Обогнавшие время. Физикам-теоретикам иногда приходится притормозить.
Наука
№ 6(2018)

09.02.2018

Как рождаются физические теории? Что делать, если они не находят экспериментального подтверждения? Какие задачи в физике частиц могут быть решены в ближайшие годы? На эти и другие вопросы в беседе с корреспондентом “Поиска” ответил член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий КАЗАКОВ. Разговор начался с вопроса о том, как взаимодействуют физическая теория и эксперимент.

- Секция ядерной физики Отделения физических наук РАН, к которой я принадлежу, объединяет ускорительщиков, экспериментаторов, теоретиков - всех тех, кто строит большие установки, работает на них и извлекает знания, - говорит Дмитрий Казаков. - Во всех этих областях за последние 25 лет произошли очень важные события. Появились гигантские машины, о которых прежде невозможно было и мечтать. Когда строили Большой адронный коллайдер (LHC), не все верили в его работоспособность, а ведь ускоритель работает как часы! Его детекторы тоже совершенно беспрецедентны по своим размерам и возможностям. Я бы сказал, что установки CMS и ATLAS - это показатель того, чего позволяют достигнуть технологии и совместная работа талантливых людей из разных стран. Вокруг всего этого и развивается теоретическая мысль, которая очень далеко продвинулась, хотя многие вещи, которые мы придумали, пока никак не проявились. Могу сказать, что сегодня, несмотря на то что эксперимент такой мощный и продвинутый, теория далеко его обогнала и оказалась отор­ванной от жизни.
- Обогнала или не туда пошла?
- Она пошла в разных направлениях, и оказалось, что мы не знаем, какое из них правильное и какие из тех идей, которые наработаны, связаны с реальностью. Хочется надеяться, что все они полезны, только для каждой надо найти свое место. Поэтому теоретики сейчас “притормозили” и ждут подсказок от эксперимента, какое из направлений является верным, чтобы копать дальше. 
- И что же в этом случае теоретикам делать: переключаться на какие-то другие задачи?
- Да, переключаться - это неизбежно, если видишь, что тема как бы исчерпывается. Наша работа так и происходит: сначала формулируется какая-то идея, потом вы пытаетесь ее обсчитать, построить теорию независимо от эксперимента, чтобы получилась самосогласованная теоретическая модель. Вы над ней работаете, потом начинаете думать: если все правильно, то как это могло бы отразиться в современном эксперименте, как проверить эту модель, какие у нее могут быть следствия? И если все сделано, а экспериментально ничего не видно, то эта деятельность исчерпывается, ей нужно ждать своего часа. 
- Когда искали бозон Хиггса, все было рассчитано буквально по месяцам.
- Первые работы по бозону Хиггса - за что, собственно, была получена Нобелевская премия - относятся к 1964-1965 годам, когда были заложены основные принципы этой модели. И потом эта деятельность слегка заглохла, то есть теоретически себя исчерпала.
- Обогнала время?
- В каком-то смысле - да. Можно было, конечно, модель усложнять (например, предположить, что есть не один бозон Хиггса, а два), расширять. Но для основной массы теоретиков эта работа была отложена - все ждали, подтвердится теория или нет. 
- То есть все ждали конкретную машину - LHC - которая даст ответ на все вопросы?
- Сначала казалось, что бозон Хиггса будет открыт гораздо раньше. Поскольку теоретическая схема не предсказывала некоторых вещей, например, массу частицы, то не было понятно, какой ускоритель сможет ее открыть. В частности, большие надежды связывали с предыдущим церновским ускорителем - LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер). Как мы теперь понимаем, ему не хватило энергии. А тогда все думали, что вот-вот...
- Надежды были и на Тэватрон в Фермилабе?
