Цифровой журнал «Компьютерра» № 1

Алла Аршинова Беседы о современной физике

Запуск LHC (Large Hadron Collider — Большого адронного коллайдера, самого высокоэнергетичного ускорителя в истории) стал одним из наиболее масштабных событий в мире науки за последнее время. Долгий подготовительный этап завершен, поломка устранена, калибровка аппаратуры закончена, и теперь беспрецедентный эксперимент, наконец, начался. За работой коллайдера с интересом следит все научное сообщество. От него ждут ответов на многие вопросы фундаментальной физики. Как себя вела Вселенная в первые доли секунды своего существования? Как изначально частицы получали массу? Почему антиматерия отличается от материи? И, главное, будут ли на LHC происходить новые, выходящее за рамки известных нам физических законов, события? И на этот вопрос у каждого свой ответ. Кто-то стоит на позиции нерушимости законов общей теории относительности и Стандартной Модели, а кто-то не отрицает возможности подтверждения экзотических теорий. Но все сходятся в том, что дополнения к уже имеющимся знаниям будут получены.

Начало работы LHC стало поводом для размышлений о физике высоких энергий вообще, и о том, какой вехой станет для нее запуск Большого адронного коллайдера. Разъяснить ситуацию согласился Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры физики частиц и космологии физического факультета МГУ, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН.

Валерий Анатольевич, многие считают, что запуск LHC — это наиболее значимое событие в физике высоких энергий за последнее время. Вы согласны с этим?

Согласен, конечно.

Часть работы российских ученых для LHC велась в Институте ядерной физики СО РАН. А какой еще был вклад?

В LHC есть ускорительная часть, а есть детекторная. Ускоритель ускоряет частицы, а детектор детектирует продукты реакции, которые получаются при столкновениях. Если говорить об ускорительной части, то львиную долю, действительно, внес ИЯФ СО РАН. Ускорительные установки и оборудование также поступали из Протвино, какая-то часть из нашего института. А детекторы разрабатывались при участии всего российского сообщества, всех институтов, занимающихся физикой высоких энергий, и некоторых университетов. Очень большой вклад внеси Санкт-Петербургский Институт ядерной физики РАН, московский Институт теоретической и экспериментальной физики, МИФИ, МГУ, ФИАН… Я, наверное, кого-то забыл. Все институты, занимающиеся физикой высоких энергий, так или иначе, в большей или меньшей степени вложились, в первую очередь, интеллектуально, а это самое ценное. И, конечно, материально. Я боюсь называть точные цифры, но количество физиков, только физиков, не учитывая инженеров, которые занимаются на детекторах LHC обработкой результатов и подготовкой аппаратуры, из России — это 200–300 человек. Плюс к этому — инженеры. А ИЯФ для ускорительной части сделал подавляющий объем работ.

Известно, что LHC разрешит вопрос бозона Хиггса, причем под любой исход эксперимента уже написана теория, а какой результат хотели бы увидеть лично Вы?

Наверное, так и произойдет. Есть достаточно серьезные теоретические основания, что либо сам бозон Хиггса, либо что-то очень похожее на него (такого же рода частица) будет найдена. Буквально ли будет обнаружен тот элементарный бозон, элементарный в смысле — не составной, а по-настоящему элементарный, или это будет нечто более сложное, сказать трудно, но что-то похожее должно существовать. И на это есть, кстати, и косвенные экспериментальные свидетельства. Любая частица проявляется не только прямо, но и косвенно. Есть такое понятие — виртуальная частица, есть виртуальные процессы, связанные с квантовыми эффектами, и в них проявляются косвенные свидетельства виртуальной частицы. Есть ряд указаний отсюда следующих, что это должна быть достаточно легкая частица, типа хиггсовского бозона. Поэтому, наверно, его найдут, но это дело небыстрое.

Несколько месяцев или лет?

Нет, не месяцев. Я предполагаю, что это годы. Зависит, конечно, от того, как пойдут дела, и что это за частица. Какая у нее масса. Но, вообще, это довольно сложное дело. Может, кстати, американцы раньше откроют. Они сейчас набрали хороший темп.

Но они же не повышают энергию.

