Юрий Тихонов (ИЯФ СО РАН) о Большом адронном коллайдере

Автор: Алла Аршинова

Опубликовано 26 августа 2010 года

С момента появления в прессе первых сообщений о Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, далее - LHC) прошло немало времени. С большим трудом мы, наконец, осознали, что "адская машина" не приведет к Большому взрыву и не спровоцирует конец света. Теперь мы знаем, кто такой Питер Хиггс, и что частица, названная его именем, действительно важна для понимания устройства мира. Но осознание того, как частица, которую никто и никогда не наблюдал, может "одевать" другие частицы массой, и как её наблюдение поможет разобраться с такими глобальными задачами, как, например, подтверждение Стандартной модели, есть не у всех. Тем более не ясно, как LHC расставит точки над i в теориях, объясняющих происхождение мира. За популярными ответами на эти и другие вопросы мы обратились к Юрию Тихонову, заместителю директора по научной работе Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).

- Юрий Анатольевич, расскажите, пожалуйста, о сотрудничестве ИЯФ СО РАН и CERN.

- Институт ядерной физики начал сотрудничать с CERN ещё задолго до появления Большого адронного коллайдера. Наши физики участвовали в нескольких экспериментах и ускорительных проектах. С началом строительства LHC (90-е годы) масштаб сотрудничества резко увеличился. Мы участвовали в разработке, изготовлении и запуске многих элементов ускорителя LHC. Как известно, основной задачей LHC является проведение экспериментов по физике элементарных частиц, для чего, кроме самого ускорителя, необходимы сложнейшие установки – детекторы частиц. Вторым направлением сотрудничества было участие в создании детекторов для экспериментов на LHC. ИЯФ внес большой вклад в разработку и строительство детектора ATLAS. ATLAS – самая большая и сложная установка для исследований по физике элементарных частиц, около 130 институтов из 40 стран участвовали в её строительстве. Физики ИЯФ предложили новый подход в создании калориметра на жидком аргоне, и этот проект был принят коллаборацией ATLAS. Всего за 10 лет в ИЯФ было разработано и изготовлено принципиально нового высокотехнологичного ускорительного и детекторного оборудования на сумму около 200 млн. долларов США. Следует отметить, что для изготовления оборудования привлекался ряд заводов России. В настоящее время физики ИЯФ успешно ведут эксперименты с детектором ATLAS. ИЯФ также участвует в экспериментах на детекторе LHCb, целью которых является изучение физики В-мезонов, в то время как ATLAS - универсальный детектор для исследования большого количества процессов.

- Что такое механизм Энглера-Браута-Хиггса и частица Хиггса?

- Начнем с простых вещей. Что такое взаимодействие? Все прекрасно знают, что Луна притягивается к Земле, а Земля к Солнцу. Это гравитационное взаимодействие. Также мы знаем электрическое (электромагнитное) взаимодействие: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Путем многолетних исследований было осознано, что переносчиком этого взаимодействия являются безмассовые частицы - фотоны. Но в процессе развития физики выяснилось, что есть и другие типы взаимодействий.

Физика элементарных частиц - это не оторванная или абстрактная наука, это наше желание осознать устройство мира. Человек любопытен, и одно из его основных желаний на протяжении веков - понять, как все устроено. В детстве мы ломаем игрушки и разрезаем яблоко, чтобы узнать, что внутри. А потом, переходя к меньшим масштабам, мы уходим в мир элементарных частиц и хотим найти самый маленький кирпичик, из которого состоят все другие частицы.

Итак, развитие физики привело к тому, что были открыты четыре фундаментальных взаимодействия: сначала гравитационное и электромагнитное, которые определяют нашу повседневную жизнь, потом было осознано, что есть силы, связанные со строением ядра (это сильные взаимодействия). Было также понято, что есть и слабое взаимодействие, объясняющее распад нейтрона. С повышением энергии роль слабого взаимодействия растет, условно оно становится сильнее, а электромагнитное - слабее.

