бы с вами, очень условно говоря, могли бы быть очень лёгкими, «летали по воздуху». Не было бы массы у элементарных частиц, у кварков, например. То есть это некое поле, которое как бы разлито по всей Вселенной, и через него протискиваются частицы и тем самым в каком-то смысле приобретают свою массу, инерцию. Но это относится не ко всем частицам. Например, фотон пока что этой участи избежал и остается без массы.
— Бозон Хиггса — это как бы мельчайшая часть, квант этого поля?
— На этот счет есть как минимум несколько версий. Одна из простейших заключается в том, что бозон Хиггса — есть один квант этого поля, один тип. Такая гипотеза пока что находится в согласии со всеми экспериментами. Однако те данные о свойствах этого бозона, которыми мы располагаем, не исключают и других возможностей: например, наличия других типов бозонов такого рода, а также того, что, возможно, этот бозон не является элементарной частицей, а составлен из каких-то других более элементарных. Такая возможность вполне всерьез рассматривается, и в этом смысле вопросов еще достаточно много.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий (см.) — это модель квантовой теории калибровочных полей, описывающая кварки и лептоны и три фундаментальных взаимодействия: слабое, сильное, электромагнитное.
/Схема всего сущего - "Стандартная модель" - из презентации В.А. Петрова/
— Можно ли сказать, что бозон Хиггса в каком-то смысле завершает Стандартную модель, которая описывает весь наш сегодняшний мир?
— Что касается бозона Хиггса, то, да. В той части, которая называется электрослабой частью Стандартной модели (описывает слабое и электромагнитное взаимодействие), а также в рамках сильного взаимодействия, бозон Хиггса стал действительно завершающим элементом. В этом смысле его обнаружение играло центральную роль, поскольку, как мы уже говорили, поле Хиггса дает массы кваркам и другим частицам. Но, если смотреть шире, то для завершения Стандартной модели нам не хватает кванта гравитации — гипотетической частицы под названием гравитон.
Несколько лет назад были открыты гравитационные волны, и в этом эксперименте, кстати, российские ученые тоже участвовали. Но пока что говорить определенно о том, что эти волны проквантованы, мы не можем, какие у них свойства — мы тоже пока не знаем. Этап открытия гравитационных волн я бы мог назвать предпоследним, если включать в Стандартную модель гравитацию, а последним должен стать гравитон.
— Мы с вами сейчас говорим о гравитации как о взаимодействии, а может ли гравитация быть материей, например?
— Гравитация, собственно говоря, всегда рассматривалась как поле. Это сложно объяснить, но гравитацию сейчас большинство физиков общей теории относительности рассматривают по-другому: это даже и не поле, а геометрия — то есть некие функции, которые описывают метрические свойства пространства-времени. И в этом смысле гравитация стоит особняком по отношению ко всей остальной материи.
Создателем и первым директором нашего Института физики высоких энергий был А.А. Логунов. Поскольку по роду деятельности он был теоретиком, то в своё время выдвинул и развил собственную, новую теорию гравитации (РТГ - релятивистскую теорию гравитации), где гравитация была обычным физическим полем и, соответственно, стала альтернативой общей теории относительности.
— Правильно ли я понимаю, что в современной картине мира вся Вселенная состоит из неких полей. Причем какие-то из них являются фундаментальными, а какие-то нет. А сколько всего этих полей существует?
— Дело в том, что основой современной физики элементарных частиц является квантовая теория поля, а в ней разделение на поля и частицы довольно условно. Например: мы привыкли считать, что электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена фотонами — это то, что является силой. Но, с другой стороны, и сами фотоны могут друг с другом взаимодействовать путем обмена электронами и позитронами (позитрон — античастица электрона), и здесь уже электроны и позитроны выступают в качестве полей, переносчиков взаимодействия. Поэтому разделение на частицы и поля довольно условное на самом деле, но оно нисколько не противоречит математическому аппарату квантовой теории поля — там все находится в полной гармонии. Причем в некоторых условиях какие-то свойства частиц могут проявляться корпускулярно: частица может вести себя как точечный объект, а может проявлять свойства волны. Это, впрочем, уже давно известно из квантовой механики.
