Что такое темная материя и темная энергия? Почему, приближая друг к другу частицы, мы стремимся к бесконечности? Может ли повториться Большой взрыв? Каким образом исследования ранней Вселенной помогают лечить рак? Обо всем этом рассказывает главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, член-корреспондент РАН Дмитрий Сергеевич Горбунов.
– Знаю, что ваша докторская диссертация была посвящена возможным проявлениям новой физики частиц в космологии и ускорительных экспериментах. Что за новая физика? Что в ней такого, чего нет в старой?
– Мы занимаемся физикой элементарных частиц. Я работаю в теоретическом отделе. Физика элементарных частиц, как мы знаем, это замечательная теория, и она описывает множество экспериментов. Мы в физике элементарных частиц добились в некоторых наблюдаемых экспериментах чудовищной точности согласия между предсказанием в теории и экспериментальными измерениями, которые мы проводим. Это замечательная, удачная, отличная теория, но мы знаем, что она не совсем корректна.
– Не совсем корректна в каком смысле?
– Она должна подтверждать экспериментальные данные и описывать все, что мы видим. Некоторые вещи, которые мы наблюдаем, она не описывает. Традиционно прямым указанием на то, что физика, которую мы знаем – Стандартная модель физики элементарных частиц, – неполна, считают нейтринные осцилляции. Это явление перехода нейтрино одного типа в другой при распространении от источника.
Экспериментально отлично исследованы многие параметры этого нейтринного сектора, измерены с хорошей точностью. Есть независимые типы исследования этого явления, которые убеждают нас, что действительно такое явление существует. За это дали несколько Нобелевских премий.
В рамках Стандартной модели нейтрино везде безмассовые и не могут переходить друг в друга, как мы наблюдаем. Соответственно, это указание на то, что нашу модель нужно как-то дополнить, и модификация, которая требуется, чтобы эти явления объяснить, – это вариант новой физики.
– Какие это модификации?
– Люди предлагают разные модификации. Это могут быть новые типы взаимодействия, новые частицы, и то, и другое. Бывают ситуации, когда люди предлагают новые частицы, относительно легкие, и кинематически можно их попытаться найти сейчас. А бывают модели, когда новая физика относится к масштабу энергии, которая недоступна нам ни на одном ускорителе, который у нас сейчас есть. Теоретически такая модификация вполне подходит, она все объясняет, но экспериментально мы сейчас такое проверить не можем.
– Какие еще есть указания на неполноту Стандартной модели?
– Есть непрямые указания на неполноту физики, которую мы знаем, в частности, из космологии. Мы все с вами знаем, что состоим из обычной материи – протоны, нейтроны, электроны. Это всё частицы. Но где же античастицы? Мы их не наблюдаем на Земле. Более того, если смотреть в космос с помощью телескопов и других инструментов, мы не видим каких-то сигналов, которые ожидали бы, если бы где-то активно аннигилировали античастицы и частицы. Эта загадка тоже за рамками Стандартной модели, потому что на тех же коллайдерах всегда рождаются частицы и античастицы.
– То есть они должны быть по логике вещей.
– Да. Более того, космические лучи, которые прилетают к нам, в атмосфере дают широкие атмосферные ливни, и там есть очень энергичные частицы и античастицы. Мы все это регистрируем и понимаем, что есть и то, и другое. И в рамках нашей Стандартной модели частицы и античастицы ходят, как говорится, парами. Куда же делись античастицы, мы не знаем, и это загадка.
Мы понимаем, что если говорить о Вселенной, то аннигиляция антиматерии должна была произойти в первую секунду образования Вселенной. Но в рамках нашей физики, в рамках общей теории относительности, мы не находим такого механизма, который бы оперировал в ранней Вселенной, чтобы сделать такую асимметрию.
Значит, нужно искать модификации. Опять же, какая это модификация, мы не знаем. Ряд предположений можно проверить на тех установках, которые у нас сейчас есть, и эти проверки ведутся. А ряд нельзя проверить.
