Такие слова завершали описание нового ускорителя, решение о строительстве которого было одобрено 16 декабря 1994 года Советом ЦЕРН — Европейской организации по ядерным исследованиям, в статье «Три пути в микромир» (см. «З-С», № 11/95), обозревавшей состояние физики элементарных частиц. А положение этой области науки, после многолетних триумфов, было как никогда сложным. Несколькими месяцами ранее мы опубликовали письмо нобелевского лауреата Леона Ледермана (см. «З-С», № 12/94), горько сетовавшего по поводу закрытия американского проекта суперколлайдера SSC и считавшего, что «нам еще долго придется вместе работать, чтобы восстановить прежний энтузиазм финансирования науки». Решение создать Большой адронный коллайдер (LHC), осуществление которого стало беспрецедентным примером международного сотрудничества ученых и консолидации усилий физиков, возродило надежды на получение новых научных результатов.

Похоже, эти надежды близки к исполнению: мы находимся накануне запуска уникальной машины.

Что же рассчитывают найти с ее помощью физики? Какие накопившиеся проблемы позволит она прояснить? Как создавался ускоритель и организовывалась работа на нем? Что внесли в подготовку экспериментов и как собираются участвовать в них российские физики? Хотя наш журнал не упускал из поля зрения эту тему и постоянно информировал о продвижении проекта, пришло время собрать вместе ученых и журналистов для обозначения рубежей, которые должна преодолеть наука после начала работы LHC.

Александр Грудинкин

 

В ожидании хиггс-бозона

В физике микромира решение многих проблем зависит от такой гипотетической частицы, как хиггс-бозон. В 2000 году ученые ЦЕРН были как никогда близки к его открытию, но... на долгих семь лет знаменитый женевский центр закрылся на переоборудование. С вводом в этом году в эксплуатацию Большого адронного коллайдера LHC в ЦЕРН ученые надеются наконец отыскать эту неуловимую частицу.

Питер Хиггс

Когда-то для проведения научных экспериментов на самом высоком уровне достаточно было лишь посадить яблоню, а потом в пору урожая расположиться под ней на досуге. Траектория падающего плода открывала пытливым умам пути передвижения планет и фундаментальные законы взаимодействия всех объектов Вселенной.

На протяжении двух веков картина мира, рожденная лишь оттого, что ветер качнул веткуяблони,вполне удовлетворяла ученых, пока — по воле Эйнштейна и теоретиков квантовой физики — за пределами привычного, точно очерченного мироздания не открылись дали Макрокосма и Микрокосма, конца которым не видать, сколько бы ни вглядывались в них исследователи, какие бы новейшие приборы они ни использовали. За одной Вселенной, пусть пока в гипотезах, открывается череда параллельных Вселенных; внутри одной элементарной частицы, — к примеру, протона — открылись новые: кварки.

Но поиск истины в бесконечности становится все дороже. Время простых экспериментов прошло. Вместо яблони в цвету, которую мог бы вырастить каждый, — грандиозный ускоритель стоимостью в четыре миллиарда евро; его сооружали несколько тысяч человек из полусотни стран. Вместо садика возле дома — туннель протяженностью почти три десятка километров, а в нем на мгновение возникает частица, меньше которой ничего нельзя представить. Вместо одинокого мыслителя — международный коллектив, насчитывающий многие тысячи ученых. Это — ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер

На берегу Женевского озера царит идиллический покой. На северо-западе вздымаются покрытые снегом вершины Французской Юры, а на юговостоке застыл белоснежный Монблан.

Именно здесь и будут воссозданы условия, царившие во Вселенной вечность назад — через считанные доли секунды после Большого Взрыва. Здесь осенью этого года должен вступить в строй Большой адронный коллайдер стоимостью около четырех миллиардов евро и протяженностью 27 километров — крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц. Его рабочая температура составит -271 градус по Цельсию, что на градус ниже средней температуры Вселенной. Подобная температура нужна для создания гигантского магнитного поля, удерживающего атомные ядра в коллайдере. Это поле окажется в 200 тысяч раз мощнее магнитного поля Земли.

Заставляя частицы сталкиваться почти со световой скоростью (0,999999991 от скорости света. — А. Г.), физики надеются увидеть то, что было сразу после Большого Взрыва, когда в мироздании действовала одна-единственная Первосила, еще не расщепившаяся на четыре известных нам фундаментальных взаимодействия (это произошло по мере расширения Вселенной).

Возможности Большого адронного коллайдера в сотни раз превосходят возможности лучших современных ускорителей. Этот коллайдер, надеются ученые, произведет в физике такой же переворот, как и Космический телескоп имени Хаббла — в астрономии.

Каждую секунду в подземном туннеле будет происходить до тридцати миллионов столкновений протонов. Каждую секунду детекторы коллайдера будут регистрировать около ста миллиардов вторичных частиц.

Специально для обработки собранных данных создана новая «всемирная сеть связи» — Data-Grid, своего рода преемница «мировой паутины». Благодаря ей ученые всего мира получат доступ к данным, собранным в ЦЕРН, и займутся их обработкой. К началу 2007 года к этой сети были подключены 90 тысяч компьютеров в тридцати странах мира, связанные с ЦЕРН с помощью сверхбыстрых «трафиков».

Для чего же все эти громадные затраты? Для чего самые большие коллайдеры и детекторы? Для чего миллиардные расходы? Ученые надеются уже в ближайшие годы получить ответ на самые волнующие вопросы физики и космологии.

Почему наша Вселенная содержит в основном вещество? Почему в ней почти нет антивещества (см. «З-С», № 2/06, с. 50)? А почему все многообразие элементарных частиц можно свести по сути к комбинации шести кварков и шести лептонов? А какова размерность нашего пространства? Если в нем и впрямь более трех измерений, как считают многие физики, то во время экспериментов на Большом адронном коллайдере, возможно, удастся обнаружить следы частиц, прилетевших из дополнительных измерений. По мнению некоторых исследователей, быть может, будет доказано даже существование многомерных черных дыр.

Церн — Cern

CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire), Европейская организация по ядерным исследованиям, была основана двенадцатью странами Европы в 1954 году. Ее создатели намеревались бросить вызов ведущей научной державе того времени — США — и прекратить «утечку мозгов», отъезд европейских ученых в крупнейшие университеты США. Задуманное удалось. Сегодня в штате ЦЕРН числится около трех тысяч сотрудников, и еще здесь работает около 6500 ученых, приглашенных со всего мира. ЦЕРН стал крупнейшим в мире научным центром подобного рода.

Последняя тайна бытия

Загадки мироздания могут быть самыми элементарными, самыми очевидными. Вот уже многие десятилетия физики пытаются понять, что такое масса и почему мельчайшие частицы вещества наделены ей? Из чего — почему бы не сказать так? — состоит «элементарный заряд массы»?

Порой в отчаянии исследователи готовы отшутиться, сказав, что тайну сию не ведает сам Бог. Так, в популярном у немецких физиков анекдоте Вольфганг Паули — знаменитый теоретик, известный и своей нелюбовью к экспериментам и въедливостью в вопросах теории, — возносится по смерти на небеса, где встречает Господа Бога. Сей покровитель блаженных физиков обещает ученому раскрыть — по его выбору — одну из загадок бытия. «Так что же такое масса?»

— немедленно спрашивает Паули. Добрый пастырь берет мелок и покрывает школьную доску, встречающую вас у входа в Царство Небесное, многими строками формул. Паули смотрит на написанное, досадливо машет рукой, и, взывая в отчаянии к небесам, стирает многоумные значки:

«Да что Вы, Боженька? Так не пойдет! Я уже давно это проверил!»

