Вечная жизнь электрона и поиски суперсимметрии: чем интересен микромир?

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 с Владимиром ПЕТРОВЫМ из НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ (Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова)  в Протвино.

— 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 легкими, «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.

— Можно ли сказать, что бозон Хиггса в каком-то смысле завершает Стандартную модель, описывающую наш мир?

— 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 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. В свое время он выдвинул и развил собственную, новую теорию гравитации, где гравитация была обычным физическим полем и, соответственно, стала альтернативой общей теории относительности 

— Правильно ли я понимаю, что, согласно 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.

Разделение на частицы и поля довольно условно, 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.

— Поговорим об Институте физики высоких энергий. В советские годы здесь был запущен легендарный «Серпуховский синхротрон». Расскажите об этом проекте подробнее.

— В 1967-м г. наш Институт запустил ускоритель протонов У-70. На тот момент это был крупнейший ускоритель в мире. Энергия протонного синхротрона составляла 70 ГэВ (1ГэВ = 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.

— Сейчас он по-прежнему работает?

— Да. 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 г. в течение последующих нескольких лет они были у всех на слуху, 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».

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.

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 проблема, которая сейчас сформулирована как одна из выдающихся загадок Стандартной модели — это 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.

— Эта связь кварков обеспечивается неким склеивающим,  глюонным полем? Прим.: от английского glue (клей).

— Да, согласно современной физической теории, кварки связаны между собой 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.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 ее. 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.

— 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.

Сегодня 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.

— 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 нее-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 гг. 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 гг. Тогда всех интересовала только теория струн, 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.