Что скрывает микромир? Физики планируют будущие исследования

В физике высоких энергий наступила пора затишья. Большой адронный коллайдер (LHC) остановлен на два года, результатом его модернизации станут повышенная светимость и доведенная до проектного значения 14 ТэВ энергия столкновений пучков протонов. И хотя в мире активно обсуждаются проекты новых ускорителей, окончательные решения о том, что именно и когда будет построено, пока не приняты.

— Дмитрий, Тэватрон давно закрыт, а ваша коллаборация все еще существует? Чем она занимается?

— Действительно, коллаборация D0 существует, и я — ее споксмен. Данные, которые мы набрали на Тэватроне, оказались уникальными, несмотря на то что энергия столкновений протонов и антипротонов у нас была ниже, чем протонных столкновений на LHC (2 ТэВ против 13 на LHC). Дело в том, что, когда мы сталкиваем материю и антиматерию (как было на Тэватроне), многие взаимодействия происходят иначе. Их проще рассчитать, меньше мешают фоновые процессы. Поэтому нам удалось выполнить много интересных измерений, которые на LHC сделать либо сложно, либо вообще нельзя. Ученых, которые вовлечены в анализ данных, конечно, стало меньше, и сейчас наша коллаборация публикует примерно десять статей в год. 

— Удалось ли получить какие-то значимые результаты после открытия бозона Хиггса? 

— Если иметь в виду уникальные результаты типа открытия новой частицы, то таких нет. Мы  в основном занимаемся прецизионными измерениями различных параметров. Например, произвели наиболее точные измерения массы W-бозона. Эти фундаментальные измерения важны, поскольку в физике, если с высокой точностью известен количественный параметр, можно рассчитать другие процессы и закономерности. Наше преимущество (Тэватрона перед LHC) было в том, что при пересечении пучков протонов и антипротонов происходило относительно малое количество взаимодействий, и это помогает при проведении анализа данных. Я думаю, в течение ближайших двух лет мы закончим эту работу и двинемся дальше. Сам я сегодня много времени уделяю взаимодействию с ЦЕРН, помогаю с оптимизацией программ экспериментов на установках CMS и ATLAS, а также проекта High Luminosity LHC (HL-LHC, коллайдер высокой светимости).— Выступаете как внешний эксперт?— Да, это важно, когда есть специалисты, которые понимают, что происходит, но являются независимыми, то есть не участвуют в эксперименте, который рецензируют. Приглашение независимых экспертов в области физики высоких энергий широко распространено. 

— Каков ваш прогноз, куда двинется физика после LHC?

— Одно из главных направлений исследований связано с детальным изучением всех свойств Хиггс-бозона. Для этого LHC сделал очень многое и продолжает проводить многочисленные измерения. Но значительная часть специалистов склоняется к мнению, что для выполнения этой задачи нужен лептонный коллайдер, в котором сталкиваются электроны и позитроны или мюоны и антимюоны. В этих столкновениях можно создать большое количество Хиггс-бозонов и измерить параметры этой уникальной частицы с точностью, которая может быть в десятки раз выше, чем на LHC. Я активно участвую в разработке проекта Международного линейного коллайдера (ILC), построить который предложено в Японии. Это коллайдер электронов и позитронов на энергию 250 ГэВ с высокой светимостью. Вместе с японскими коллегами мы оптимизируем его параметры для изучения бозона Хиггса с очень высокой точностью.

 — Этот проект жизнеспособен? Уж очень долго принимается окончательное решение.

— Его судьба должна решиться в ближайшее время. Конечно, проект недешев. Его стоимость составляет около 5 миллиардов долларов. Из них примерно 50-60% должна вложить Япония, а остальное предполагается получить за счет участия США, Европы и Азии. Главная задача в том, чтобы объяснить политикам, зачем этот проект нужен. Конечно, ученым интересно понять новое о том, как устроена природа. Но надо донести свою точку зрения до людей, которые принимают решения: почему именно эту глобальную задачу целесообразно сейчас решить? При этом интересных научных задач много: они есть в области физики, космонавтики, биологии и в других науках. Поэтому политики пытаются взвесить и понять все “за” и “против”. Все усложняется тем, что часто люди, принимающие решения, не имеют научной или инженерной подготовки. 

— Несколько лет назад в Китае объявили о разработке международного проекта электрон-позитронного коллайдера CEPC, который станет “фабрикой” бозонов Хиггса. Что о нем слышно?

— Этот проект очень активно продвигается. И кстати, в Китае проще говорить с политиками — среди них довольно много людей с инженерным образованием.

— Сколько времени потребуется на строительство этой машины, если будет принято соответствующее решение?

— На строительство такого ускорителя уйдет около десяти лет.

— Не опоздает он со своими возможностями?

— Пока подобному ускорителю не с кем соперничать, и это — одна из проблем в нашей области физики. Если вспомнить 70-е, 80-е, 90-е годы прошлого столетия, всегда существовало соперничество идей, научных групп, стран. А сейчас этого нет. Построить такую сложную машину займет около десяти лет, поэтому кто быстрее начнет, тот и получит интересные результаты первым. Если говорить о Японии, то там есть серьезная проблема: японское общество очень замкнутое по отношению к другим странам. Японцы это начинают понимать, и международный коллайдер позволил бы эту проблему обособленности в некоторой степени решить. 