Итак, вопрос «Почему элементарные частицы наделены массой?» остается одной из глубочайших загадок физики. Ведь им вовсе не обязательно иметь массу, чтобы оставаться самими собой. Например, фотоны — частицы света — не имеют массы покоя, они непрестанно пребывают в движении, проносясь со скоростью света по Вселенной.

В отличие от них протоны, нейтроны и электроны обладают массой покоя и — благодаря этому — могут находиться в покое, будучи наделены определенной инерцией, то есть сопротивляясь попыткам изменить скорость их движения. Нужно затратить энергию, чтобы сдвинуть их с места, так же, как нужно затратить энергию, чтобы остановить их. Чем же объясняется их поведение? Почему одни частицы оказываются инертнее других? Почему одним требуется больше энергии, чтобы начать движение, чем другим?

Все ответы неминуемо сводятся к одному — к «Массе частиц», этому важнейшему ориентиру в мире физики, за которым расстилается непроницаемый мрак. Можно лишь гадать, что находится за ним. Здесь в цепочке логических рассуждений возникает сингулярный разрыв — белое пятно на карте физических экспериментов, проведенных в последние десятилетия. Пятно, само существование которого объясняется, может быть, тем, что у физиков «не хватало энергии», чтобы добраться в этот неведомый край. Новейший коллайдер под Женевой — лучший пока транспорт для езды в незнаемое. Возможно, он доставит их к «полю Хиггса». Ведь большинство физиков убеждено сейчас в том, что именно это поле наделяет элементарные частицы массой.

Частица Хиггса

Итак, со времен Эйнштейна было известно, что все частицы, чья масса покоя равняется нулю, движутся со световой скоростью, и, наоборот, частицы, обладающие массой покоя, не могут достичь световой скорости.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс предположил, что существует некое, не известное пока науке поле, напоминающее, скорее, тягучий, растекшийся мед. Все мироздание заполнено им. Оно всегда, при самой низкой энергии, отлично от нуля. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с ним сильнее, легкие — слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу. Лишь некоторые частицы, — вспомним снова фотоны, — беспрепятственно минуют это поле.

Кстати, нечто подобное происходит, когда заряженная частица летит, ускоряясь под действием электромагнитного поля — она тоже получает некий прирост массы от этого поля. В этом отношении поле Хиггса ничем не отличается от электромагнитного.

Пытаясь пояснить, каким образом элементарные частицы приобретают массу, физики нередко прибегают к различным образам. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Таким образом, масса любой элементарной частицы представляет собой не что иное, как результат ее взаимодействия с полем Хиггса, пронизывающим весь космос. Сами по себе частицы, повторим, не имеют массы покоя. Если бы не поле Хиггса, все они двигались бы со световой скоростью — лишь это поле наделяет их инерцией. Его напряженность везде одинакова. В отличие от электрических и магнитных полей, в поле Хиггса нет никаких силовых линий. Оно, как говорят физики, является «скалярным полем». Поэтому любые частицы одного и того же вида, где бы они ни находились и в каком бы направлении ни двигались, наделены одинаковой массой.

Каким же образом физики намерены доказать, что поле Хиггса существует? По квантовой теории, любое физическое поле может обнаружить себя благодаря частицам, порождаемым им. Ведь энергия излучается определенными порциями — квантами, которые можно воспринимать как частицы. Например, квантами электромагнитного (в узком смысле — светового) излучения как раз и являются фотоны.

Так вот, если в поле Хиггса произойдет достаточно мощное столкновение элементарных частиц, например, протонов, разогнавшихся почти до световой скорости, то выделятся «кванты» этого поля — так называемые частицы Хиггса — хиггс-бозоны, которые, правда, тут же распадутся на более легкие частицы, но по характерным продуктам распада можно будет восстановить случившееся.

Хиггс-бозоны должны иметь, кстати, некоторые странные особенности, которые резко отличают их от других бозонов. Например, спин. Все бозоны обладают только целыми значениями спина, а вот у хиггс-бозона спин равен нулю. Далее, этот бозон по-разному ведет себя с другими частицами и тем самым дает им разную массу. Все частицы, начиная с электронов и кончая крохотными нейтрино, получают массу от хиггс-бозонов.

Как ожидают ученые, в экспериментах на коллайдере, наконец, удастся обнаружить хиггс-бозон, если, конечно, он существует и ведет себя, как предсказано. В этом случае детекторы коллайдера будут, по всей вероятности, два-три раза в час регистрировать его. До сих пор его не удавалось обнаружить, возможно, потому, что энергия столкновений частиц во время экспериментов на коллайдерах прежних типов оказывалась недостаточно велика для этого. Известно, что масса хиггс-бозона — в энергетических единицах — должна быть больше 110 и меньше 250 гигаэлектронвольт.

По мнению некоторых ученых, имеется пять разновидностей хиггс-бозонов: три нейтральные и две заряженные. Однако Стандартная модель физики не позволяет точно рассчитать массу этих загадочных частиц; она ничего не говорит о том, как возникло поле Хиггса и как быстро распадаются хиггс-бозоны.

Сплошные физические потемки

Итак, предположим вслед за Хиггсом, что названное в честь него поле наделяет элементарные частицы определенной массой. Роль этого поля, — а значит, и роль хиггс-бозонов, — столь важна, что некоторые физики, кто иронично, а кто велеречиво, именуют эти неуловимые бозоны «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной». «И увидел Бог, что это скучно» — такими словами начинает повествование о хиггс-бозонах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман, назвавший эти частицы «божественными». Однако все поиски хиггс-бозонов были напрасны. Поле Хиггса не удалось зафиксировать ни в одном эксперименте.

Так, осенью 2000 года из лаборатории ЦЕРН пришло известие, взволновавшее научный мир: при столкновении позитронов и электронов, разогнанных до невероятно большой скорости, похоже, обнаруживались следы хиггс-бозонов. Но подтвердить этот результат так и не удалось.

Понятно, с каким нетерпением физики ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера. «Дни хиггс-бозонов сочтены», — слышится вновь и вновь.

Но если во время экспериментов на коллайдере удастся доказать существование хиггс-бозонов, значит ли это, что проблема массы элементарных частиц раз и навсегда будет решена?

Скорее, нет. Мы и тогда будем лишь самым схематичным образом представлять себе, как частицы приобретают массу. Непонятно, например, почему массы различных элементарных частиц разнятся. Почему у протона одна масса покоя, у нейтрона — другая, у электрона — третья?

Вопрос кажется таким же наивным, как и вопрос «Почему Иванов — блондин, Петров — брюнет, а Сидоров — рыжий?», которым задаются разве что первоклашки. Но ведь последний, на самом деле, приводит нас к одной из фундаментальных проблем мироздания — к осознанию того, что у всего живого есть уникальный генетический код, окрашивающий шевелюру того же Петрова в темные тона. Так что же «окрашивает» протоны с электронами, бороздящие всемирное поле Хиггса? «С открытием частиц Хиггса загадка существования массы фактически будет лишь отодвинута дальше в сторону», — полагает физик- теоретик Харальд Фрицш из Мюнхенского университета.

Тут даже не скажешь, что, обнаружив поле Хиггса, физики облегчат себе жизнь. Наоборот, они столкнутся со все новыми проблемами. Так, вычисляя плотность энергии Вселенной, пришлось бы неминуемо, в каждой ее точке, учитывать это вездесущее энергетическое поле, причем разница между тем, что наблюдают астрономы, и тем, что явствует из расчетов, еще больше увеличилась бы.

