Главная тема номера

LHC. Результаты. Прогнозы. Размышления.

20 апреля в конференц-зале Учебно-научного центра состоялось очередное заседание общеинститутского семинара RDMS СMS "LHC: первые результаты и тревожные ожидания". Семинар транслировался в Интернете, в нем принимали участие виртуальные аудитории ФИАН (Москва), ИЯИ (Москва), ПИЯФ (Гатчина), ЦЕРН (Женева), университеты Томска, Барнаула, Кемерово, Томска, Новосибирска, Ярославля.

Открывая семинар, профессор И.А.Голутвин напомнил, что первое заседание состоялось 30 марта прошлого года. Ускоритель LHC успешно отработал по протонной программе - каждый из экспериментов (ATLAS и CMS) набрал светимость до конца 2010 года более 43 обратных пикобарн, а сейчас уже больше. Начата обработка данных, есть интересные результаты. Они изложены в более чем 70 статьях от коллаборации CMS, которые в основном уже опубликованы в ведущих научных журналах; остальные подготовлены и находятся в стадии оформления. То же самое делается в ATLAS и других коллаборациях. Принято решение продлить работу ускорителя до конца следующего года на энергии 7 ТэВ, а потом будет большой перерыв, примерно 19 месяцев, чтобы перейти на энергию 14 ТэВ.

Лекция профессора Д.И.Казакова, посвященная первым результатам работы LHC, длилась почти два часа (в ближайшее время запись будет выложена на сайте семинара http://rdms.jinr.ru/). В переполненной аудитории конференц-зала УНЦ ученые ОИЯИ, среди которых было много молодых сотрудников, а также из коллеги из вышеупомянутых научных центров, смогли получить, с одной стороны, общую картину развития физики с учетом новых ожидаемых результатов. А с другой стороны - обзор конкретных направлений теоретических исследований в области физики высоких энергий. Студенты из Новосибирска по окончании выступления спросили, сколько нужно учиться, какие книги прочитать, чтобы осознать и понять весь материал, изложенный в лекции. Дмитрий Игоревич поддержал ироничный тон вопроса - достаточно университетского курса физфака, аспирантуры, ну и... обязательно прочитать какую-нибудь толстую книгу. А для читателей нашей газеты, в круг которых входят не только физики, мы попросили Дмитрия Игоревича дать более популярное изложение.

Дмитрий Игоревич, что означает выражение "43 обратных пикобарна", как измеряют данные, полученные на LHC в прошлом году?

Это такая своеобразная единица измерения. Представьте себе - вылетает миллион частиц, и под каким-то углом летят десять частиц с данной энергией. Это экспериментальный факт, результат измерений. Далее мы вычисляем, сколько должно быть таких частиц, и сравниваем это вычисление с тем, сколько получилось в эксперименте. Если совпадает, значит, мы правильно понимаем процесс. Если не совпадает, значит, там возможно появление новой физики или мы что-то не поняли.

Итак, измеряется реальное число частиц. А теоретически это число частиц равно начальному потоку, который есть в ускорителе, умноженному на так называемое сечение процесса. Вообще говоря, сечение измеряется в квадратных сантиметрах, но для нас это очень неудобные единицы, потому что в физике элементарных частиц сечения микроскопические. Мы используем единицу, называемую барн, который составляет 10^-24 кв.см. Или пикобарн, что составляет 10^-9 барна. Теперь спрашивается, какую надо набрать статистику, чтобы наблюдать процесс с сечением 1 пикобарн? Статистику надо набрать обратную пикобарну. Если это получится, значит, мы этот процесс можем увидеть. Если меньшую - значит, этот процесс мы увидеть не можем.

До зимнего перерыва на LHC статистика была 43 обратных пикобарна. Это означает, что для процессов, которые происходят с вероятностью 1 пикобарн, можно было увидеть 43 события. Сейчас статистику удвоили - уже 80 обратных пикобарн, значит, для тех же процессов можно увидеть 80 событий. Вот мы и гонимся за этими светимостями, чтобы увидеть побольше.

Почему надо было создавать исследовательскую машину только для поиска бозона Хиггса?

