Узнаем ли мы всё о том, как устроен наш мир? Научимся ли управлять новыми источниками энергии? Поймем ли, что такое темная материя, и сможем ли с ней взаимодействовать? Есть ли предел познанию или этот процесс бесконечен? Об этом рассуждает Михаил Иосифович Высоцкий, главный научный сотрудник лаборатории квантовой теории поля ФИАН, член-корреспондент РАН.
– Итак, квантовая теория поля. Какие открытия в этой области вам удалось сделать? Удалось ли вам, например, уточнить Стандартную модель?
– Когда ускоритель LEP работал в ЦЕРНе, а в Стэнфорде — ускоритель SLC, действительно, важно было проверить Стандартную модель, что она работает, и мы этим занимались. Ещё до этого одним из моих результатов стала работа по CP-нарушению в K-мезонах, которое объясняется в рамках Стандартной модели так называемым механизмом Кобаяши-Маскава.
– А что такое CP-нарушение?
– P – это пространственная четность. В зеркале такая же физика, что и у нас. И это, казалось бы, естественное требование: четность не может нарушаться, ведь в зеркале все то же самое. На самом деле в зеркале происходят процессы, которых нельзя увидеть в настоящем, с этой стороны зеркала. Это и есть нарушение P-четности.
C-четность – это зарядовая четность. Если вы меняете частицу на античастицу, это и есть операция зарядовой четности. В Стандартной модели нарушается как C-четность, так и P-четность. А если вы пойдете в зеркало и замените частицы на античастицы, то возникнет комбинированная четность, предложенная Ландау.
Довольно-таки долго считалось, что она действительно имеет место, но потом выяснилось, что она тоже нарушена. В Стандартной модели есть механизм Кобаяши-Маскава, но и там было важно вычислить вклад кварков в это CP-нарушение.
Я проделал вычисления для случая тяжёлого t-кварка. В те времена самый тяжёлый из открытых кварков (b-кварк) весил меньше 5 ГэВ. Но позже оказалось, что t-кварк весит 170 ГэВ. Никто такие формулы не писал, потому что всем было ясно, что t-кварк гораздо легче, например, W-бозона, и поэтому писались формулы для легкого t-кварка. А я для тяжелого написал, и оказалось, что действительно эта формула в Стандартной модели работает.
– Что дало введение этого тяжелого кварка в Стандартную модель? Что изменило?
– Это фундаментальные вещи. Если он был бы легкий, не 170 ГЭВ, а например 17 ГЭВ, тогда CP-нарушение в K-мезонах было бы в 100 раз меньше. Это очень много. Если бы оно было в 100 раз меньше, то физика элементарных частиц развивалась бы по-другому. Не удалось бы в 1964 году открыть экспериментаторам нарушение СР, и работа Сахарова о генерации барионной асимметрии во Вселенной не была бы написана (барионная асимметрия — это отсутствие антивещества во Вселенной).
– Физики все время натыкаются на какие-то недостатки Стандартной модели. Как вы думаете, удастся ее когда-нибудь полностью доработать так, чтобы никаких вопросов не осталось, или, может быть, наоборот, ее придется отменить и создать какую-то другую модель?
– Я не согласен по поводу недостатков. Другое дело, что мы все время выходим за ее рамки. Например, мы сейчас знаем, что нейтрино – массивная частица, а Стандартная модель не предусматривает для неё массы. Но чтобы ввести нулевую массу нейтрино в Стандартную модель, никаких принципиальных изменений этой модели не требуется. Есть разные способы, и мы еще не знаем сейчас, какой способ будет реализован. Для этого нужны эксперименты, которые сейчас ставят. Происходит расширение модели, но в этом ничего страшного нет.
Стандартная модель – это такая вершина человеческих знаний, если хотите. Как в XIX веке была электродинамика Фарадея-Максвелла, так сейчас Стандартная модель. Она правильная, в этом мы уверены, но требует уточнений и расширений.
– Мы знаем из космологии и астрофизики, что существует темная материя. Но в Стандартной модели нет этих частиц. Что с этим делать?