Люди, конечно, пытаются придумать какие-то другие наблюдаемые возможности. Ну, например, гравитационные волны, замечательная совершенно вещь. Если какое-то бурное событие в ранней Вселенной было, например фазовый переход, как мы наблюдаем при кипении воды, то могли образовываться гравитационные волны, которые являются замечательными переносчиками информации, потому что они в ранней Вселенной ни с кем не взаимодействуют.
– Правильно ли я понимаю, что Стандартную модель вы тоже не отменяете?
– Мы ее ни в коем смысле не закрываем – точно так же, как релятивистская теория не закрывает ньютоновскую динамику. При небольших скоростях меньше скорости света у вас замечательно работает ньютоновская теория, но при более высоких скоростях у вас начинают появляться отклонения, и, в конце концов, вы приходите к нынешней теории.
– Дмитрий Сергеевич, а что это за редкие процессы в суперсимметричных моделях? В чем их редкость?
– Ситуация такая: мы пытаемся посмотреть какие-то процессы, в которых участвуют частицы, которые мы знаем. Но эти процессы начинают протекать не совсем так, как мы предсказываем в нашей теории. Скажем, нейтрон распадается, и мы можем его время жизни вычислить, зная фундаментальные константы нашей модели. Затем мы пытаемся измерить это время жизни и сравниваем результат с предсказанием. Если оказывается, что наше предсказание не совсем согласуется с наблюдениями, то тут есть два наиболее часто реализующихся варианта: либо в эксперименте мы напортачили, либо в вычислении ошиблись.
Но есть еще и редкий вариант, ради которого, собственно, все делается, а именно мы понимаем, что мы и вычислили правильно, и эксперимент провели аккуратно. Это означает, что наша теория неполна, ее нужно дополнить, и это новая физика. Проще всего такое заключение сделать, если наблюдаемое различие очень сильное: теория предсказывает одно событие, а наблюдаем тысячи. В этой связи интерес представляют процессы, которые в рамках Стандартной модели идут очень редко. Например, на Большом адронном коллайдере учёные ищут редкий распад Bs-мезона, вероятность которого в рамках Стандартной модели – одна миллиардная! Любой сигнал выше этого уровня будет указывать на проявление новой физики.
– Дмитрий Сергеевич, а как вы думаете, возможно ли в принципе создать некую Единую теорию всего, которая объяснит наконец вообще все, и никаких вопросов у физиков больше не останется?
– Наверное, это теоретически возможно, но вряд ли мы до этого доживем. Мы проверяем физику на масштабах расстояний все меньше и меньше, но между масштабом, над которым мы сейчас работаем, и масштабом, например, на котором становятся сильными гравитационные эффекты, – десятки порядков величины.
Мы всё время уточняем наши представления об этом мире, и именно на этом пути приходим к пониманию, что мир более хитро устроен, чем мы думали сто лет назад. В то же время накопленные в процессе изучения мира знания мы начинаем использовать для своего развития, получать новые технологии, применение которых широко выходит за рамки научных исследований.
– О каких технологиях речь?
– Если говорить о физике частиц – то это технологии работы на всё меньших расстояниях и со всё более быстрыми процессами. Мы всегда пытаемся проверить справедливость имеющихся физических законов на всевозможных временных и пространственных масштабах. Начали с атома, потом ядро, потом вглубь – элементарные частицы. Нам любопытно, мы хотим понять – а что дальше? И, конечно, это развивает наши технические возможности.
– А есть предел масштабам? Знаю, что, например, в биологии существует предел микроскопическим живым системам. А в физике?
– Если говорить об электромагнитном взаимодействии, то чем вы на меньшее расстояние приближаете друг к другу две элементарные частицы, тем сильнее они взаимодействуют. В рамках Стандартной модели на некотором очень-очень-очень маленьком, но конечном масштабе (куда меньшем масштаба, где гравитация начинает играть роль – и поэтому ситуация чисто гипотетическая) электромагнитное взаимодействие формально становится бесконечно большим, что можно считать пределом электромагнитной системы. Но мы знаем, что Стандартная модель неполна, да и гравитационные взаимодействия становятся сильными, и их надо учитывать на куда большем масштабе, так что это рассуждение чисто гипотетическое. Что происходит на таких масштабах мы, по существу, сейчас не знаем.