Чтобы объяснить эту разницу, приходится прибегать ко все новым гипотезам, например, предполагать, что пространство «истинного вакуума» до того, как его заполнило поле Хиггса, было повсеместно отрицательно искривлено. Мы опять вступаем в «сплошные физические потемки». Поиск частиц Хиггса в женевском коллайдере не поможет решить эту проблему — мы лишь убедимся в том, что сделали шаг в верном направлении (а физики почти не сомневаются в этом и сейчас). Но какие открытия нас ждут на этом пути?

Большой адронный коллайдер

Тип: кольцевой ускоритель, в котором будут сталкиваться преимущественно протоны. Назначение: поиск частиц Хиггса и суперсимметричных частиц.

Место расположения: ЦЕРН, Женева (Швейцария).

Размеры: периметр — 27 километров; ускоритель расположен в 50-150 метрах под землей.

Отличительная особенность: самой большой в мире ускоритель элементарных частиц.

Начало строительства: 2001 год.

Ввод в эксплуатацию: осень 2007 года.

Стоимость: 3,9 миллиарда евро.

Страны, финансировавшие строительство: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария, Швеция.

В планировании и строительстве коллайдера принимали участие также исследователи из Израиля, Индии, Канады, России, США, Японии и некоторых других стран.

Суперсимметрия? Гут!

Как шутят физики, работа на новом ускорителе сродни плаванию Колумба: мы тоже ищем путь в Индию, но, возможно, обнаружим попутно что-то иное, например, суперсимметричные частицы (см. «З-С», № 8/02, с. 53). В самом деле, энергия соударений частиц в новом коллайдере будет так высока, что при их распаде могут обнаружиться частицы, чье существование предсказано теорией суперсимметрии. Их открытие станет важным шагом на пути к созданию Единой модели мироздания, которая объединит все известные нам фундаментальные взаимодействия.

Кстати, если принять существование суперсимметричных частиц, из него автоматически вытекает одно странное свойство поля Хиггса. Все другие виды полей добавляют Вселенной энергию, а поле Хиггса, как показали расчеты, ее убавляет. Иначе говоря, для того, чтобы Вселенная пришла в состояние с самой низкой энергией, все другие поля должны исчезнуть, а поле Хиггса, наоборот, должно существовать.

Это свойство поля Хиггса позволило американскому физику Алану Гуту и его российскому коллеге Андрею Линде объяснить, как родилась наша Вселенная. В начале она была очень горяча, а при высоких температурах поле Хиггса «съеживается» до нуля. Но нулевое значение поля Хиггса означает, что энергия Вселенной не минимальна, а больше нуля. Иными словами, в начальной Вселенной была запасена огромная энергия. Ее было так много, что Вселенная какое-то — очень малое — время расширялась и охлаждалась даже ниже той точки, когда должно было появиться поле Хиггса. Вселенная, так сказать, «переохладилась», и это привело ее в особое состояние «ложного вакуума». Это такое состояние, когда возникает сила отрицательного давления, проще говоря, расширение.

Все ухабы ведут к Хиггсу?

Как ищут новые элементарные частицы? Для начала теоретики предсказывают, какой примерно должна быть масса этой частицы в энергетических единицах, в миллионах электрон-вольт, каково должно быть время ее жизни и на какие частицы она, скорее всего, должна распадаться. Экспериментаторы создают устройства, способные регистрировать следы распада этой частицы, разгоняют электроны или протонный пучок в своем ускорителе до нижней границы указанной им энергии и начинают ловить результаты столкновения этого пучка с мишенью. Если искомая частица имеет массу на нижнем пределе, эксперимент должен сразу привести к рождению большого числа таких частиц и к большому числу распадов — приборы тотчас это заметят. Если нет, нужно повысить энергию разгона и повторить эксперимент. И вот, наконец, «пик» на горизонтали графика, «ухаб на гладкой дороге» — следы распада, те вторичные частицы, которые, по словам теоретиков, должны появиться только при распаде той самой долгожданной частицы. «Ухаб» — реальное свидетельство успеха, если, конечно, он пришелся на соответствующую энергию и сопровождался теми вторичными частицами, что нужно.

Именно такой «ухаб» и обнаружился в декабре 2006 года в эксперименте Джона Конвэя из знаменитой лаборатории имени Ферми в Чикаго. Этот «ухаб» — результат распада гипотетической частицы Хиггса на две более легкие, а тех на еще более легкие — пришелся на энергию в 160 миллионов гигаэлектронвольт. Подобная энергия — как раз та минимальная энергия, которую теория предсказывает для одного из видов частицы Хиггса. В пользу неслучайности результата говорит еще один факт: одновременно с Конвэем этот «ухабчик» обнаружила работавшая совершенно независимо группа Дорриго. Что-то покажут ближайшие эксперименты?

Как только Вселенная пришла в это состояние, она начала стремительно расширяться, что было названо инфляцией. Инфляция продолжалась безумно короткое время, но за него Вселенная успела охладиться уже настолько, что поле Хиггса наконец появилось, как кристалл возникает из охлаждающегося раствора. Как только оно родилось, то тут же дало фотону и частицам слабых сил разные массы. Прежде массы этих частиц были нулевыми, и соответствующие им силы — электромагнитные и слабые — были одной и той же единой «электрослабой» силой, а теперь она разделилась на две.

Поле слабых сил, в свою очередь, тотчас нарушило закон четности, а это привело к тому, что равновесие между веществом и антивеществом, характерное для горячей Вселенной, тоже нарушилось: частиц стало больше, чем античастиц, и Вселенная стала заполняться частицами вещества, которые под воздействием поля Хиггса начали приобретать массы и вступать во взаимодействие друг с другом, результатом чего в конечном счете стало рождение атомов, звезд и галактик. Так что без поля Хиггса Вселенная просто осталась бы совершенно пустой. Нет, не случайно Ледерман назвал хиггс-бозон «божественной частицей»! Ведь он сыграл самую деятельную роль в становлении Вселенной. И если так, то тем более понятно стремление физиков обнаружить эту частицу и изучить ее загадочные свойства.

P.S. К сожалению, не исключен и такой вариант, что исследователям ЦЕРН так и не удастся найти ничего нового, и это будет настоящим научным кошмаром. Ведь уже сейчас вновь и вновь раздаются голоса: «Ученые тратят миллиарды долларов ради фундаментальных исследований, которые никому, кроме них, не нужны», поскольку едва ли не главной причиной проведения этих дорогостоящих экспериментов можно назвать праздное любопытство физиков (см. «З-С», № 4/01, Главная тема). Как замечает один из исследователей, «если на этот раз мы потерпим неудачу, то уже никогда больше не удастся убедить политиков выделить средства на строительство еще более громадного ускорителя ради того, чтобы мы все-таки нашли эти неведомые частицы». Это станет концом эпохи громадных ускорителей — той славной, более чем полувековой эпохи, открывшей немало тайн Микрокосма.

Кроме того, если гипотеза Хиггса, к которой за давностью лет теоретики привыкли, как к аксиоме, все же не подтвердится, то физика переживет глубокий кризис, как и на рубеже ХХ века. Этот кризис будет означать, что общепринятая Стандартная модель мироздания — основа наших представлений о природе, модель, включающая все известные элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, модель, объясняющая почти все физические феномены, наблюдаемые в Микрокосме, — все-таки окажется неверна. Что же придет тогда на смену Стандартной модели? Непонятно! Пока же, как насмешливо заявил один из физиков, «поле Хиггса — это просто ковер, под который теоретики прячут все неувязки своих теорий».