В сферу главных научных интересов Владимира Петрова входят квантовая хромодинамика, процессы с участием тяжелых кварков, эффекты квантовой гравитации, дифракционные процессы. Работа ученого тесно связана с экспериментами в SLAC (США), HERA (Германия), а в последнее время преимущественно с экспериментами на Большом адронном коллайдере CERN (Швейцария).
— Поговорим об Институте физики высоких энергий. В советские годы здесь был запущен легендарный «Серпуховский синхротрон». Расскажите об этом проекте подробнее..
— В 1967-м году наш Институт запустил ускоритель протонов У-70. На тот момент это был крупнейший ускоритель в мире. Энергия протонного синхротрона составляла 70 ГэВ
(1 ГэВ = 109 электронвольт). Это был юбилейный год, пятидесятилетие революции. Я не скажу, что строительство ускорителя подгоняли специально под эту дату, но открытие его на тот момент пришлось очень кстати.
Представьте себе 70 миллиардов электронвольт – это значит, что электрон пролетает зазор с напряжением 70 миллиардов вольт. Поверьте, это чудовищное напряжение, это огромная энергия! И тогда это был лидирующий в мире по энергии ускоритель. В течение последующих пяти лет он оставался таковым, и за это время мы успели сделать здесь несколько интересных открытий, таких как, например, возрастание полных сечений и радиуса сильных взаимодействий с ростом энергии столкновений или эффект масштабной инвариантности в процессах множественной генерации адронов. Я думаю, что У-70 сыграл важную роль и внес довольно существенный вклад в мировую физику частиц.
/В ускорительном комплексе У-70, фото из архива ИФВЭ/
— А сейчас он по-прежнему работает?
— Да, он работает. На нем ведется ряд экспериментов по разным направлениям, таким как, например, поиск редких распадов К-мезонов или исследование механизмов сильного взаимодействия в столкновениях протонов с атомными ядрами. Но, к сожалению, сейчас его работа по разным причинам сильно затруднена. Если в прошлые годы, не говоря уже о советском времени, на У-70 проводилось несколько сеансов в год, то есть он в это время был «включен» и на нем можно было работать, «набирать статистику», то сейчас это — один раз в год или даже реже. Накапливать необходимую статистику, позволяющую осуществлять надежный физический анализ данных, в таких условиях очень трудно.
— Изначально ускоритель создавался для поиска кварков — неделимых составляющих протонов и нейтронов?
— Да. Кварки были введены в обиход где-то в 1964-м году, в течение последующих нескольких лет они были у всех на слуху, и ученые задавались вопросом: а где эти кварки, как их искать, что они из себя представляют? Поэтому одним из первых экспериментов на нашем ускорителе У-70 как раз и стал поиск частиц с дробным электрическим зарядом — у кварков имеется дробный электрический заряд, кратный 1/3 от заряда электрона. Результат поисков был отрицательным. То есть даже при тех высоких энергиях, которые у нас были, кварки не удалось увидеть. И это стало первым шагом к пониманию феномена, который сегодня называется «невылетанием кварков». Сейчас уже известно, что при существующих в мире энергиях кварки увидеть невозможно, об их существовании мы можем говорить лишь по косвенным признакам. Кварк в эксперименте можно наблюдать как некий шлейф, некий «хвост» из обычных частиц, который тянется за кварками, но конкретно сами кварки мы не видим.
/Слово «кварк» было заимствовано из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Слова «три кварка для мистера Марка!» в романе выкрикивали чайки. Кварк в немецком языке — это творог, в английском — имитация крика чаек, чепуха. Американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Ман предложил использовать слово кварк для обозначения новых элементарных частиц - из презентации В.Петрова/.
Все последующие мировые эксперименты на более мощных ускорителях тоже давали неизменно отрицательные результаты, и в итоге вызрела гипотеза, что кварки вообще невозможно выделить в чистом виде, сфотографировать, грубо говоря. Тривиальный пример, который часто приводится, это пример с полюсами магнитов: если существующие частицы — протоны, пи-мезоны и т.д. — уподобить магниту, а составляющие их — полюсам магнитов, то получается, что вы не можете один полюс отрезать. Вы порежете магнит, а у вас опять появятся два полюса — и так до бесконечности.
— То есть они между собой неразрывно связаны?
— Да. И в этом смысле возникала как раз проблема, которая сейчас сформулирована как одна из выдающихся загадок Стандартной модели — это теория, или проблема невылетания кварков; или quark confinement (пленение кварков), если брать аналогию из английского языка.