Энергию не повышают, но у них вопрос статистики. У них достаточно энергии, чтобы рождался бозон Хиггса. Таких событий мало, но есть фоновые события, другие процессы, похожие на то, что должен давать хиггсовский бозон. И теперь вопрос стоит в наборе статистического материала. Если они еще несколько лет проработают в таком же темпе, как сейчас, то вполне смогут опередить европейцев.

А, может, у них уже есть результат, и они вовсю готовят публикации?

Нет, нет. Они двигаются, и понятно, что им еще требуется два-три года до того, чтобы добраться до бозона Хиггса. Это сильно зависит от того, какая у него масса. И, конечно, они ничего не скрывают. Наоборот, они все время декларируют, что продвинулись еще и еще.

Так что эта частица найдется. И я думаю, хиггсовским бозоном результаты не ограничатся. Он как бы в кармане, но наверняка при энергиях LHC будут возникать совсем новые явления, и тут уж, действительно — сколько теоретиков, столько и мнений.

А «совсем новые» — это насколько новые?

Те, с которыми мы не сталкивались. Но вряд ли тут будет что-то капитально новое в смысле законов природы, квантовой физики, или что-то, выходящее за рамки теории относительности. Такого масштаба открытий я не ожидаю. Но можно ожидать нового в физике элементарных частиц, новой симметрии, или новых представлений о возможности составных частиц. Мы привыкли, что есть кварки и глюоны, связывающие их в протоны и нейтроны. Но, может быть, есть другой вид механизма, вообще другое представление о том, что такое составная частица. Что-то такое можно вообразить. Я жду интуитивно нового типа составленности. Даже само понятие «составная частица» может оказаться не вполне адекватным. Жду нового типа структур, структуризации вещества (элементарных частиц), может быть. Но посмотрим, поживем — увидим.

Могут ли на LHC наблюдаться эффекты, связанные с подтверждением теории суперструн?

В принципе, могут. Но я не думаю, что это реализуется. Теоретически, такая возможность есть. Теория суперструн нормально характеризуется очень большими масштабами. Если придерживаться наиболее консервативной точки зрения, то у нее масштаб несоизмеримо больше, чем масштаб энергии LHC. При таком подходе прямо эффекты теории суперструн не будут обнаружены. Но есть теоретическая возможность того, что энергетический масштаб на самом деле гораздо ниже, тогда LHC сможет к нему приблизиться. Но это все-таки экзотические возможности, связанные в первую голову с многомерностью пространства, с дополнительными пространственными измерениями. Если есть дополнительные размерности пространства, и их размер сравнительно большой, а соответствующий масштаб энергии сравнительно низкий, тогда теория суперструн может начать «работать». В таком варианте она может быть доступна LHC. Но это, как вы понимаете, достаточно экзотический вариант — возможность иметь пространственные размеры как раз такие, чтобы LHC до них дотянулся. Но она обсуждается.

Является ли многомерность пространства в теории суперструн чисто математической абстракцией или она наблюдаема?

И то, и другое справедливо. Теория суперструн довольно многогранная, многоликая. У нее есть реализации разного вида. Разного типа даже. Есть такое понятие, вакуум, основное состояние. И надо привыкать к тому, что свойства материи очень сильно зависят от того, как устроен вакуум. Вот тот же хиггсовский механизм… Правильнее, кстати, было бы называть его механизмом Энглера — Браута — Хиггса. На самом деле Энглер и Браут независимо от Хиггса предложили механизм «одевания» частиц массами, но про Энглера и Браута почему-то не очень упоминают.

Говорят, потому что так короче и удобнее.

Да, удобнее, но правильно «Энглера — Браута — Хиггса». Они даже немного раньше предложили этот механизм, чем Хиггс. Но у них не было самой частицы. То, что мы называем «механизм Хиггса», это механизм придания масс частицам. А частицу, которая является следствием этого механизма, заметил Хиггс. Поэтому «частица Хиггса» — это более или менее правильно, а механизм должен быть «Энеглера — Браута — Хиггса».