(Автор благодарен Рафаилу Нудельману за напоминание о гипотезе Гута-Линде)

Рафаил Нудельман

 

Маленький Большой Взрыв

В только что родившейся Вселенной вещество, как полагают ученые, находилось при огромной температуре. В этом микро-микро-микро-... микросгустке гуляли чудовищные вихри энергии. Такое состояние физики называют кварковой плазмой — когда кварки не собраны в ядерные частицы, а гуляют свободно, образуя этакий «кварковый газ». Свободная кварковая плазма может появиться только при фантастически больших температурах (или энергиях), потому что разбить ядерные частицы на отдельные кварки крайне трудно — они связаны там огромными силами (не будь этого, вещество не было бы устойчиво). Вот почему она могла — и должна была — существовать только в самые начальные мгновения после рождения Вселенной. Уже на следующем этапе, когда сгусток чуть-чуть расширился и его температура поэтому чуть-чуть понизилась, кварки тотчас соединились друг с другом и появились первые ядерные частицы, но еще не атомные ядра целиком. Частицы не могли собраться в устойчивые ядра, потому что сталкивались друг с другом с громадной скоростью и не успевали слипаться. Лишь на еще более позднем этапе, при еще большем охлаждении стали появляться устойчивые ядра, а еще позже они начали соединяться с электронами в устойчивые нейтральные атомы. Так в первичном сгустке по мере его охлаждения одни за другими образуются и «выпадают» частицы все большей сложности (что, кстати, сопровождается последовательным «выпадением» соответствующих «силовых полей»), пока все не «застывает» в виде атомов и состоящих из них макротел.

Законы образования таких макросгустков вещества, а из них — галактик, звезд и планет (с их возможной жизнью и разумом) берут начало «в начале», в законах рождения, движения и взаимодействия первых кварков. Но в нынешней природе свободных кварков нет уже нигде. Поэтому ученые решили сами создать такие условия, в которых кварки могли бы появиться и их можно было бы изучать. Как сказано, главное такое условие — огромные энергии и огромные температуры. Тут наука шла путем, обратным природе.

Природа (Вселенная), как мы видели, началась с высочайшей температуры и, постепенно остывая, рождала все более и более сложные частицы. Ученые же начали свои исследования с обычных температур и энергий и, соответственно, с изучения самых сложных частиц, атомов, а уже потом придумали, как ускорять частицы, чтобы их энергия становилась все больше и больше для бомбардировки атомных ядер и разбиения этих ядер на составляющие их более простые частицы — протоны и нейтроны. А к нашему времени ускорители стали такими мощными, что стало возможным приступить к разбиению нейтронов и протонов на самые простые, «первичные» частицы — свободные кварки.

Но возможности ученых, конечно, уступают возможностям Природы. Даже при самом большом усилии они не могут воспроизвести Большой Взрыв с его чудовищной концентрацией вещества. Все, что они могут, — это разогнать какое-то количество заряженных частиц, столкнуть их с неподвижной мишенью и посмотреть, какие более простые частицы родятся в таком столкновении. Чем быстрее разогнаны частицы перед столкновением, тем больше его энергия, тем больше надежд, что ее окажется достаточно для рождения свободных кварков, то есть для создания кварковой плазмы.

Сегодня физики уже могут разогнать частицы до релятивистских скоростей, то есть близко к скорости света, поэтому такие надежды становятся все более и более реальными. Отсюда — все чаще повторяющиеся попытки «воспроизвести» Большой Взрыв. Понятно, чем они отличаются от самого такого Взрыва. Там (при рождении Вселенной) речь шла о гигантском по массе сгустке вещества, здесь — о пучке микрочастиц, там — о настоящем взрыве, здесь — о столкновении частиц с мишенью, которое порождает какое-то количество других частиц. Единственное, что роднит эти два состояния, — что во втором случае экспериментаторы надеются на появление крохотного сгусточка кварковой плазмы, ну хотя бы на рождение нескольких свободных кварков, и то хорошо.

Пока что эти надежды не исполнились. Первый эксперимент такого рода был произведен в январе 2002 года на релятивистском ускорителе тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской лаборатории в США. Частицы золота были разогнаны на нем до энергии в 130 гигаэлектронвольт.

Это был по тем временам самый мощный ускоритель. Поэтому все его характеристики были рекордными. Например, скорость частицы в нем по окончании разгона составляла 99,995% от скорости света, на кольце располагались 1700 с лишним магнитов, на которые было намотано свыше 2000 километров провода, общий вес измерительной установки превышал 3000 тонн, и так далее. Ионы впрыскивались в ускоритель порциями, в каждой до миллиарда частиц, по нескольку десятков порций в секунду; энергия каждой порции при столкновении была эквивалентна нагреву до миллиардов градусов.

Научные последствия эксперимента могли быть огромными.., если бы они были. При каждом столкновении рождалось свыше тысячи новых частиц, но даже самые тщательные измерения не обнаружили ни одного свободного кварка. Точнее говоря, были какие-то косвенные намеки, что кварки «могли бы» появиться, то есть что условия для их рождения были действительно созданы (впервые в науке), но доказательств их реального рождения получено не было.

Несколько лет спустя, в 2005 году, в Брукхейвене был произведен второй такой же эксперимент. На этот раз результаты были еще более мучительно близкими к искомым. Измерения показали, что центр столкновения имел достаточную плотность и температуру для рождения кварков. Этот центральный участок физически вел себя как очень горячая жидкость, что также совпадало с предсказаниями теории для кварковой плазмы. И даже вылетавшие из центра новорожденные частицы вели себя так, как если бы родились в ходе столкновения кварков. Но вот незадача: то, что было в этом «центре столкновения», претерпело превращение в обычное вещество вдвое быстрее, чем предписывала теория. Грубо говоря, этот микроскопический сверхгорячий центральный сгусток не остыл, постепенно расширяясь, а практически лопнул, взорвался, разлетелся на тысячи быстрых частиц. Кварковая плазма так вести себя не могла, если, конечно, верна была теория. Так что же, были кварки или их не было?

Теперь мы добрались — по времени — и до швейцарского эксперимента. Ничего принципиально нового в нем нет, но ученые надеются благодаря большей длине разгона и более мощным магнитам перекрыть здесь рекорды Брукхейвена. Соответственно и планы у них еще более громадные. Они надеются не только обнаружить свободные кварки, но и проложить путь к пониманию таких загадочных, недавно обнаруженных видов материи, как темное вещество и темная энергия, а также проверить одно из важнейших положений новейшей «теории струн», которая предсказывает, будто трехмерное пространство (объем) нашей Вселенной — всего лишь часть более многомерного пространства, в других «измерениях» которого могут существовать другие вселенные с радикально иными физическими свойствами, может быть, со своими галактиками и звездами, а может, и вовсе пустые. В общем, надежд на фундаментальные открытия здесь больше, но опасность взорвать Землю в ходе такого эксперимента такая же ничтожная, как во всех предыдущих аналогичных экспериментах. Так что мы можем спать спокойно.

А о результатах нам доложат.

Дэвид Гросс

 

Грядущие революции в фундаментальной физике

(Из лекции, организованной фондом Дмитрия Зимина «Династия» при содействии Международного центра фундаментальной физики в Москве)

Дэвид Гросс

Нобелевский лауреат Дэвид Гросс — директор Института теоретической физики Кавли, Санта-Барбара, Калифорния, США.

Что мы имеем сегодня

К исходу ХХ столетия мы имели завершенную и весьма успешную теорию физики элементарных частиц, описывающую три из четырех фундаментальных сил, действующих в природе, — электромагнитные, слабые ядерные и сильные ядерные взаимодействия. В основе нашего понимания физики элементарных частиц лежит квантовая теория поля, то есть квантово-механическая теория локальных полей.