Было доказано, что эти взаимодействия между собой очень сильно связаны. Их объединение и привело к появлению электрослабой или Стандартной модели. Слово "Стандартная" появилось случайно, это означает, на мой взгляд, что это устоявшаяся красивая теория. Попытки объединения электрических и слабых сил были очень продуктивны, но в любой теории есть свои вопросы. Чтобы она была самосогласованной, и в ней не было внутренних противоречий, потребовалось ввести ещё одно поле - скалярное, или Хиггсовское, которое взаимодействует и с электромагнитным, и со слабым полем. С ним электрослабая модель становится согласованной, в ней исчезают расходимости, и это само по себе - большое достижение теории.

Тем не менее, электрослабая модель в её первоначальном виде не отвечала на очень важные вопросы. Откуда берется масса? Почему некоторые частицы являются безмассовыми? Почему массы такие разные? Есть, например, электрон, у которого масса всего лишь половина 1 МэВ, есть пи-мезон, масса которого около 130 МэВ, есть W-бозон, переносчик слабого взаимодействия, его масса 100 ГэВ. Это колоссальный масштаб различия масс, что тоже само по себе уникальное явление! Надеясь ответить на эти вопросы, Питер Хиггс предложил механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Это нетривиальное явление не следует из известных законов физики, а придумано человеком.

В механизме Хиггса вводится специальная зависимость потенциала скалярного поля от величины поля, которая симметрична и является неустойчивой. В природе неустойчивое состояние не может сохраняться долго и переходит в состояние с минимальной энергией. Это общеизвестное явление.

Явление спонтанного нарушения симметрии, то есть явление, при котором зависимость поля от потенциала становится несимметричной, получило название механизма Хиггса. Безмассовые поля (векторные бозоны) поглощают часть скалярного поля и приобретают массу. Оставшееся скалярное поле также имеет массу и проявляет себя как новая скалярная частица - бозон Хиггса.

Обнаружение бозона Хиггса будет являться основным доказательством, что этот механизм правильный, что природа устроена именно так, как мы думаем. Теория не исключает нескольких Хиггсовских бозонов.

Нынешнее время - это эра торжества Стандартной модели. Она замечательным образом объясняет явление нарушения комбинированной четности. Нет ни одного эксперимента, где бы было значимое указание на то, что в ней есть нарушения. За исключением, пожалуй, аномального магнитного момента мюона, где есть некое отклонение от Стандартной модели, и это есть предмет дальнейшей работы и теоретиков, и экспериментаторов.

- То есть других отклонений нет?

В том виде, в котором Стандартная модель существует сейчас, она объясняет все явления, доступные для экспериментальной проверки, и нет явлений, которые не согласовывались бы с экспериментом. Но мы определенно знаем, что Стандартная модель не охватывает всего, и попытки по её подобию объединить все взаимодействия (это называется Великое объединение) встречают существенные затруднения. Дело в том, что константы взаимодействий ведут себя так, что как бы "хотят" сравняться при энергиях ~10¹⁵ ГэВ.

В простом расширении Стандартной модели это не происходит в одной точке. Кроме того, в таком подходе устремляются в бесконечность радиационные поправки к массе Хиггсовского бозона, что очень неприятно с теоретической точки зрения. Но здесь на помощь приходит другой класс теорий - суперсимметричные модели.

- Почему тогда считается, что Стандартная модель требует подтверждений?

- Без наблюдения таких фундаментальных явлений, как механизм Хиггса, мы никогда не будем уверены, что природа устроена именно так, как мы предполагаем. Поэтому это первоочередная задача. Предположим маловероятный случай, что Хиггсовский бозон не будет найден. Это будет означать, что мир устроен совсем по-другому, чем мы думали.

- Возможно ли построение с помощью LHC новой картины мира?

- LHC, конечно, ответит на многие вопросы. В частности, будет вестись поиск суперсимметрии. Суперсимметрия - это гипотетическая симметрия, связывающая фермионы и бозоны, это значит, что они могут переходить друг в друга. В суперсимметричных моделях возможно объединение всех взаимодействий. Константы слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий сравниваются в одной точке, решается вопрос расходимостью радиационных поправок к массе Хиггсовского бозона. Суперсимметричные модели предсказывают большое количество частиц с массами, доступными для изучения на LHC. И если суперсимметричные частицы будут открыты на LHC, это будет, несомненно, революционный шаг в нашем понимании мира и новое торжество Стандартной модели. В суперсимметричных моделях может быть введена и гравитация.