Но неважно, важно, что этот механизм полностью опирается на свойства вакуума. Основное в нем — это свойства вакуума, а не сама частица. Есть нетривиальный вакуум, нетривиальное основное состояние, при котором частицы «одеваются» массой. Вот в чем суть этого явления. Физические проявления теории очень сильно зависят от того, какой в ней вакуум. В теории суперструн есть много разных вакуумов, в которых система может находиться. И от этого сильно зависят проявления. Так вот, есть вакуумные состояния, в которых пространственные измерения вполне физические и могут быть наблюдаемыми, а есть вакуумы, в которых дополнительные пространственные измерения как бы скрыты, их не видно, и они непосредственно не наблюдаемы. Но, вообще, и та и другая возможность существует, и, в принципе, дополнительные измерения могут оказаться наблюдаемыми и вполне доступными экспериментально. Но при большом везении.

Теория суперструн — это теория гравитации. Согласуется ли она с общей теорией относительности Эйнштейна в области параметров, в которых обе применимы?

Да, несомненно, конечно. Это ответ однозначный.

Какова, вообще, область применимости общей теории относительности?

Это вопрос сложный. Потому что, если стоять на консервативной точке зрения, то это область энергий вплоть до безумных цифр. Проектная энергия LHC — 14 000 ГэВ, а общей теории относительности — страшно сказать: 10¹⁹ ГэВ. Представляете, что такое число с девятнадцатью нулями?

С трудом

10000 — это четыре нуля, а вам надо написать девятнадцать нулей, и это будет масштаб энергии. То есть это 10 миллиардов миллиардов ГэВ, в отличие от 14 000, до которых дотягивается LHC. Это консервативная оценка, которая связана с масштабом гравитационных взаимодействий. Это гравитационные взаимодействия, которые мы можем наблюдать и оценивать в лаборатории. Опять, если есть большие пространственные измерения, то все эти оценки летят. Тогда масштаб, где начинается выход за рамки общей теории относительности, может соответствовать масштабу энергии LHC. Это экзотика, но не запрещенная теоретически, и даже есть соображения в пользу такой возможности, хотя и зыбкие. Это что касается высоких энергий.

С другой стороны, если речь идет о низких энергиях и больших расстояниях, то общая теория относительности заведомо работает на расстояниях, сравнимых с размером скопления галактик. Это мегапарсеки, мегапарсек — три миллиона световых лет. На таких расстояниях общая теория относительности работает. А на космологических (еще больше — гигапарсеки) вопрос, работает, или нет. Опять. Если оставаться консерватором, то должна работать. Но есть такое явление — ускоренное расширение Вселенной. Может быть, его можно объяснить с помощью модификации общей теории относительности, изменениями законов гравитации на таких гигантских расстояниях. На эту тему думают, и я сам ее не оставляю. Но построить самосогласованную теорию сложно, хотя и нет указаний и на то, что этого сделать нельзя. Может быть, можно обойтись без всякой темной энергии, объяснить ускоренное расширение Вселенной тем, что общая теория относительности перестает быть применимой на космологических масштабах. Это очень увлекательное занятие. Потому что, в принципе, с помощью космологических наблюдений это дело в будущем можно будет проверить.

А Вы в этом смысле консерватор или нет?

Я держу глаза открытыми. Мне нравится и то, и другое. Конечно, надо пытаться смотреть в сторону более экзотических возможностей, оставаться консерватором в науке — это достаточно пустое дело. Но нужно понимать, где экзотика, а где возможность очень очевидная и правильная. Оба варианта пока кажутся экзотическими. И то, что есть большого размера дополнительные измерения, и то, что общая теория относительности меняется на космологических расстояниях. И красивой теории, которая бы сказала «Вот оно», пока нет, но это не значит, что ее не будет. Попытаться придумать что-то, наверное, возможно. Я и сам занимаюсь этим, и с интересом смотрю, что делают другие.

Когда этот вопрос прояснится, навскидку?