- Когда закрывали LEP, велись очень жаркие споры относительно продолжения его работы. Одна из точек зрения была такая: лучше еще пару лет поработать, немного поднять энергию, и будет шанс открыть бозон Хиггса - безумие закрывать такую прекрасную машину и ждать, что через 15 лет появится что-то новое. Но все-таки победили прагматики - закрыли. Оставался еще Тэватрон. Но поскольку он был адронной, а не электрон-позитронной машиной, то там не так все просто: разгоняются протоны - сложные частицы, состоящие из кварков, - и большая часть энергии разгона уходит не в столкновения (как в электронных машинах), а на взаимодействие кварков. Поэтому гарантии открытия бозона Хиггса на Тэватроне не было, хотя существовали очень большие надежды. Теперь мы понимаем, что Тэватрону не хватило интенсивности. 
Все это время теоретическая мысль в данном направлении практически не двигалась. Но физики стали думать: LEP не открыл, Тэватрон не открыл, может, бозона Хиггса там нет, и схема вообще не верна? Начали обсуждать альтернативные варианты - модели без хиггсовского бозона. Много всего обсуждалось, а сейчас, когда нашли частицу, альтернативы как бы отпали.
- Вы говорите “как бы”, то есть надо понимать, что не насовсем?
- Не исключено, что все то, что тогда придумали, теперь где-то по-другому сработает.
- И чтобы это установить, потребуются какие-то специальные новые ускорители?
- Конечно, чтобы подтвердить все, что напридумывали за эти годы (а помимо альтернатив хиггсовского бозона была выдвинута масса других теорий), потребуются новые эксперименты, и пока даже трудно сказать, на каких энергиях. Вообще обычно теоретические идеи не умирают, они как-то потом перевариваются и могут вылиться во что-то неожиданное.
Возьмем, например, космологию. Это наука, которая долгое время существовала совершенно умозрительно - не в расчетах, а в концепциях. Ничего толком ни посчитать, ни измерить было невозможно. Затем спутники вышли в космос за пределы земной атмосферы, и космологические измерения стали похожи на измерения на ускорителях. И сразу произошел просто колоссальный расцвет этой науки! Стали проверять модели, говорить о конкретных вещах, деталях, и космология стала почти такой же наукой, как физика частиц, - в ней возникла своя стандартная модель космологии. То есть новые технические возможности перевернули ситуацию. И сразу заработали какие-то идеи, которые долго витали и их невозможно было проверить. 
В физике частиц сейчас ситуация в чем-то похожая. Мы думаем, что LHC своего последнего слова не сказал, что еще какие-то открытия будут.
- Тем более что ему предстоит такая длительная череда апгрейдов, которые расписаны практически на 25 лет вперед.
- Недавно прозвучала цифра, что с учетом запланированных апгрейдов сейчас на LHC собраны лишь 2% данных. Но и они представляют собой довольно богатую информацию. Для непосвященных известно, что открыта всего одна частица, а специалисты знают, что проделана колоссальная работа, которая приближает нас к пониманию, как устроена природа на этих масштабах энергии. Взять тот же бозон Хиггса: если сравнить, что мы знали о нем несколько лет назад и знаем сегодня, то мы увидим такие вещи, что просто удивительно! Мы очень много узнали об этой области, но в ней пока оказалась всего одна новая частица. И все те механизмы, которые были заложены теоретически, работают. Новых мы сейчас не видим, хотя и обсуждаем. 
При этом космологи преподнесли нам большую загадку - это существование частиц темной материи. Мы понимаем, что они есть, но не видим их. Мне кажется, одно из главных достижений последних лет - смыкание науки о развитии Вселенной и физики элементарных частиц. У нас, можно сказать, теперь одна наука. Сейчас если обсуждается поиск какой-то частицы, возникает вопрос: а какие космологические следствия? И поэтому надо соотносить поиски частицы на ускорителе с тем, какие у нее проявления в космологии.
- Построено довольно много мощных ускорителей, обсуждаются новые проекты, среди них - Международный линейный ускоритель, гигантский кольцевой ускоритель в Китае. Все эти процессы идут по заказу теоретиков, которые знают, какая машина им нужна?