На нашем ускорителе У-70 в экспериментальном плане был совершен первый шаг к становлению этой гипотезы, которая сейчас является важнейшей проблемой.
— Эта связь кварков обеспечивается неким «склеивающим», глюонным полем? Прим.: от английского glue (клей).
— Да, согласно современной физической теории, кварки связаны между собой этим глюонным полем. Но свойства этих полей на больших расстояниях несколько необычны: скажем, если электромагнитное поле на больших расстояниях падает, когда вы разводите электрические заряды, то здесь, напротив, сила возрастает: чем больше вы разводите частицы, тем выше сила «натяжения», поэтому кваркам вылететь нельзя. Глюонная «струна», связывающая кварки, может только где-то порваться, родить пару кварк-антикварк, но, опять же, у вас тогда появится не два отдельных кварка, а две пары кварк-антикварк.
— Глюонная связь — основная причина невылетания кварков или это лишь средство?
— Трудно сказать. На вопрос о невылетании кварков, как я уже упоминал, пока не найдено однозначного ответа.
Если говорить о полях, то есть опять возвращаться к теоретической науке, то проблема невылетания кварков — это чисто теоретическая проблема. Экспериментаторы вам говорят, что кварков в свободном виде нет — и точка. Однако строение протонов, пи-мезонов, их масса, свойства — словом, все сообщает о том, что внутри ядра, внутри протонов и нейтронов они есть. И тогда возникает проблема: а почему их нельзя вырвать? И вот эта проблема сейчас уже четко сформулирована и входит в число задач, которые до сих пор никто не может решить. Это интереснейший вызов для теоретика. Подходов много. Люди работают над этим интенсивно, проходят научные конференции, семинары и т.д. В нашем Институте в Протвино в конце года тоже планируется провести онлайн-конференцию на эту тему.
— Считается, что время жизни электрона бесконечно. В какой форме электрон продолжают свою вечную жизнь, скажем, после смерти человека?
— Ну, электроны все равно в наших атомах так и остаются, неважно живы мы или умерли. Атомы ведь никуда не деваются... просто происходит распад. Химические вещества, составлявшие основу нашего тела, распадаются на молекулы, на более простые элементы, – попадают в землю и возвращаются обратно. Поэтому электроны никуда не пропадают.
К нашей с вами биологической жизни жизнь электрона, к счастью или к сожалению, отношения особо не имеет. В этом смысле электроны так и продолжают жить дальше; считается, что бесконечно, так как мы пока не видели их распадов, а значит, время их жизни превышает космологическое время — известный нам возраст Вселенной (около 14 млрд. лет), поэтому электроны и принято считать вечными. Что касается других элементарных частиц, а их сотни, то почти все они распадаются, причем многие из них распадаются довольно быстро. А вот электрон, фотон, протон, электронное нейтрино, похоже, и правда живут вечно — по крайней мере пока что их распада никто не видел.
— За рамками Стандартной модели существуют гипотетические частицы, такие как тахион (якобы превышающий скорость света), гравитон (квант гравитации), магнитный монополь (имеющий один полюс) и многие другие. Какие из гипотетических частиц ученые больше всего хотят найти?
— Если начать с тахионов, то это наименее востребованная в плане поиска элементарная частица. Конечно, есть энтузиасты, которые занимаются поисками тахиона, и в этом смысле здесь даже могут быть вполне согласованные теории, но как это все воплотить в жизнь, как и где их искать — непонятно. Так что пока поиск тахионов находится вне рамок экспериментальных исследований.
Есть много экспериментов по поиску такой гипотетической частицы, как аксион, который, грубо говоря, является реакцией Природы на нарушение некоторой симметрии. Некоторые считают, что именно из аксионов может состоять темная материя. Но это тоже вызывает много вопросов. Сейчас ощущение такое, что часто ищут «сами не знают что», поскольку мы до сих так и не выяснили, из чего состоит эта темная материя, как она взаимодействует — помимо того, что «не светится», и т.д. Поэтому все, что пока можно сделать, это взять для описания темной материи какие-то доступные нашему пониманию модели: скажем, тот же аксион или, например, так называемый темный фотон — короткоживущая тяжелая частица, которая может распадаться на другие частицы.