Если говорить о малых расстояниях, то эксперименты на LHC могут вполне на этот вопрос ответить. И если масштаб дополнительных измерений доступен для LHC, то это дело не очень далекого будущего, сигналы предсказываются такими моделями настолько яркие, что LHC будет вполне способен в этом разобраться. А большие расстояния, ну, это тоже не безумно далеко. Потому что космологические наблюдения, наблюдения астрономического типа, которые говорят о свойствах Вселенной, очень быстро прогрессируют, и не очень далеко будет видно, как именно ускорялась Вселенная в недалеком прошлом. И отсюда можно будет делать выводы о том, что это такое — темная энергия, или это космологическая постоянная, или новая гравитация на больших расстояниях.

Недалекое прошлое — это какое?

Это последние 8 миллиардов лет, по космологическим масштабам это недалекое прошлое. Вселенная, вообще-то, существует 14 миллиардов лет, речь идет примерно о половине возраста Вселенной.

В физическом минимуме В. Гинзбурга есть пункты «Экспериментальная проверка общей теории относительности» и «Гравитационные волны и их детектирование». О каких экспериментах идет речь?

Экспериментальная проверка общей теории относительности — это деятельность, текущая вовсю. Общая теория относительности, помимо классических эффектов, которые были обнаружены еще при жизни Эйнштейна, предсказывает многообразные эффекты: в распространении света, в поведении тела на земной орбите и так далее. Проверки ведутся постоянно, усовершенствуются. Есть хорошая статья на эту тему — Турышева в «Успехах физических наук», вполне доступная для чтения. Он сделал обзор таких экспериментов. Все, что я могу здесь сказать — это дать ссылку на этот материал, потому что подробностей экспериментов я не знаю. Это одно. И второе — гравитационные волны. Нет сомнений в том, что они существуют. По движению двойных пульсаров видно, что они излучают гравитационные волны, из-за этого уменьшается размер орбит, теряется энергия, и это вполне соответствует общей теории относительности. Так что в этом смысле нет сомнений, что гравитационные волны излучаются, как предсказал Эйнштейн. Это вопрос решенный. Несмотря на то, что их открытие как таковых еще не состоялось, и нет самих наблюдений.

А какие эксперименты проводятся по регистрации гравитационно-волнового сигнала?

Сейчас есть несколько больших детекторов. Самые крупные — LIGO в Америке и VIRGO в Европе, они имеют примерно одинаковую чувствительность. Было бы, наверно, чересчур оптимистично надеяться, что на них будет зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал, для этого все-таки нужно, чтобы были близкие источники. А рассчитывать на то, что они действительно есть, пожалуй, чересчур оптимистично. На сегодня они вышли на свои проектные параметры и ищут эти источники. Я не думаю, что они их обнаружат, но если это произойдет, то будет большое открытие. Дальше, конечно, планируются эксперименты в космосе.

Проект LISA? Насколько, вообще, реально построить такую установку?

Да. Со временем будет реально. Пока это немножечко прожектерство, но это вопрос технологий и техники эксперимента. Есть еще нерешенные проблемы и экспериментальные вопросы. Если сегодня им сказать — «Давайте, запускайте», они не смогут этого сделать. Например, потому, что зеркала на орбите надо удерживать с фантастической точностью. Иначе все время будет движение зеркал, не связанное ни с какими гравитационными волнами. Их нужно все время поддерживать в правильном положении с очень высокой точностью, и пока эту задачу решать не научились. Но научатся.

А наши ученые принимают участие в таких проектах?

Принимают. Но, к сожалению, я не могу сказать, что они лидеры в этом направлении. Национальных проектов такого сорта по гравитационным волнам нет. Есть небольшие установки и проекты, которые еще окончательно не реализованы, но они обладают чувствительностью пониже, чем LIGO. А в космических экспериментах участвуют, но не на лидирующих ролях.

Эксперименты, подтверждающие общую теорию относительности — чисто методические, или действительно в ней есть сомнения? Чем они мотивированы?