– Но какие же конкретно устройства, приборы, механизмы были созданы в результате поиска проявлений новой физики?
– Например, в Троицке у нас есть комплекс протонной терапии. Это более чем наглядный пример такого практического воплощения ускорительных технологий. Или в Новосибирске Будкеровский центр – крупнейший институт по физике частиц в нашей стране, – они делают ускорители для лабораторных исследований в твердом теле и для исследований в биологии. Если говорить о протонах, то это лечение онкологических заболеваний, когда нежелательно вмешиваться с помощью хирургических инструментов в ту область тела, где образовалась опухоль. Чтобы туда попасть очень аккуратно, нужно настроить этот пучок. Мы научились хорошо это делать, когда сталкивали протоны с мишенью и друг с другом, стремясь проверить физику Стандартной модели. В результате протон полетит туда, куда нужно, и выделит энергию именно там, где нужно. Так же на ускорителях мы научились создавать различные короткоживущие радиоизотопы, широко используемые в медицине.
– Кстати, это используется и в онкологических целях.
– Совершенно верно. Короткоживущие радиоизотопы используются и в диагностике, и в лечении.
Есть другое направление – детекторы. Мы исследуем, что происходит на маленьких расстояниях. Мы столкнули частицы, а теперь, чтобы их исследовать, нам нужно посмотреть, куда они разлетелись, и нам нужны детекторы, которые регистрируют частицы, которые там рождаются. Эти детекторы очень аккуратно всё измеряют. Заранее вы не знаете, куда полетит та или иная частица, вы не знаете, что это за частицы, вы не знаете, какие у них энергии. Всю эту информацию вам нужно получить. С этой целью научились делать специальные детекторы частиц. Кстати, фотоаппарат, например, это тоже детектор. У вас пролетают фотоны, а вы изображения строите и красивую фотографию делаете.
– Или видеоизображение, которое сейчас наблюдают наши зрители.
– Или пример с интернетом, идея вот такой распространенной всемирной сети с быстрым доступом к большим базам данных. Большие объемы данных – это тоже пришло из физики частиц.
– То есть вся наша современная жизнь, в которой присутствуют интернет, гаджеты, медицинские достижения, – все это было бы невозможным без такого рода исследований.
– В широком смысле – да.
– Дмитрий Сергеевич, что ждет нашу Вселенную? Может ли, например, повториться Большой взрыв?
– Если говорить о космологии, то по современным представлениям до Большого взрыва, до горячей Вселенной была инфляционная стадия с экспоненциальным расширением Вселенной. Так вот, все современные наблюдения указывают нам на то, что современная Вселенная выходит на аналогичную стадию экспоненциального расширения. В современной Вселенной доминирует темная энергия. Компонента, очень похожая на ту, что необходима и в ранней Вселенной для осуществления инфляции.
– Значит ли это, что всё циклично и через какое-то количество миллионов лет опять рванет?
– С цикличностью здесь сложнее, потому что существенно разные темпы расширения тогда и сегодня. Чтобы такое создать, нужно иметь значительно большую плотность энергии, у нас сейчас такой большой плотности энергии нет.
– Но, может быть, все впереди?
– Люди в принципе это обсуждают. Например, пытаются создать кварк-глюонную плазму или накачать энергию, чтобы случился термоядерный синтез. Большая (очень-очень большая) плотность энергии – как раз то, что нужно для ранней инфляции. Но если вернуться к рассматриваемым сейчас моделям тёмной энергии, то никаких катастроф на протяжении следующего десятка миллиардов лет в них не ожидается.
Беседу вела Наталия Лескова
Фото: Николай Мохначев
Видео: Дмитрий Самсонов