– Это вопросы, требующие исследований. Да, Стандартная модель не закончена. Но я бы не хотел, чтобы у нас была конечная теория. Это бы означало конец физики. Но, между прочим, Ландау говорил, что физика, как география, тоже будет завершена.
– А вы как считаете, закончится физика или никогда она не закончится, потому что нам не удастся познать все тайны мироздания?
– Я бы сказал, что двигаться вперед именно в физике элементарных частиц все труднее и труднее, потому что нужны очень мощные ускорители. И вот тут, к сожалению, мы натыкаемся на предел с точки зрения того, сколько нужно денег на строительство этих ускорителей. Следующий шаг, я надеюсь, еще будет сделан, от того ускорителя, что сейчас работает, к следующему ускорителю, но это будет все-таки не скоро, нужны десятилетия. А вот чтобы еще один шаг сделать – не знаю, сомневаюсь.
– То есть нужны принципиально другие технологические возможности, которых у нас пока что нет?
– Это называется новыми методами ускорения, которые сейчас пока еще не работают. Может быть, они начнут работать, и удастся все удешевить, да, все продвигается вперед.
– Были ли у вас какие-то примеры в вашей практике, когда какая-либо теория получала неожиданное практическое воплощение, прикладной результат?
– Физика элементарных частиц в современном виде от прикладных результатов довольно-таки далека. Но если взять вообще ядерную физику, то какой там был прикладной результат, вы все хорошо знаете. Атомные станции работают. Но это все-таки не физика элементарных частиц, это ядерная физика. В физике элементарных частиц до практических приложений пока далеко. Но это ни о чем не говорит: вы прекрасно знаете, что, когда появилась электродинамика Фарадея-Максвелла, никто о ней не думал в практическом смысле. Это была чистая теория, ни о каких приложениях никто не думал. А сейчас представьте себе, что света нет на улице. Или интернета у вас дома.
– Это будет катастрофа.
– Вот именно. В этом смысле физика элементарных частиц находится в таком же положении, то есть сейчас нет никаких приложений, а может быть, через какое-то время будут очень существенные приложения.
– Давайте пофантазируем, какие это могут быть приложения. Некоторые ваши коллеги предполагают, что, может быть, когда мы освоим нейтрино, то, может быть, научимся каким-то принципиально новым видам моментальной связи.
– Если будет нужна связь с подводными лодками, например, то действительно с фотонами там сложность, потому что вода экранирует электрическое поле, а нейтрино дойдет до подводной лодки без проблем. Но как она там будет детектировать нейтрино и как туда сигнал передать, пока непонятно. Хотя задача может быть важная.
Могут быть совсем другие приложения. Возможны новые источники энергии, потому что при распадах элементарных частиц выделяется большая энергия, чем при распаде ядра.
– Известно, что если изменить фундаментальные константы хотя бы немножко, то весь наш мир совершенно изменится. Как вы считаете, он изменится, станет другим или вообще перестанет существовать?
– Это близко к так называемому антропному принципу. Мы не можем вычислить фундаментальные константы, но мы знаем, что если мы чуть-чуть подвинем величину электрического заряда, то у нас не пойдут те реакции в звездах, которые необходимы для генерации всего того, из чего мы все сделаны. Антропный принцип как раз и гласит, что всё подобрано с тем, чтобы реализовалось то, что реализовалось.
Но это всё-таки несколько антинаучный принцип: не надо ничего вычислять, всё уже есть. Но мы физики и хотим вычислить, а не говорить, что если было бы иначе, то не было бы человечества и вычислять было бы некому.
Тем не менее это очень интересно, потому что действительно – чуть-чуть вы подвинете какой-нибудь параметр, и вам кажется, что все развалится, и нельзя будет существовать Вселенной. Но подвигать мы его не пытались, поэтому непонятно, что будет и будет ли. Это всё же не в наших силах.
– Какие еще ваши предположения, помимо тяжелого кварка, оказались верными?