Как явствует из Стандартной модели физики элементарных частиц, а именно из теории электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики (КХД), квантовая теория поля, насколько мы можем судить, теоретически описывает все наблюдаемые в природе силы. Стандартная модель крайне успешна и очень хорошо проверена. Сотни экспериментов, проведенных в основном на ускорителях, позволили проникнуть в структуру материи на расстояния до 10-18 сантиметра. И во всех этих экспериментах теория — Стандартная модель — работает очень хорошо. Точность ее экспериментальной проверки необычайно высока. В случае квантовой электродинамики (КЭД) мы иногда можем проверить теоретические предсказания с точностью до единицы на 1010 — поразительное достижение и с точки зрения эксперимента, и с точки зрения теории. В случае объединенной теории электрослабых взаимодействий точность экспериментальных проверок теории иногда приближается к единице на 100 000. И даже в случае сильных взаимодействий мы сегодня имеем точность экспериментальной проверки предсказаний КХД с погрешностью менее одного процента, приближающуюся в некоторых экспериментах к одной тысячной. Таким образом, Стандартная модель необычайно успешна. Более того, не предвидится никаких оснований полагать, что эта модель не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка (где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации), которая составляет порядка 10-33 сантиметра.

Завершение теоретической разработки Стандартной модели — одно из величайших естественнонаучных достижений ХХ века. Мы развили всеобъемлющую теорию всех негравитационных сил, действующих в природе, работающую в интервале расстояний, начиная с длины Планка и заканчивая размерами Вселенной, то есть различающихся на 60 порядков! Казалось бы, все идет замечательно...

Вопросы

Однако модель оставляет открытой значительную часть вопросов, многие из которых, хотя и вытекают из нее самой, не могут, по нашему мнению, быть разрешены в рамках квантовой теории поля. Например, все силы, управляющие физикой элементарных частиц, описываются в рамках так называемой теории полей Янга-Миллса. А чем теория Янга-Миллса заслужила столь особое положение? В рамках квантовой теории поля можно представить себе и множество других видов силовых взаимодействий. Почему они не проявляются? Затем, в Стандартной модели мы не можем просто взять и рассчитать напряженность полей и заряды всех сил. Например, так называемая постоянная тонкой структуры вычисляется исключительно путем измерений. Мы понятия не имеем, почему она равна приблизительно 1/137.

Затем, что касается структуры фундаментальных составляющих материи — кварков и лептонов. Мы открыли для себя три (а почему именно три?) семейства кварков и лептонов с весьма странными массами и смешиваниями. У нас нет никакого объяснения такой структуре масс и смешиваний или, если уж на то пошло, не знаем мы и самой причины существования материи.

Также, поскольку в конечном итоге нам придется включать во всю эту историю и квантовую теорию гравитации, мы полагаем неизбежными и новые вопросы. Некоторые из них носят скорее практический характер: например, как квантовать гравитационное поле? Некоторые же вопросы принято относить к категории философских, например, почему пространство трехмерно (и действительно ли оно трехмерно)?

Получить ответы на все эти вопросы важно не просто ради удовлетворения нашего любопытства, но и потому, что без этих ответов мы не поймем истока и первоначала Вселенной. Мы не видим способов получения ответов на эти вопросы ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках простых расширений Стандартной модели. Это наводит на мысль, что на сверхмалых расстояниях или при сверхвысоких энергиях начинают действовать принципиально новые физические законы. Возвращаясь ко временам все более горячей и плотной Вселенной и все более высокой энергии частиц, мы неизбежно упираемся в точку, начиная с которой физика, как мы полагаем, станет иной.

Выход за рамки Стандартной модели

На протяжении последних тридцати лет, сразу по завершении Стандартной модели, мы пытались получить ответы на указанные вопросы, однако без особого успеха. Похоже, в рамках Стандартной модели (а в действительности и квантовой теории поля как таковой) ответа на эти вопросы нам не получить. Чтобы попытаться пойти дальше Стандартной модели и ответить на эти вопросы, нужны новые эксперименты на сверхмалых расстояниях и при сверхвысоких энергиях. Однако это и трудно, и дорого. В настоящее время нам недоступны эксперименты при энергиях выше 1 ТэВ. Но ничто не мешает теоретикам экстраполировать Стандартную модель на все более высокие энергии и посмотреть, что из этого получится. Вскоре по завершении Стандартной модели теоретики экстраполировали силовые взаимодействия до очень высоких энергий.

При низких энергиях все силы проявляются совершенно по-разному. Сильные взаимодействия крайне интенсивны, в то время как слабые и электромагнитные взаимодействия проявляются в значительно меньшей степени. Однако в квантовой теории поля все силы зависят от расстояния. Электромагнитное взаимодействие ослабевает по мере увеличения расстояния и, напротив, усиливается на коротком расстоянии и при высокой энергии. Сильное взаимодействие ведет себя противоположным образом — оно ослабевает при высоких энергиях и на коротких расстояниях. Так что при достаточно высоких энергиях оно может сравняться с интенсивностью сил слабого и электромагнитного взаимодействий. Почти 30 лет назад было обнаружено, что при экстраполяции всех трех сил они нивелируются («сходятся») в области предельных сверхвысоких энергий. Это стало первым ключом к существованию еще одного физического порога — при сверхвысоких энергиях далеко за пределами современных возможностей наблюдения, — за которым все силы по шкале энергий сливаются в рамках теории объединения.

Суперсимметрия

Уже в этом году в ЦЕРН (Женева) будет запущен новый ускоритель — Большой адронный коллайдер (Large Hardon Collider, LHC). Мы рассчитываем открыть на LHC принципиально новые физические явления. Совершенно определенно ожидается открытие так называемого бозона Хиггса, частицы, появляющейся в рамках Стандартной модели. Но самой захватывающей перспективой LHC является открытие суперсимметрии.

Суперсимметрия — удивительная теоретическая концепция. Согласно ней, у каждой частицы имеется «суперпартнер» — соответствующая ей «суперчастица». Кварку соответствует суперпартнер, названный «скварком», электрону — партнер с нулевым спином под названием «селектрон», фотону (кванту света) — фермионный партнер со спином 1/2 под названием «фотино», гравитону (переносчику гравитационного взаимодействия со спином 2) — партнер со спином 3/2 под названием «гравитино». Вообще у каждой наблюдаемой нами частицы должен иметься суперпартнер. До сих пор частиц-суперпартнеров нами не наблюдалось.

У суперсимметрии много красивых свойств. Она объединяет по принципу симметрии фермионы (то есть составляющие первоэлементы материи) и бозоны (то есть кванты силовых взаимодействий). Однако суперсимметрия представляется также и крайне полезным инструментом с точки зрения исследования феноменологии элементарных частиц. Она способна дать ответ на вопрос, почему шкала объединения столь велика. В последние двадцать лет мы проводили все более точные измерения сил, действующих в рамках Стандартной модели, и все более точные расчеты их изменения в зависимости от энергии взаимодействий. Выходило, что без суперсимметрии расчеты не стыкуются друг с другом. Однако, если просто взять Стандартную модель и привнести в нее минимальную суперсимметрию, а затем предположить, что она нарушается при энергиях порядка 1 ТэВ, то все идеально сходится. А это — очень сильный ключевой аргумент в пользу существования суперсимметрии в природе и возможности открыть ее на LHC.

Более точные экстраполяции такого рода помогают нам составить представление о том, где и при какой энергии смыкаются силы. Она оказывается еще выше — порядка 1018 ГэВ, то есть в 1014 раз выше энергии, которую будет развивать LHC. Это ставит физику элементарных частиц перед серьезной проблемой. Как исследовать энергии такого масштаба и открывать новые физические явления? Способны ли теоретики в принципе экстраполировать модель на так много порядков?