Ускоритель LHC и детекторы, которые на нем работают, создавались не только для поиска бозона Хиггса, но и для поиска новой физики на масштабе энергий порядка 1 ТэВ. Но поиск бозона Хиггса - это задача номер один. Мы надеялись, что эту частицу найдем раньше, на других ускорителях, но этого не случилось. Вообще, для того чтобы обнаружить какую-то частицу (разумеется, предполагая, что она существует), должны соблюдаться два условия: достаточная для ее рождения энергия и число родившихся частиц, которое должно быть таким большим, чтобы мы их могли пронаблюдать.

Поскольку масса хиггсовского бозона не предсказывается теорией, а предсказывается только интервал, в котором она находится, то непонятно, какая энергия в точности нужна для ее обнаружения. Поэтому идет "сканирование" по энергии все дальше и дальше. Сначала были надежды, что Хиггсовский бозон достаточно легок, и мы найдем его на ускорителе LEP в Женеве, но не удалось. Он оказался тяжелее, чем тот энергетический порог, до которого ускоритель LEP мог дотянуться. Следующей надеждой физиков был Тэватрон в Фермилаб, там энергии гораздо выше. Но возникла другая проблема - поскольку сталкиваются протоны, рождается очень много частиц и нужно большое число событий, чтобы разглядеть искомый бозон. Американские ученые стараются это сделать, у них еще осталось некоторое время до остановки уcкорителя, но пока безрезультатно. И наконец, следующий ускоритель - LHC. Он имеет достаточную энергию, чтобы хиггсовский бозон найти, вопрос теперь в том, чтобы этот бозон разглядеть.

И сколько должно пройти времени между сбором статистики и моментом, когда можно авторитетно заявить - да, это он?

Если ускоритель работает хорошо и статистика начинает набираться, то это моментально происходит, потому что осуществляется онлайн-обработка. Не то, чтобы полгода назад набрали данные, а потом они обрабатываются. Просто нужно, чтобы количество частиц в сгустке было большое и сгустков было много. До зимнего перерыва было 1011 частиц в сгустке, а сейчас уже 1013, то есть их стало больше в 100 раз, все растет как на дрожжах. Думаю, реально - я слышал доклад директора ЦЕРН, он очень оптимистично смотрит в будущее - до конца 2012 года у нас будет информация. Если только мы правильно понимаем, что мы ищем.

Если частица Бога, как называют бозон Хиггса, будет найдена, как это повлияет на развитие физики?

Прежде всего, это будет свидетельствовать о том, что мы правильно понимаем, как происходит нарушение симметрии, как получается масса частиц, наши гипотетические предположения будут подтверждены. Сейчас не хватает экспериментального подтверждения значительной части Стандартной модели, которая в целом очень правильно описывает всю физику элементарных частиц. И если мы найдем хиггсовский бозон и подтвердим правильность наших догадок, то это будет очень большое событие: значит, мы на правильном пути. Хотя некоторые ученые считают наоборот - самое интересное начнется, если мы не найдем бозон Хиггса: тогда надо будет думать о каком-то новом механизме нарушения симметрии. Но сколько лет уже думают, а ничего нового не придумали. Я принадлежу к тем людям, которые считают, что косвенные данные свидетельствуют о том, что хиггсовский бозон будет найден.

Стандартная модель и суперсимметричная находятся в противостоянии?

Нет-нет, ни в коем случае не в противостоянии. Стандартная модель описывает все известные нам явления природы. Мы только не вполне понимаем некоторые части СМ, в частности бозон Хиггса. Или, например, мы подобрали массы кварков так, чтобы правильно описывать эксперимент, но почему они такие - не понимаем. Единственно, где у нас появляются проблемы, это когда мы выходим за пределы физики частиц и начинаем рассматривать, например, астрофизику. Как известно, в природе есть темная материя, которой в Стандартной модели нет. Поэтому говорят - если мы хотим, чтобы и в астрофизике все работало, тогда нам надо как-то расширять Стандартную модель.