Но добрая половина экспериментов, которые сейчас проводятся на коллайдере в ЦЕРН, зациклена на поиске частиц, обладающих суперсимметрией, или иной экзотики. Однако за более чем десятилетнюю историю БАКа все эти эксперименты заканчивались словами о том, что в данной области энергии таких частиц не обнаружено.
— Можете рассказать подробнее о суперсимметрии?
— Ученые очень сильно хотят найти её. Дело в том, что до введения в строй Большого адронного коллайдера (БАК) в теоретическом сообществе было полное убеждение, что когда БАК заработает, сразу же будут найдены частицы, обладающие суперсимметрией, а также суперструны, и посыплется на нас как из рога изобилия вся эта красивая физическая теория — но не тут-то было! То, что суперсимметрия не была найдена, стало шоком для многих теоретиков, и в состоянии замешательства они пребывали последующие несколько лет. «Не может быть, чтобы Природа не обладала таким красивым свойством, как суперсимметрия!», — говорили они… а оказалось, что на ускорителях мы этого не видим.
СУПЕРСИММЕТРИЯ — это симметрия между частицами материи (фермионами, коими являются кварки и лептоны) и частицами-переносчиками сил (то есть бозонами: глюоны, фотоны и др.).
Согласно этой модели, у каждой элементарной частицы есть свой суперпартнер, то есть элементарные частицы материи и переносчики взаимодействий (сильного, слабого, электромагнитного) могут взаимно превращаться друг в друга. Но мы не наблюдаем этого в природе, поэтому, возможно, в какой-то момент существования Вселенной суперсимметрия была нарушена. Открытие суперсимметрии в эксперименте означало бы открытие новой физики за пределами Стандартной модели.
— Есть гипотеза, что наша Вселенная была суперсимметричной на ранних стадиях своего существования?.
— Да, есть такое предположение, но я бы не сказал, что оно разделяется большинством ученых. Сторонники гипотезы считают, что в начале рождения Вселенной симметрия могла быть максимальной, но потом она постепенно начала нарушаться и пришла в то состояние, которое мы имеем сейчас. То есть получается, что в каком-то смысле мы были очень идеальные в начале
(хотя физически нас с вами там не было), но потом что-то пошло «не так».
Сейчас концепция ранней суперсимметрии приняла несколько иной вид. Большой взрыв, как космологическая гипотеза, больше не является доминирующей точкой зрения. Есть другие идеи, и они предполагают, например, непрерывное пульсирование Вселенной: сжатие-растяжение; то есть в такой концепции не было никакого великого начала в виде Большого взрыва.
/так в теории РТГ, которую развивал академик А. Логунов (1926-2015), фото - «Научная Россия»/
— Могут ли в природе рождаться элементарные новые частицы? Или те, что возникли после условного Большого взрыва, так и остались, причем с теми же свойствами?
— А это очень интересный вопрос! В общем-то, считается, что не могут. Аргументируется это тем, что мы нашли некую фундаментальную теорию (Стандартная модель), вечную — по смыслу вашего вопроса, которая лежит в основе всего, и с неё-то, собственно, Большой взрыв и начинался. Это очень интересная мысль — появление новых видов частиц со временем — это ваша гипотеза. Но пока что все остается так, как было, а новые частицы рождаются только в чисто механическом смысле, когда у вас энергия переходит в массу.
— Владимир Алексеевич, какие научные вопросы, кроме упомянутых нами сегодня, вас интересуют больше всего?
— Сейчас я много работаю над многомерными теориями, когда мы предполагаем, что наше пространство не трехмерное, а, скажем, пятимерное. Меня интересуют, в частности, физические следствия, которые мы можем из этого получить. Такая тенденция в целом не нова: в 1980-х годах был настоящий бум, связанный с поиском дополнительных измерений пространства-времени. Сейчас все успокоилось, «мода» не стоит на месте, но в этой области исследований по-прежнему остается много интересных возможностей.
— Получается, в физике тоже есть своя мода? Мода на идеи?
— Еще бы! Вспомнить хотя бы 1980-е, 90-е годы. Тогда только теория струн всех интересовала, а вся остальная физика считалась чуть ли не чепухой. По этому поводу развился бешеный математический аппарат, однако какого-то более-менее адекватного приближения теории струн к физической реальности мы так и не увидели. С одной стороны, каждая новая мода на физические идеи иногда полезна, потому что она возбуждает энтузиазм, будит какие-то творческие порывы. Хотя с другой стороны, может оказаться и вредной. Я себя отношу скорее к консерваторам и к энтузиастам «старой» Стандартной модели, ведь там до сих пор остается множество нерешенных вопросов.