Можно ли экстраполировать до длины Планка?

Можно ли представить себе открытие новой физики, отвечающей за объединение всех сил, если ее естественная шкала энергий столь далека от возможностей прямого экспериментального исследования? Одна из причин, позволяющих рассчитывать на такую возможность, — наличие у нас очень прочного фундамента — Стандартной модели. Изменить эту теорию непросто. Непросто построить и новую, альтернативную теорию, которая позволила бы объединить все силы при высоких энергиях и одновременно не противоречила бы всем экспериментальным данным, накопленным при низких энергиях. Так что мы имеем хорошую стартовую позицию, жестко ограничивающую нас в попытках модифицировать Стандартную модель.

Другая причина, по которой мы можем рассчитывать на успешное объединение всех силовых взаимодействий, — это прямой намек на включение гравитации в новую физическую теорию объединения. Энергия объединения в 1018 ГэВ очень близка к энергии превращения гравитации в сильное взаимодействие. При низких энергиях гравитация относится к разряду очень слабых взаимодействий. Мы можем пренебрегать гравитацией и в обычной атомной физике, и в физике элементарных частиц низких энергий. Но ведь сила гравитационного притяжения связана с массой, которая, в свою очередь, эквивалентна энергии. Поэтому сила гравитационного притяжения растет пропорционально квадрату энергии и быстро выравнивается и объединяется со всеми другими силами (которые зависят от энергии логарифмически) по достижении планковских масштабов энергии порядка 1019 ГэВ. Это очень важный ключ, так как он указывает, что великое объединение всех сил природы должно распространяться и на гравитацию. Поскольку очень трудно построить теорию, включающую все силы, в том числе гравитацию, и одновременно соответствующую нашим знаниям о явлениях, наблюдаемых при низких энергиях, у теоретиков, возможно, есть шанс разобраться, что там происходит, и без прямых экспериментальных измерений в планковских масштабах.

Тот факт, что в масштабах объединения нам приходится считаться с гравитацией, — очень важный ключ, поскольку он вынуждает нас пойти дальше квантово-полевой модели. Как известно, все попытки прямого квантования теории Эйнштейна ни к чему не привели. Стали возникать сомнения относительно взаимной непротиворечивости квантовой механики и общей теории относительности. В качестве альтернативного выдвигается предположение, что теория Эйнштейна представляет собой всего лишь эффективную, но не окончательную и полную теорию гравитации. Да, она описывает гравитацию, но лишь на расстояниях, значительно превышающих длину Планка. Если же заниматься физикой в масштабах шкалы Планка, нужна новая теория, принципиально отличающаяся от квантовой теории поля. Единственной, на мой взгляд, работоспособной кандидатурой на эту роль является теория струн.

Надежды, связываемые с теорией струн

Теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Потребуется революция в нашем представлении о пространстве и времени. Тем временем теория струн продолжает углублять наше проникновение и в обычную теорию Янга- Миллса. Она также привела ко многим прозрениям в математике, созданию новых структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Сегодня математики и струнные теоретики проводят совместные исследования во многих областях математики, например, в алгебраической геометрии.

Теория струн также мотивировала новые спекулятивные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации «экстрапространства». Примечательно, что подобные спекуляции не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем, на LHC, могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов.

Теория струн предлагает и другие феноменологические сценарии. Один из самых интересных заключается в том, что Вселенная заполнена космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась колоссальная энергия. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную.

Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком спекулятивные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на LHC и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

...Так скоро ли сбудутся обещания теории струн? Шесть лет назад я смотрел в будущее менее оптимистично и говорил обычно, что успеха теории струн придется ждать до следующего тысячелетия. Сегодня я более оптимистичен: я верю, что он придет еще в этом тысячелетии.

Евгений Молчанов

 

Физики в ОИЯИ и физика на LHC

Статья проиллюстрирована фотографиями установок, в создании которых участвовали российские ученые и специалисты

Большой адронный коллайдер в Женеве, этот беспрецедентный мегапроект конца прошлого — начала настоящего века, означает не только смелый научно-технологический прорыв в область сверхвысоких энергий ядерных взаимодействий, но и небывалую по своим масштабам систему организации международного научного сотрудничества.

LHC возник в замыслах своих создателей около двадцати лет назад, и с самых первых шагов к осуществлению этого проекта подключились ученые и специалисты Объединенного института ядерных исследований, их коллеги из российских научных центров и институтов других стран- участниц ОИЯИ. Объяснение этому лежит в двух пересекающихся плоскостях. Исторически Объединенный институт стал партнером ЦЕРН буквально с момента своего создания в 1956 году, и это научное сотрудничество пережило все политические перипетии «холодной войны». Уже первые взаимные визиты из Дубны в Женеву и из Женевы в Дубну принесли свои плоды не только в виде совместных публикаций в самых престижных международных изданиях и докладах на международных конференциях, но и в налаживании добрых человеческих отношений между учеными. Именно это полувековое партнерство сделало Дубну одним из реальных движителей мегапроекта, часто именуемого чудом нового века.

И только так, совместными усилиями, возможно сегодня дальнейшее продвижение в глубь материи, совершенствование Стандартной модели, во многом определяющей основные законы физики микромира. Летом 2006 года в Москве проходила 33-я Международная Рочестерская конференция по физике высоких энергий — самый представительный форум ученых, работающих в этой области. В ответ на просьбу журналистов объяснить, что такое Стандартная модель, академик Валерий Рубаков (через несколько дней ему предстояло выступить на конференции с итоговым докладом и сформулировать ответы ученых на вызовы новой физики) постарался избежать непривычных для непосвященных терминов:

— Стандартная модель — довольно условное название, оно звучит несколько приземленно. На самом деле, это теория, которая описывает всю физику микромира по энергиям частиц, соответственно, и по масштабам расстояний, доступным сегодня для изучения. Речь идет о расстояниях в тысячу раз меньших размера протона.

Так вот Стандартная модель — достаточно простая теория в смысле принципов, которые в ней заложены, и она удивительным образом описывает все, что происходит на таких малых расстояниях. Не останавливаясь подробно, можно сказать, что это достаточно красивая теория, и она чрезвычайно успешна с точки зрения эксперимента. Если бы появились какие- то данные, которые потребовали бы пересмотра или выхода за пределы Стандартной модели, это было бы очень интересно. С другой стороны, можно вполне однозначно утверждать, что ряд явлений, о которых, в первую очередь, мы узнаем из наблюдения Вселенной, говорят о неполноте этой модели. Речь идет о том, что так называемой темной материи в ней нет места. Что это за материя, пока неизвестно. Но есть еще много соображений, которые свидетельствуют о том, что на следующем масштабе энергий (на порядок меньше расстояния, на порядок больше энергия), по-видимому, придется существенно расшить представления о физике микромира, и Стандартная модель будет только частью полной картины. В этом смысле у всех нас большие надежды на LHC, и, конечно, мы ждем первых результатов с этой машины.

Конечно, теоретики не сидят сложа руки. Есть целый ряд гипотез о том, что это может быть за физика, гипотез, которые друг другу противоречат, и есть много разных взглядов, что же происходит на этом новом уровне энергий, на этом масштабе расстояний. Экспериментаторы будут присматриваться к этим гипотезам и искать конкретные сигналы, которые соответствуют какой-либо из этих гипотез, но сегодня ситуация новая по сравнению с предыдущими, наверное, тридцатью годами, когда многие открытия в физике частиц были запланированы. Теоретики что-то предсказывали, экспериментаторы благополучно подтверждали эти предсказания. Теперь же все совершенно не так. Что именно будет найдено на LHC и в дальнейшем прояснено на Международном линейном коллайдере («З-С», № 3/2007), сегодня не возьмется сказать никто. То есть это настоящая Терра инкогнита. И это, конечно, очень увлекательный момент.