Почему методические? Всякую теорию полезно проверять. Есть много обобщений, расширений общей теории относительности. И теоретически они совершенно не исключены. Поэтому отклонения от общей теории относительности в тонких экспериментах возможны. Не то чтобы я их ждал, но сказать, что их нет, думаю, никто не может. Поэтому это не методические эксперименты. Вообще, любая теория тем лучше, чем точнее она проверена. А чем точнее она проверена, тем больше в нее верится. Это дело правильное и необходимое. Наткнемся на отклонения, в том числе и от общей теории относительности, вот будет задачка: что это такое, в чем дело? А это вполне может быть. Это нормальное движение науки. Вы делаете более точный эксперимент, чтобы углубиться в ту область, в которой вы еще не были, по энергиям, или по точностям, и всегда могут быть сюрпризы, таких примеров масса, когда вы натыкаетесь на нечто, чего и не ожидали. Вы думаете, что общая теория относительности верна в данном случае, а оказалось, что она на каком-то уровне перестает быть верной.

Это речь о частных случаях, а как они могут повлиять на всю систему?

Если общая теория относительности сдвинется, то это, конечно, будут капитальные изменения. Общая теория относительности — довольно жесткая теория. Ее расширение — это очень нетривиальное дело. Надо понимать, что это будет связано с новыми полями, с новыми геометрическими сущностями и так далее.

Сейчас всеобщее внимание приковано к такому беспрецедентному физическому эксперименту, как LHC. Осталась ли интересная физика в диапазоне более низких энергий, которые можно изучать на менее крупных машинах?

Конечно. Тут логика развития такая. Физика на малых расстояниях может проявляться в разных экспериментах. Это может происходить либо непосредственно в физике высоких энергий — по энергиям вверх и по расстояниям вниз. Высокие энергии дают возможность нащупывать детали все мельче и мельче. А второй вариант — когда физика на малых расстояниях проявляется в редких процессах, при низких энергиях. Например, слабые взаимодействия, про которые мы сейчас все знаем, впервые проявились в редких процессах бета-распада ядер, нейтронов. А всю картину слабых взаимодействий удалось расшифровать, когда ставились эксперименты на высоких энергиях масштаба 100 ГэВ. В 80-х гг., когда появились ускорители, стала видна вся картина слабых взаимодействий. То же самое и сейчас. Есть продвижение по энергетическому принципу — энергия вверх, это LHC. Но можно и нужно (и экспериментаторы так делают) искать редкие процессы. В данном случае это редкие распады мезонов. В них вполне может проявиться новая физика, этот поиск идет, и не исключено, что в какой-то момент мы увидим новые физические явления, изучая редкие процессы распада, которые уже известны теории, Стандартной Модели. На этот счет была большая надежда на B-фабрики, это электрон-позитронные ускорители с абсолютно не большими энергиями, типа 10 ГэВ, где рождаются тяжелые B-мезоны. Кстати сказать, новосибирские коллеги из Института ядерной физики принимают в этом деле очень активное участие, на первых ролях, вместе с коллаборациями из других институтов. Были большие надежды на то, что B-фабрики обнаружат новую физику, которая в Стандартной Модели не описывается. Пока эти надежды не оправдались, но это не значит, что следующий раунд экспериментов не приведет к этому. Поэтому для низких энергий есть и будут перспективы.

Ранее Вы говорили, что Байкальский нейтринный телескоп — это перспективный проект в области детектирования частиц, прилетающих из космоса. Есть ли продвижение на Байкале?

Продвижение сейчас, скорее, методическое. Это отработка экспериментальной техники, аппаратуры. Сейчас мои коллеги из нашего института, и других тоже, этим занимаются. Есть разные стадии проекта. Есть стадия подготовки, а есть стадия реализации. Сейчас идет стадия подготовки. Нужно понять, как все сделать, как расположить детектор, какие нужны узлы, электроника, чтобы детектор работал. Эта стадия закончится через год-другой. А дальше встанет вопрос финансирования. Можно было бы уже и сейчас начинать, хотя, возможно, и рановато. Но это вопрос буквально года, после, я думаю, они представят полноценный проект, который уже вполне можно реализовывать.

А как обычно в таких случаях разрешается вопрос финансирования?

К сожалению, нормального пути решения этого вопроса в нынешней конфигурации нет. Это достаточно дорогая установка, и организационно непонятно, кто должен принимать решение, чтобы дать средства для реализации такого проекта. Это тупиковая ситуация, которая существует в течение многих лет, когда непонятно, к кому обратиться, кто отвечает за реализацию таких проектов? И это есть проблема. Не знаю, как она решится. Кстати, для новосибирского ИЯФ вопрос финансирования тоже очень больной. У них есть прекрасный проект с-тау-фабрики, они знают, как его реализовать и сделали бы это в вполне разумные сроки. Но встает тот же самый вопрос: куда обратиться, чтобы этот проект можно было утвердить и получить финансирование.