- Частица Хиггса пока не обнаружена. Какие есть косвенные или прямые подтверждения существования механизма Энглера - Браута - Хиггса?

- Косвенных подтверждений, что Хиггсовский бозон существует, очень много. Он входит в расчёты всех процессов в Стандартной модели, в них обязательно есть обмен Хиггсовским бозоном. Без него невозможно вычислить многие измеряемые величины, такие как массы векторных бозонов и Т-кварка, бегущую константу электромагнитного взаимодействия и другие. Более того, из прецизионных измерений этих величин получаются серьёзные ограничения на массу Хиггса: она не может быть более 165 ГэВ с вероятностью 95%. Нижний предел составляет 115 ГэВ (означающий, что Хиггс с массой менее 115 ГэВ не существует) получен экспериментально на установке LEP в CERN.

- Какие теории ожидается подтвердить с помощью LHC? В каком из этих направлений уже есть намеки на результаты?

- Это Стандартная модель, теория суперсимметрии, вполне возможно, подход дополнительных измерений. Проблемы дополнительных размерностей обсуждались ещё в двадцатых годах прошлого века. Мы привыкли к четырём измерениям - три координаты и время, но чисто математически вы можете ввести хоть сто. А физики с помощью такого подхода пытаются придумать механизм, который бы объяснял мир. Считается, что те энергии, которые нам доступны, позволяют видеть всего лишь четыре измерения, а при больших энергиях нам станут доступны другие. Это явление называется компактификацией измерений. Предполагается возможность такого сценария: бозон Хиггса есть, но нет суперсимметрий. Или же: нет ни бозона Хиггса, ни суперсимметрий.

Теории с дополнительными размерностями претендуют на то, чтобы объяснить все явления. Если масштаб, на котором начинают проявляться дополнительные размерности ~1 ТэВ, то это явление доступно для наблюдения на LHC.

- А почему у LHC именно такая проектная энергия?

- Только из финансовых соображений. Технических причин нет. В девяностых годах в Америке полных ходом шел проект SSC (Superconducting Super Collider) с энергией в четыре раза большей, чем у LHC, и наш институт активно участвовал в строительстве этого ускорителя. Уже был прорыт туннель в сто километров, но потом конгресс США закрыл этот проект по чисто политическим мотивам. Если бы он не был остановлен, то, несомненно, мы бы уже получили ответы на многие вопросы, и не надо было бы строить LHC, полная стоимость которого 5 миллиардов долларов.

При этом стоимость проекта минимальная: изначально туннель в 27 километров был уже готов, он остался от предыдущего ускорителя LEP. Рассматривается вариант, что потом, когда мы научимся делать магниты с большим полем, можно будет увеличить энергию. Технически в настоящее время возможно поднять энергию и в 10 раз, и в 20, это вопрос чисто экономический.

- Какие основные физические результаты были достигнуты после последнего запуска?

- Результаты, которые были достигнуты - демонстрационные, они не являются открытиями, но они очень существенные. Реальную работу на LHC начали с марта, и уже удалось увидеть почти все известные частицы, такие как W-бозон, Z-бозон. И всё, что было зарегистрировано на LHC, хорошо совпадает с теорией.

Для такого короткого время это колоссальный успех. В физике частиц обработка данных проходит годами, а здесь фактически в реальном времени набирается статистика, и сразу выдается результат. Но пока количества набранных событий недостаточно для обнаружения бозона Хиггса. Несмотря на это, с детектора ATLAS на последнюю международную конференцию было представлено 40 докладов. Публикации идут полным ходом. Ведь кроме бозона Хиггса есть масса другой физики, поскольку мы работаем в новой области энергий, нужно измерять зависимости сечений от энергии, вероятности выхода частиц и многое другое.

Для изучения того же бозона Хиггса, необходимо исследовать множество "второстепенных" процессов, которые представляют сами по себе большой интерес.

- Когда предположительно проявится частица Хиггса?