– У нас была одна идея, которая, к сожалению, верной не оказалась, но и это может быть важным. Она касалась именно нейтрино. Тогда была проблема солнечных нейтрино, связанная с тем, что из Солнца слишком мало нейтрино прилетает. Мы объясняли это электромагнитными свойствами нейтрино. У нас была работа с Михаилом Борисовичем Волошиным, моим коллегой, и Львом Борисовичем Окунем, моим научным руководителем. Там было красивое предсказание, что это связано с активностью Солнца. Когда Солнце активное, мало нейтрино приходит на Землю, когда спокойное – много.
Но, к сожалению, оказалось, что совсем по-другому объясняется недостаток солнечных нейтрино: он объясняется переходами нейтрино из одного состояния в другое. Тут мы оказались неправы, но поиски продолжились, и со временем были даны верные ответы.
– Сейчас, насколько я знаю, этот недостаток нейтрино объяснили с помощью осцилляции.
– Сейчас уже экспериментально проверено, что происходит с нейтрино по пути на Землю. Электронные нейтрино, рождающиеся в Солнце, приходят на Землю частично как электронные нейтрино, а частично как мюонные и тау нейтрино, а в результате электронных нейтрино меньше.
– Над какими задачами вы сейчас работаете?
– Сейчас работает ускоритель LHC, протонный ускоритель в ЦЕРНе. Ну и, конечно, интересно что-нибудь для него посчитать. Когда его строили, считали, что все хорошо знают, какая будет новая физика. Это суперсимметрия. Я, кстати, суперсимметрией тоже занимался. Когда строили этот ускоритель, даже генеральный директор ЦЕРНа говорил: «Вот мы пустим ускоритель и будем открывать суперчастицы, второй этап работы ускорителя – мы откроем бозон Хиггса». Запустили ускоритель – никаких суперчастиц до сих пор нет.
– Но зато бозон Хиггса есть.
– Бозон Хиггса, слава богу, открыли, да. Но вот какая дальше физика, непонятно. Тем не менее даже на LHC можно делать сравнительно чистые эксперименты, искать слияния фотонов, W-бозонов и так далее. Может быть, в результате у нас проявится новая физика. Вот такими задачами мы занимаемся.
– Какие вы видите перспективы в этой работе, что вы намерены открыть в ближайшее время?
– Работа теоретика, да и экспериментатора тоже, не сводится к открытиям. Мы намерены посчитать сечение некоторых реакций, вероятности некоторых процессов. Когда только появилась электродинамика и уравнение Дирака, оно предсказывало позитрон. Тогда это было последнее слово в физике – позитроны, и работы были посвящены тому, как их в лаборатории получить.
Тогда была работа, между прочим, Ландау и Лифшица, о том, что могут сталкиваться ядра. А ядра – это источники электромагнитного излучения. И тогда эти фотоны от ядер могут рождать e-плюс, e-минус пары. Эта работа была в 1934 году, очень давно. Ну а сейчас можно ожидать мю-плюс, мю-минус пары, W пары рождать. И при всё более высокой энергии. А при высоких энергиях уже должны быть отклонения от Стандартной модели.
– А что вы можете сообщить об исследованиях такой загадочной субстанции, как темная материя, которая, как известно, занимает большую часть сущего? Есть разные претенденты на частицы, которые могут составлять ее суть, это и нейтральные нейтрино, это и аксионная теория, а сейчас еще появилось такое понятие, как темный фотон. Ведете ли вы какие-то исследования в этой области?
– Это сейчас одна из центральных тем в физике элементарных частиц. Как вы правильно говорите, примерно в пять раз больше темной материи во Вселенной, чем обычной материи. Поэтому, казалось бы, мы должны видеть эти частицы. А то, что мы их не видим, говорит, что они взаимодействуют слабо.
И вот тут встает вопрос, насколько слабо. Они проявляются в гравитационных вещах, допустим, в кривых вращения звезд. Звезды в галактике движутся так, как будто бы есть дополнительное вещество. Но это чисто гравитационное взаимодействие. Да, в гравитации участвуют все частицы. Если есть единственный способ, как эта темная материя взаимодействует с нашими частицами, – это гравитационное взаимодействие, тогда мы их в физике элементарных частиц никогда не обнаружим. Мы их на эксперименте, на ускорителе никогда не родим, потому что гравитационные сечения очень маленькие.