Беседовала Янина Хужина.
/При републикации здесь изменены визуальная подача текста и порядок иллюстрирования (с некоторым добавлением)/
Рассказывает заместитель начальника отдела теоретической физики Владимир Алексеевич Петров:
Традиционно будет уделено место обсуждению аспектов теории гравитации. Однако выступления академика А.А. Логунова не предусматривается. По словам В.А. Петрова, лидер школы по гравитации «хочет послушать других». Тем более, что в мае на заседании Президиума Академии наук А.А. Логунов сделал большое выступление по результатам своей деятельности, которое прошло, судя по отзывам, весьма успешно. «Даже традиционные оппоненты, похоже, согласились с существованием ещё одной реальной, но альтернативной учению Эйнштейна, теории. А теорию может опровергнуть или подтвердить только эксперимент»,- заметил профессор Петров, присутствовавший на выступлении академика. На нашей же конференции с докладом по теории гравитации выступит видный ученый из Минска профессор Выблый.
Сколько измерений имеет такая странная штука, как «пространство-время»? До какого предела существует понятие «длины» в области малых промежутков? Как происходила эволюция Вселенной от Большого Взрыва до наших дней и вообще - был ли этот самый Большой Взрыв? Какова роль элементарных частиц в космологии и что следует из того недавно экспериментально установленного факта, что реликтовое излучение, оказывается, отнюдь не равномерно пронизывает нашу Вселенную?
Организаторами встречи выступили журнал «Наукоград Наука Производство Общество», НПО «Турботехника», НИЦ «Курчатовский институт-ИФВЭ», Городской научно-технический совет Протвино и КДЦ «Протон». 
Увлекательная лекция о науке сопровождалась видеопрезентацией. Владимир Алексеевич доступно рассказывал о научных открытиях мирового значения, сделанных на ускорителе протонов У-70, успешный запуск которого состоялся ровно 50 лет назад. 
Владимир Петров также рассказал об основателе ИФВЭ – академике Анатолии Алексеевиче Логунове и его релятивистской теории гравитации. 
В заключение Владимир Петров рассказал о радостном событии для протвинских физиков. «Этим летом проходила конференция Европейского физического общества, на которой было объявлено об открытии новой частицы - "дважды очарованного бариона", который был обнаружен в эксперименте LHCb. Мне приятно сообщить, что главные свойства этой частицы – масса и время жизни – были предсказаны в нашем теоретическом отделе в работах С С. Герштейна, В.В. Киселёва и А.К. Лиходеда», – отметил В. А. Петров. 
Наш мир, как матрешка: он состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из электронов и ядер, внутри ядра атома — протоны и нейтроны, а внутри них — кварки и глюоны. Все это многообразие описывается Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий.
— На этот счет есть как минимум несколько версий. Одна из простейших заключается в том, что бозон Хиггса — есть один квант этого поля, один тип. Такая гипотеза пока что находится в согласии со всеми экспериментами. Однако те данные о свойствах этого бозона, которыми мы располагаем, не исключают и других возможностей: например, наличия других типов бозонов такого рода, а также того, что, возможно, этот бозон не является элементарной частицей, а составлен из каких-то других более элементарных. Такая возможность вполне всерьез рассматривается, и в этом смысле вопросов еще достаточно много.
— В 1967-м году наш Институт запустил ускоритель протонов У-70. На тот момент это был крупнейший ускоритель в мире. Энергия протонного синхротрона составляла 70 ГэВ (1 ГэВ = 109 электронвольт). Это был юбилейный год, пятидесятилетие революции. Я не скажу, что строительство ускорителя подгоняли специально под эту дату, но открытие его на тот момент пришлось очень кстати. 
— Глюонная связь — основная причина невылетания кварков или это лишь средство?
— Да, есть такое предположение, но я бы не сказал, что оно разделяется большинством ученых. Сторонники гипотезы считают, что в начале рождения Вселенной симметрия могла быть максимальной, но потом она постепенно начала нарушаться и пришла в то состояние, которое мы имеем сейчас. То есть получается, что в каком-то смысле мы были очень идеальные в начале (хотя физически нас с вами там не было), но потом что-то пошло «не так».