А нельзя привлекать иностранных коллег?

Можно, это нормальная система, но иностранцы никогда не пойдут в проект, если нет однозначного решения о его финансировании, в данном случае в России, местными финансирующими организациями. Если 20–30 будет вложено ими, а остальное — местными, — сотрудничество возможно. А если такого решения нет, то разговаривать, конечно, будут, но реально вкладываться никто не станет. Поэтому, конечно, коллаборация необходима, в том числе с иностранными участниками, но ждать, что они возьмут этот проект на себя, не приходится. Ну зачем, например, европейцы будут вкладывать деньги в новосибирский ИЯФ, если они могут построить у себя соответствующую машину? Это очень сложный вопрос, чрезвычайно больной и тяжелый.

А там света нет, в конце тоннеля?

Есть, конечно, но о нем рано говорить.

Сейчас в СМИ пропиарен проект LHC, однако, известно, что в мире решаются задачи, которые в каком-то смысле не менее важны. Например, проект ITER, который, как ожидается, позволит научиться использовать термоядерную энергию в мирных целях. Почему о нем никто не знает?

Наверное, и про ITER знают. Почему один проект у всех на слуху, а другой нет, я не могу сказать, я не большой специалист в public relations. Хотя, конечно, проект важный, и в своей области обещает продвижение. Я не уверен, что такие проекты надо пиарить, это нормальное развитие науки. Вещь, конечно, дорогая, но что значит в наше время «дорогая»? В масштабе экономик, которые реализуют этот проект, это не безумно большие деньги. Конечно, надо, чтобы люди знали о больших научных проектах, но уж так пиарить, как LHC, наверное, не стоит. Я, кстати, не думаю, что люди из CERN специально этим занимаются.

У них же существуют целые программы для этого: экскурсии и прочее.

В ITER, я думаю, будет то же самое. Просто он еще не дошел до той стадии, чтоб было, куда привести экскурсии. Когда LHC начинал создаваться, такого жуткого пиара по всему миру тоже не было. А когда дело стало подходить к запуску, тут уже и появился всякий интерес.

Это сомасштабные установки?

LHC — это кольцо 27 километров, напичканное сложнейшим оборудованием. Это сверхпроводящие магниты и многое другое. В частности, новосибирские физики принимали в этом участие. ITER тоже масштабная установка. Она более компактная, но не менее дорогостоящая. И при этом не менее технологически сложная. Там тоже есть вопросы в подготовке проекта и его создании, которые до сих пор не разрешены. А это сложнейшая технологическая задача. Я бы сказал, что они по своим масштабам сравнимы. По геометрическим масштабам, масштабам интеллектуальных вложений и финансовых ресурсов.

Какое направление в теоретической физике, на Ваш взгляд, является наиболее перспективным?

Я могу сказать, что мне нравится больше всего. Мне кажется, что понимание со стороны большого и малого, физики элементарных частиц и космологии, с точки зрения теоретической физики, это интересное направление. Я говорю о своей области науки. В ней еще есть много задач для решения и понимания. Есть, о чем думать. А вообще, теоретическая физика многогранна. Например, сейчас есть очень красивые выходы из теории суперструн, теории струн в физику более низких энергий. Это выходы не прямые, не те предсказания, которые вы видите в фундаментальной теории суперструн. Нет, эти новые методы теории суперструн оказались очень интересными, важными и совершенно революционными для квантовой теории поля, которой люди занимаются в течение долгих лет. Оказалось, что есть модели, у которых совершенно необычное поведение. Обычные представления квантовой теории поля оказались сильно дополнены методами и представлениями, которые пришли из теории суперструн. Это значительное развитие произошло совсем недавно. Это очень увлекательное дело, и я знаю, что многие в него погрузились с головой. И, может быть, оно имеет прямое отношение к жизни, пока это сложный вопрос. Но это тоже очень интересное направление.