– Но все надеются, что это не так и их удастся найти?
– Да, все на это надеются. Тогда надо расширять Стандартную модель и вводить новые частицы – в частности, эти темные фотоны. Они будут взаимодействовать с нашими частицами, и их можно будет на ускорителях рождать. Поиск темной материи на том же самом LHC – одна из главных тем. Другое дело, что он плохо для этого предназначен, но тем не менее пытаются искать. Есть такая частица – нейтралино в суперсимметрии. Это тоже кандидат на роль темной материи.
– Что это за нейтралино?
– Это суперпартнер. К суперпартнерам добавляют частичку «ино». Кварк и кваркино – его суперпартнер. W-бозон – W-бозино. Это фундаментальные частицы, и у них есть суперпартнеры. У нас есть бозон Хиггса, а есть еще и хиггсино, суперпартнер.
– Как вы думаете, сможем ли мы вообще обнаружить темную материю, каким-то образом познать, что это такое, и научиться с этим веществом взаимодействовать, или это навсегда останется для нас тайной, покрытой мраком?
– Темную материю ищут на ускорителях. Если тот же самый темный фотон действительно смешивается с нашим фотоном, то его можно найти. И нейтралино ищут, и все надеются, что их найдут. Но можно быть скептиком и говорить: «Вот вы видите только гравитационное проявление этих частиц, другого не видите. Значит, они с нашими частицами взаимодействуют только гравитационно, и вы на ускорителях никогда в жизни их проявлений не увидите». Вполне допустимая точка зрения.
– Михаил Иосифович, как вы себя ощущаете – тем самым маленьким мальчиком, который бросает камешки на берегу океана, или вам кажется, что вы действительно все больше и больше продвигаетесь в познании истины и скоро ее узнаете?
– Маленьким мальчиком я себя уже давно не ощущаю. Но наука движется вперед, у нас действительно много важных результатов. Есть такой парадокс Зенона: если вы смотрите в данный момент, то особо ничего не происходит, а потом смотрите за десятки лет и видите, что все изменилось в физике элементарных частиц. Есть грандиозный прогресс.
– Мы когда-нибудь узнаем про элементарные частицы всё?
– Мы сейчас знаем почти всё. Массу нейтрино включить – а это сделать совсем просто – вот вам, пожалуйста, и практически полная картина микромира.
– Но вопросы-то все равно будут оставаться?
– Конечно, люди пытаются ставить какие-то эксперименты, ищут не только при очень высоких энергиях, но и при низких. Если есть четкие предсказания Стандартной модели, смотрят отклонения. Есть так называемый аномальный магнитный момент мюона, который вычисляется в Стандартной модели с восемью значащими цифрами. Представьте себе мощь теории – восемь значащих цифр теоретически вычисляются, и мощь эксперимента. Экспериментаторы проверяют это число, и из восьми семь цифр совпадают. В последней цифре наблюдаются расхождения, они довольно-таки существенные. Этот эксперимент еще продолжается, но если действительно будет доказано, что там такое большое расхождение, то действительно Стандартную модель надо расширять.
– До каких пор её можно расширять?
– К ней самой есть вопросы. В ней слишком много параметров, она сложна. Если это фундаментальная теория, там должен быть один, два параметра. А в ней около тридцати параметров. Хорошо было бы их вычислить. Это было бы продвижение на следующую ступень – вычислить массы всех лептонов, кварков, константы взаимодействий предсказать. Но этот вопрос еще не решен.
– Есть ли у вас ощущение, что достичь конечной точки в принципе невозможно, потому что движение – все, а цель – ничто?
– Возможно, конечной точки нет, но все-таки посмотреть, что идет за Стандартной моделью, сделать следующий шаг – это, я думаю, можно и нужно сделать.