- В ближайшие полтора года, на мой взгляд, она не будет открыта, потому что не хватает эффективности установки (светимости). Рост светимости сейчас достаточно быстрый, ведь кроме энергии должно быть достаточное количество столкновений. Но маловероятно, что в ближайшие полтора-два года наберётся нужная статистика. Числа столкновений будет недостаточно. В связи с этим работу установки Tevatron в Америке (где ведется также поиск бозона Хиггса при энергии в 3 раза меньшей, чем на LHC), которую планировали остановить в 2011, решили продлить ещё на три года. Так что открытия бозона Хиггса следует ожидать года через три.

- Что входит в список физических задач, которые официально стоят перед CERN?

- Это огромная физическая программа. В нее входит поиск бозона Хиггса, поиск суперсимметричных частиц, поиск дополнительных размерностей, изучение физики B-мезонов, изучение физики тяжелого кварка, топ кварка, изучение эффектов несохранения CP-четности, тау-лептона, поиск частиц тёмной материи и многое другое. В ближайшие 15 лет LHC останется установкой с самой высокой энергией, где будет решаться много задач, и вполне возможно, что мы увидим то, чего и не ожидали.

Слово "коллайдер" стало на слуху, когда начал запускаться LHС. Но надо понимать, что физика элементарных частиц не началась и не кончается этим проектом, есть и другие, они дают не меньший вклад. Очень важны эксперименты на коллайдерах при низких энергиях. Например, в нашем институте работают два таких коллайдера ВЭПП-4М и ВЭПП-2000, с энергией соответственно 12 ГэВ и 2 ГэВ. ВЭПП-2000 - новая установка, которая начала работать в 2009 г., и имеет в настоящее время самую высокую светимость в этой области энергий. (ВЭПП - встречные электрон-позитронные пучки).

LHC и эксперименты на низких энергиях не исключают друг друга, а дополняют. Многие явления не могут быть поняты при сверхвысоких энергиях: явления LHCf.

- Это так называемая forward physics (физика "вперед"), то есть наблюдение частиц, которые вылетают вперед по ходу пучка. Она не только интересна, но и важна. Такие детекторы, как ATLAS и CMS, регистрируют частицы, вылетающие под сравнительно большими углами. Часто протон с протоном сталкиваются периферийно, как бы касаясь друг друга, а многие вторичные частицы уходят в конус, который является "мёртвой зоной" для больших детекторов. Дополнительная установка детекторов под очень малыми углами, несомненно, даст новую, дополнительную информацию.

- Последний вопрос: какова реальная польза человечеству от LHC?

- Путь прогрессивного развития человечества предполагает добывание новых знаний, которые могут быть получены только в совместной работе и над теорией, и над экспериментом, история это уже доказала. Теоретическая мысль может быть широкой и разноплановой, и для неё всегда важно иметь экспериментальное указание - в каком направлении нужно работать. И если мы решим, что нам достаточно сотовых телефонов, телевидения и ядерных реакторов, тогда можно отказаться от проектов, подобных LHC. Можно жить и так. Но прогресс не остановить. Мы хотим знать, что было в начале, где мы сейчас, и что будет в будущем. И, конечно, LHC - это один из инструментов, с помощью которого можно получить это знание.

Профессионально физику элементарных частиц понимают немногие, но это нормально, что науку "делает" очень малое количество людей, а пользуются все.

Общество должно осознавать, что получение нового знания является приоритетом. Насколько это знание может быть использовано в повседневной жизни? Если говорить о реальной пользе, то можно только приводить примеры из истории. По-видимому нет ни одного явления в физике, которое бы не получило практического применения. Электричество и радиоволны, ядерная физика, все, что было предметом научного любопытства, пошло в народное хозяйство. Всего сто лет назад считалось, что радиоактивность - это просто забава, а электричество считалось фокусами. Можно ли было 15 лет назад представить, что почти у каждого будет сотовый телефон и ноутбук?

Кроме чисто научного интереса при создании установок масштаба LHC большое значение имеет технологический прогресс, потому что физика элементарных частиц требует новых технологий, которые впоследствии используются и в других областях.

Но говорить о том, что через два года с помощью экспериментов на LHC уровень жизни улучшится, нельзя. Да, мы хотим знать настоящее, прошлое и будущее нашей Земли. Но эти знания, вообще-то, на нашей жизни сразу не скажутся.