- Я думаю, что такие глобальные проекты, скорее, диктуются финансовыми возможностями. В прежние времена, когда установки были гораздо меньше и финансовые возможности скромнее, движущей силой создания новой машины становилась какая-то теоретическая идея, которую хотелось проверить. Например, в те же самые годы, когда развивались идеи с бозоном Хиггса, родилась идея спонтанного нарушения симметрии, обсуждалась масса калибровочных полей, w- и z-бозоны. Карло Руббиа хотел открыть эти частицы, и, по сути, ускоритель SPS в ЦЕРН был построен больше сорока лет назад именно под эту задачу. Разумеется, пришлось приложить колоссальные усилия, чтобы убедить общественность выделить довольно большие средства под эту глобальную задачу познания природы (деньги в конце концов нашлись, машина была построена, и частицы открыты). Когда была поставлена следующая задача - открытие хиггсовского бозона - мы не знали точно его массу, поэтому не получилось так: построим новый ускоритель и на нем откроем бозон Хиггса. Создали LEP, Тэватрон, но только LHC эту задачу решил. Но все же нельзя сказать, что какая-то одна теоретическая идея была источником того, что в результате оказалось построено. 
- И все же существуют ли сейчас магистральные, главные нерешенные задачи в физике частиц?
- Познание остановить невозможно, любопытные люди все время будут что-то искать. Если сейчас какие-то идеи не проверяются на ускорителе (недостаточно энергии или чего-то еще), то мысль все равно продолжает работать, и теоретики все равно размышляют, как и на чем их можно проверить. Какие-то люди уйдут в чистую математику, логика науки может увести их в другом направлении. Так было с суперсимметрией, которая начиналась как занятие для чудаков, а когда к этому направлению проявило интерес больше людей, отпочковалось отдельная область - суперсимметричная математика - не имеющая к частицам никакого отношения. 
Я думаю, что поскольку ускоритель LHC будет работать долго (обсуждаются планы апгрейда до 2035 года и дальше), за это время произойдет много событий. Что-то еще будет открыто, что-то - закрыто. Задачи у нас более-менее ясные. Во-первых, продолжать исследовать хиггсовский бозон и понять: он один или их много? Это вопрос совершенно конкретный. Можно искать другие частицы, более тяжелые, с другими свойствами - это все будет делаться. Второе направление, над которым нужно работать, - поиски темной материи. Надо строить ее всевозможные модели, искать варианты. Все это будет изучаться на ускорителе параллельно с неускорительными задачами. Третье, что будет связано отчасти с ускорителями, но больше не с ними, - это нейтринная физика. Свойства нейтрино до конца не понятны. Моя личная точка зрения, что это самые обычные частицы, как все остальные, никаких секретов в них нет. Но это мы увидим, здесь есть варианты. Ну, и всегда существует абстрактная задача поиска всего нового, что может проявиться на более высоких энергиях, до которых раньше никогда не доходили. Что там скрывается, никто не знает. Эта задача универсальна, потому что неконкретна. Всегда будут искать суперсимметрию, дополнительные измерения пространства и т.д. 
Я ничего не сказал про ускорение тяжелых ионов, для чего не нужно выходить на супервысокие энергии. Это - одна из задач, которая реализуется в ЦЕРН (в том же кольце LHC один месяц в году ускоряются тяжелые ионы свинца), а также на специальных ускорителях, как, например, RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Еще два ускорителя строятся: NICA в ОИЯИ в подмосковной Дубне и FAIR в немецком Дармштадте. Это не новая физика в смысле открытия новых частицы. Здесь изучаются частицы, которые мы знаем, но условия, в которых они находятся (большие плотности, большие температуры), - это не те условия, которые создаются в ускорителе высоких энергий. Там, грубо говоря, частицы находятся в свободном состоянии: летят, сталкиваются и дальше летят. А здесь миллионы частиц собраны в маленьком клубке, и их свойства в таком “упакованном” плотном состоянии не такие, как “на свободе”. Эта область тоже будет очень сильно развиваться.
Но первые три задачи очень конкретны, и, я думаю, ускоритель LHC их решит.
Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА
Фото автора

 


Вернуться к статье