— Несмотря на то, что мы уже получаем замечательные результаты по физике частиц и нейтринной физике, тем не менее необходимы какие-то горизонты, границы, которые откроются с пуском LHC, — сказал в свою очередь профессор Альбрехт Вагнер, директор германского научного центра DESY, одного из крупнейших в Европе. — На сегодняшний день мы имеем достаточно полное представление о картине микромира и о структуре макромира. При сопоставлении этих картин мы видим несколько фундаментальных, чрезвычайно специфических вопросов, которые необходимо прояснить именно на этих установках...

...К сожалению, даже достаточно просвещенные читатели, далекие по разным причинам от физики частиц, которой занимаются в подмосковной Дубне и Женеве, на границе Швейцарии и Франции, американском Брукхейвене и немецком Гамбурге, японском Цукубо и итальянском Триесте, могли составить впечатление об этой науке по скандально известному фильму «Код да Винчи» или положенному в его основу роману Дэна Брауна. И хотя автор бестселлера, действие которого происходит и в ЦЕРН, излился в многочисленных благодарностях персоналу этой международной организации, в которой он смог побывать, замыслы беллетриста не поднялись до истинно космических размеров той внешне не заметной работы, которая скрыта в наземных лабораториях и подземных шахтах, ведущих к кольцу коллайдера, сравнимому с кольцевой линией Московского метрополитена, в огромным пещерах современных алладинов — залах, вместивших в себе рекордные на сегодня по габаритам и тончайшие по замыслам детекторы, которые будут регистрировать новые частицы.

Группы ученых и специалистов из российских институтов и институтов стран-участниц ОИЯИ, организованные как коллаборация CMS (эта аббревиатура обозначает компактный мюонный соленоид — один из детекторов, которые должны регистрировать продукты столкновений встречных частиц. — Е.М.), составляют важную и органичную часть большого коллектива, объединяющего около двух тысяч физиков из ведущих научных центров мира. Еще на заре сотрудничества Дубны и Женевы одним из первых физиков ОИЯИ приехал на несколько месяцев для работы в ЦЕРН Игорь Голутвин, ныне — профессор, советник дирекции ОИЯИ, руководитель проекта в составе международной коллаборации. И — один из инициаторов и вдохновителей создания «внутри» CMS группы ученых и специалистов Дубны, России и других стран-участниц ОИЯИ:

— Компактный мюонный соленоид — установка XXI века, это всепоглощающая деятельность, и это сейчас главное для нас. За что я люблю эту установку? Здесь все лучшее собрано. По крайней мере, все, что я узнал за 50 лет в методике физического эксперимента в физике частиц и то, чего я не знал. В основном ядро этого эксперимента составила группа ближайших сотрудников Карло Руббиа, с которыми он Нобелевскую премию свою зарабатывал. Это прекрасная команда. И нам удалось с самого начала в этом эксперименте участвовать. Здесь создано очень много нового, начиная с самого большого магнитного поля в мире. Эту громадину мы называем компактным мюонным соленоидом, однако его диаметр — около пятнадцати метров, а длина — двадцать! Весит он больше 12 тысяч тонн. И все равно называется компактным.

. Приняли нас, как говорится, хорошо, пригласили, но все-таки мы понимали, что обрекаем многих людей на то, чтобы надолго связать свою жизнь с этим экспериментом. Более десяти лет длится эта эпопея, совсем немного осталось до запуска эксперимента, ну а потом десять-пятнадцать лет жизни человека уйдет на получение экспериментальных данных. То есть получается 20-30 лет — жизнь эксперимента и жизнь поколения. Естественно, на нас была большая ответственность. Я бы так сформулировал: обязательно следовало предусмотреть, чтобы те люди, которые будут работать в этом эксперименте, кого мы туда фактически втянули, чувствовали себя комфортно. То есть их роль должна быть значительной.

Принцип объединения таков — чтобы каждый институт, каждая участвующая в проекте страна выступали независимо в публикациях, чтобы авторство каждой страны, каждого института было видно, люди были видны... Но что касается обязательств по эксперименту — чтобы они выступали в качестве единого кулака, единой силы. Это относится, конечно, к тем институтам, тем организациям, которые имеют и общие научные школы, — страны-участницы ОИЯИ, напри мер, — и финансирование. Дело в том, что программа LHC — это, пожалуй, единственная международная научная программа в России, которая финансируется правительством, начиная с 1997 года. И что касается создания самого ускорительного комплекса и подготовки экспериментов на нем — за это время финансирование составило около шестидесяти миллионов долларов США.

Я, между прочим, впервые вам это рассказываю. Нам удалось объединить усилия, потому что люди, которые это начинали, оказались весьма разумными и масштабно мыслящими. И они создали такое объединение. Варианты названий были разные, например, FSU (английская аббревиатура, означающая бывший советский Союз). Я не мог принять такое название, потому что когда начинается большое дело, слова «бывший» там не должно быть. Возможно только будущее. И родилось такое название — RDMS (это аббревиатура от английских слов, означающих — Россия и страны-участницы Дубны). Сейчас это хорошо известный «бренд» в мире физики высоких энергий, он приобрел большой авторитет. И самое главное, это объединение дало нам возможность принять общие обязательства, и на нас была возложена ответственность за создание ряда систем. Наши задачи включали все — и руководство (менеджмент), полные дизайн и инженерия, конструирование приборов, размещение заказов на производстве, их оплата, монтаж, запуск в действие и дальнейшая эксплуатация в процессе набора данных. То есть это, я бы сказал, некий анклав России и Дубны, стран-участниц на территории ЦЕРН, территории LHC.

Самое интересное то, что эту идею в коллаборации CMS поддержали. Потому что за всем этим стояли крупные институты: и российские, и болгарские, и белорусские, и украинские, и узбекские... Здесь роль Дубны оказалась очень прогрессивной. Вы знаете, что такие постановления, которые должен подписывать председатель правительства Российской Федерации, готовятся и принимаются долго, нелегко, особенно те, что, вообще говоря, выделяют какую-то одну науку из всех наук, а внутри этой науки — какую-то одну программу из всех других программ.

Конечно, такой процесс занял время. Нам повезло, что в тот момент в ЦЕРН находились В. Г. Кадышевский и А. Н. Сисакян. (Академик В.Г. Кадышевский — директор ОИЯИ в 1993-2005 годах, член-корреспондент РАН А.Н. Сисакян — директор ОИЯИ с 2006 года. — Е.М.). Я помню свой разговор с Владимиром Георгиевичем и Алексеем Норайровичем. Не знаю, как это подать, но дело было так. Я объяснил ситуацию, резюмировав вводную часть, что пора брать обязательства. Но Россия со своим последним словом затянула. А нам надо, по крайней мере, уже за адронный калориметр браться, потому что это ключевой элемент всей установки. Мишель Делла Негре, руководитель эксперимента, определил его как флагман RDMS. Самый минимум, необходимый для этой работы, — десять миллионов швейцарских франков. Разговор такой был: «Владимир Георгиевич, надо взять обязательства и за Россию. А потом будем делить, кто за что отвечает. А сейчас Россия не готова...» Сами понимаете, какое было время. Директор посчитал-посчитал и отвечает: «Ну, меня же ведь не посадят!..» И решил взять обязательства: если Россия не сможет — значит, Дубна сделает. Это смелое решение директора Института и стало наиболее острым, ключевым моментом в истории нашей коллаборации. После этого все развивалось значительно проще.