— Что еще интересного происходит в физике высоких энергий?

— Наиболее активная работа ведется сегодня на Большом адронном коллайдере. С моей точки зрения, ЦЕРН находится сейчас в непростой ситуации, потому что не определено будущее после остановки LHC. Это, безусловно, прекрасный ускоритель, и он еще 10-12 лет будет отлично служить, но, если новых фундаментальных открытий не произойдет, а пока мы их не видим, физики должны будут двигаться дальше.

— Проблема LHC в недостаточной энергии?

— Никто точно не знает. Мы ищем различные новые эффекты в физике микромира — суперсимметрию, признаки темной материи и многие другие — но пока ничего из того, что предсказывают теоретики, обнаружить не удается. Сейчас возникла ситуация, когда физика стала более экспериментальной: теоретики ждут результатов исследований для развития теории. Возможно, для того чтобы открыть нечто новое, потребуется более высокая энергия. ЦЕРН нужен новый большой проект. Над этим активно работают, развивают несколько различных вариантов будущих ускорителей. Есть проект электрон-позитронного коллайдера типа ILC, но на других принципах. А недавно был представлен проект 100-ТэВного ускорителя Future Circle Collider с длиной кольца в 100 км. Таким образом, перед физикой высоких энергий сегодня стоят две основные задачи. Первая — изучить бозон Хиггса, и для этого лучше всего подойдет лептонный коллайдер с энергией 250-500 ГэВ. Возможно, в процессе его изучения мы откроем новые физические эффекты, о которых не догадывались. Вторая задача — создать ускоритель более высокой энергии, который позволит “рассмотреть” мельчайшие детали микромира. Может быть, выяснится, что есть структуры внутри кварков. Проектами новых ускорителей в ЦЕРН занимаются очень активно. В декабре 2018 года они поступили на рассмотрение специальной комиссии, которая утвердит новую Европейскую стратегию в области физики высоких энергий.

— Америка не собирается тратиться на что-то подобное?

— Сейчас планов построить большой новый ускоритель в США нет. Мы в Фермилабе работаем по нейтринной программе, участвуем в исследованиях на LHC. Проблема заключается в том, что из-за этой паузы мы теряем специалистов. Чтобы создавать сложные технологические объекты, нужно это делать непрерывно. Если остановиться на 10-20 лет, пропадут опыт, навыки, которые очень сложно будет восстановить. 

— Как сегодня определяются научные задачи в физике высоких энергий?

— Задачи совместно определяются теоретиками и экспериментаторами. Я думаю, в ближайшие два-три года появится ясность, какие крупные проекты в физике высоких энергий в мире будут строиться. ЦЕРН определит свое будущее после LHC, Япония скажет, будет ли она строить ILC, Китай примет свое решение. К сожалению, в этом списке отсутствуют Россия и США, где есть отличные специалисты по ускорителям и детекторам частиц. Вспомните, через 15-20 лет после открытия лазеров были созданы новые передовые технологии — это говорит о том, что, когда понятна фундаментальная физика, можно найти применение этих знаний в практической области. Возможно, благодаря исследованиям в области физики частиц откроются абсолютно новые источники энергии, которые до этого не были известны. Возможно, мы поймем, как устроены Вселенная, мир элементарных частиц. Да, для этого нужны вложения, затраты. Физики пытаются их минимизировать, придумывают различные способы ускорения частиц, которые позволяли бы уменьшить размеры ускорителей. Но 100-километровые установки не могут стоить дешево.

— Что вы думаете о развитии ускорительной физики в России?

— Я очень рад, что в ОИЯИ в Дубне строится коллайдер тяжелых ионов. Важно, что воспитываются специалисты, которые умеют создавать такие машины. Сам факт того, что в стране сохраняется способность делать научный инструмент такого класса,  очень важен. Много интересных ускорительных проектов предложено и в Новосибирске.

— Продолжается ли сотрудничество Фермилаб с Дубной и другими российскими институтами и в каком виде?

— Со стороны США сотрудничество идет сложно. Для плодотворного взаимодействия десятки, сотни людей должны обмениваться научными визитами, обсуждать совместные проекты, и так было еще несколько лет назад. Сегодня все по-другому. Со стороны администрации США есть нежелание сотрудничать. Мы удивлены, потому что даже во времена холодной войны такого не было. В последний год-полтора российским физикам практически невозможно приехать в Америку для участия в совместных экспериментах. Но чем современная наука хороша, так это тем, что ученые могут сотрудничать на расстоянии. Когда идет эксперимент и ведется обработка данных, мы обмениваемся мейлами, пишем совместные статьи, участвуем в видеоконференциях. Мы максимально используем современные методы коммуникации, хотя личные встречи и личное общение, конечно, незаменимы. К сожалению, политическая обстановка сейчас непростая, и ограничение научного сотрудничества отражает эту ситуацию. Но я надеюсь, что эти проблемы носят временный характер, потому что большинство ученых наших стран хочет работать вместе.

Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА

Фото Николая Степаненкова