Вскоре в Дубне прошло совещание, в котором участвовали представители ЦЕРН, руководители институтов России и ведущие ученые стран-участниц, и уже состоялся формальный акт организации RDMS. К этому времени был готов проект, который подписали руководители наших ведущих институтов. Первую подпись — от ОИЯИ — поставил Владимир Георгиевич Кадышевский, от Протвино подписал Анатолий Алексеевич Логунов, от других ведущих российских институтов подписали Виктор Анатольевич Матвеев, Александр Николаевич Скринский. И все это произошло до принятия Россией документа об участии в LHC. Постановление было подписано только в 1996 году В.С. Черномырдиным, почти два года спустя. Так что мы сейчас держим в руках (и в тот момент мы его действительно держали. — Е.М.) исторический документ, который, если переходить на газетный язык, можно считать высшим классом менеджмента в науке.

.Вообще, если говорить о менеджменте (хотя мне и не очень нравится это слово), то я убежден: научно-организационное управление должно осуществляться через проекты, то есть научный проект должен быть основной формообразующей компонентой структуры института — именно по этому принципу перестраивает свою работу ЦЕРН.

Мне не хочется никому навязывать свое мнение, но я бы разделил это понятие на две части. Первая — организация научных исследований в глобальном масштабе, а это разработка и принятие долгосрочных планов и программ, их соответствующее финансирование, из этого вытекают стратегические и тактические решения. Вторая — менеджмент проекта, который нацелен на получение новых значимых научных результатов.

Основные организационные принципы нашего коллектива таковы. Во-первых, методические разработки тесно связаны с актуальными проблемами исследований, ведущихся в ОИЯИ, то есть выбор актуальной задачи и разработка методики исследования, адекватной выбранной задаче, способной вывести на самый эффективный путь ее решения. Во-вторых, создание в кратчайшие сроки и на основе современной техники аппаратуры, обеспечивающей реализацию выбранного метода исследований и получение экспериментальной информации раньше или лучше, чем у конкурентов. В-третьих, наши сотрудники не только создают аппаратуру, но и активно участвуют в эксперименте. Это особенно важно, так как в процессе этих исследований рождаются новые методы...

...Вы спрашиваете, что будет с нашим институтом, если в какой-то момент «закрыть» все выездные работы? Сначала я должен сказать, что разумные люди так вопрос не ставят. Те, кто пытается поднять вопрос о закрытии выездных экспериментов, напоминают мне известных персонажей одного писателя XIX века, которого я очень люблю. Но все же я процитирую не Салтыкова-Щедрина.

В связи с этим я хотел бы вспомнить, что сказал академик Владимир Иосифович Векслер более сорока лет назад, в 1963 году, на церемонии в США, когда ему вручали очень большую научную награду «Атом для мира»:

«Не могу не отметить, что порожденный нами ребенок — я имею в виду мощные ускорители — растет столь быстро и потребляет столь огромные средства, что уже сейчас способен поглотить ресурсы многих стран мира».

Из этого постулата вытекают тезисы, которые я для себя наметил, готовясь к нашей беседе. Постановка новых, все более сложных экспериментов фактически становится невозможной для отдельных групп. Возникла новая форма научного сотрудничества — коллаборация нескольких лабораторий из разных стран. Отдельные исследования должны проводиться на сложнейших экспериментальных комплексах регионального или даже всемирного значения, которые объединяют усилия сотен и даже тысяч ученых. Пример тому — коллаборация CMS. Таким образом, международное сотрудничество сейчас — это важнейший фактор создания крупнейших экспериментальных комплексов. Оно обуславливает интеграцию ученых по всему миру в беспрецедентном масштабе. Ученые даже перемещаются, переезжают с семьями по всему миру. Этого, кстати, нет в других областях науки.

Мне представляется чрезвычайно важной рекомендация Международного комитета по будущим ускорителям (ICFA) предоставлять время для проведения исследований на ускорителях бесплатно, на основе оценки исключительно научной значимости проекта эксперимента. Эта рекомендация ранее всегда выполнялась, и необходимо приложить все усилия к ее выполнению и в будущем. Не все понимают важность этого дела. И есть попытки отойти от этого правила. Это нанесет, на мой взгляд, непоправимый ущерб науке.

...Особенность ЦЕРН — то, что он не стоит на месте. Он всегда развивается. ЦЕРН так устроен, что если он что-то делает сегодня, то всегда имеет дальние планы. И это придает его деятельности такой динамизм, придает такую атмосферу, что нужно очень много работать — для того, чтобы быть в этом коллективе и, я бы сказал, сообществе. Как это ни банально звучит, научная жизнь весьма многогранна. Она не замыкается только на задачах сегодняшнего дня, распространяется на смежные области, смежные институты и так далее. Всегда есть конкуренция, и ЦЕРН всегда хочет быть впереди.

Это совершенно особая научная атмосфера — постоянные семинары, беседы, обсуждения. Знаю многих, кто любит ЦЕРН именно за эту атмосферу. За то, что жизнь там интересна. Наука как бы материализуется, приобретает новое качество: абстрактные идеи, понятия, решения становятся доступными, и люди ощущают себя участниками большой Науки. И эта наука в первую очередь объединяет людей. Можно сказать, у физиков одна религия — наука...

В заключение приведу ответ вицедиректора ОИЯИ Рихарда Ледницкого на просьбу прокомментировать некоторые проблемы, затронутые на общеинститутском семинаре, посвященном участию физиков ОИЯИ в подготовке на Большом адроном коллайдере:

— Максимальная энергия и светимость LHC превышают соответственно в семь и сто раз значения, достигнутые на крупнейшем ускорителе — тэватроне в Лаборатории имени Ферми (США). Это позволит получить ценнейшую информацию о первых мгновениях после Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, и ответить на ряд нерешенных вопросов физики частиц. Оставаться в стороне от будущих экспериментов на LHC ОИЯИ не может — это означало бы потерю контакта с передовой мировой наукой, непростительное отставание от уровня культуры современного эксперимента.

Несмотря на финансовые трудности, которые ОИЯИ испытывал в 90-х годах, наш Институт внес заметный вклад в строительство детекторов для LHC и самого коллайдера. С учетом дополнительного финансирования от Российской Федерации на эти работы было потрачено около 25 миллионов долларов, то есть примерно половина теперешнего годового бюджета Института. Для поддержки участия физиков ОИЯИ в экспериментах на LHC ежегодно понадобится более одного миллиона долларов, что представляет более половины средств, планируемых на участие ОИЯИ в проектах по физике частиц и релятивистской ядерной физике, реализуемых на внешних ускорителях. Понадобится также создание в ОИЯИ и мощного вычислительного комплекса, сверхбыстрой связи и внедрение GRID технологий (распределенных вычислений). Все это качественно изменит работу научных коллективов в крупных экспериментах, насчитывающих многие тысячи физиков из десятков стран, — наступит эра физики на расстоянии. Уже сейчас большинство вопросов решается с помощью теле- и видеоконференций, можно участвовать в наборе данных и управлять детекторами, оставаясь на своем рабочем месте.

Имеется еще и важный политический аспект участия ОИЯИ в экспериментах на LHC, обусловленный международным характером нашего Института. Некоторые страны являются одновременно участницами и ОИЯИ, и ЦЕРН и напрямую участвуют в церновских проектах. Большинство же стран, входящих в состав Института, такой возможности не имеют, и ОИЯИ для них как бы является окном в мир большой науки.

Задача дирекции Института найти взвешенный подход к участию в проектах на внешних установках с учетом интересов ОИЯИ и всех его стран- участниц.