Теперь что касается суперсимметрии... Когда предполагают, что физика не ограничивается Стандартной моделью, начинают искать что-то новое - выстраивать хитрые модели, многомерные пространства, много разных фантазий существует. Одна из них - введение новых симметрий, например суперсимметрии. То есть это физика, которая не относится к Стандартной модели, это есть расширение ее. Может, это правильное расширение, и мы найдем подтверждающие эту концепцию факты. Может, неправильное, и тогда мы придем к несоответствию с наблюдениями. Но теоретически это очень элегантное расширение, поэтому многие люди верят в суперсимметрию и занимаются ею. Собственно, суперсимметрию как математическую концепцию предложили уже почти 40 лет назад, и за это время было много теоретических находок, хотя с точки зрения физики она никак не проявилась.

На пути к обнаружению бозона Хиггса на LHC, видимо, исследуются и другие физические явления?

Даже если Стандартная модель верна и бозон Хиггса будет найден, внутри модели остаются не совсем понятные моменты. Один из них - барионная асимметрия Вселенной: почему во Вселенной есть материя и нет антиматерии. Если объяснить это в рамках физики частиц, то надо предположить, что происходит нарушение так называемой комбинированной четности. Не буду объяснять, что это такое, но, в общем, она связана с отличием мира частиц от мира античастиц. Для барионной ассиметрии требуется, чтобы комбинированная четность нарушалась. В Стандартной модели есть некий параметр, который к этому приводит. Правда, как утверждают астрофизики, этого недостаточно для объяснения барионной асимметрии Вселенной, надо разбираться. Поэтому одна из задач, которая будет решаться на LHCb, - изучение нарушения комбинированной четности, и уже есть первые результаты. Это важная вещь, потому что мы стремимся не только понять, как устроено взаимодействие частиц, но и как устроена вся Вселенная. Тут астрофизика смыкается с физикой частиц.

Кроме того, многие физики думают, что Стандартная модель - это не конец истории, может быть другая модель, которая нам поможет понять какие-то скрытые пружины внутри Стандартной модели. А как их еще исследовать? На этом ускорителе. Поскольку мы переходим на новый энергетический рубеж, что обычно приводит к каким-то новым явлениям, то и новостей мы ожидаем с нетерпением.

В лекции вы не стали подробно комментировать ридж-эффект. Почему?

Я на одном слайде упомянул, что коллаборация CMS обнародовала данные, указывающие на корреляции по азимутальному углу. Я это не комментировал, потому что в аудитории находились люди, которые лучше меня знают об этом. А во-вторых, мне кажется, сейчас нечего сказать на этот счет - пока нет идей, о чем именно эти корреляции сигнализируют. К тому же это не вполне моя область.

Вы упомянули об обработке данных в онлайн-режиме. Как это влияет на процесс познания в целом?

Дело в том, что процесс познания, который идет сейчас с помощью ускорителя, здорово отличается от того, с чего все начиналось. В Дубне, например, было время, когда новые частицы изучались в трековых камерах, исследовались следы, применялись пленки, микроскопы... Есть знаменитая фотография: когда в Дубне открывали антисигма-минус-гиперон на синхрофазотроне, физики смотрели пленки на просвет. Сегодня, когда на таком колоссальнейшем ускорителе, как LHC, происходит рождение частиц, их образуется огромное множество. И, конечно, глазами такое разглядеть невозможно. Чтобы понять, что там происходит, надо изучать продукты взаимодействия этих частиц в сравнении с заранее сделанными вычислениями. На нашем жаргоне это называется метод Монте-Карло. Например, говорят: "То, что происходит на ускорителе, прекрасно совпадает с Монте-Карло". Что это означает? То, что физики берут за основу Стандартную модель, проигрывают на компьютере события - сколько и куда должно лететь частиц, что должно получаться в результате. И потом, как по кальке, сравнивают то, что измерили, с тем, что посчитали. Если совпадает, говорят - все правильно, все совпадает с Монте-Карло. Но, если бы мы сделали этот расчет в рамках другой модели, у нас был бы другой результат, а "калька" бы не совпала. Например, по теории должно родиться 10 частиц, а родилось 20. Как быть? И вот тогда мы пытаемся построить другую модель или дополнение к модели, чтобы получилось 20. Представьте себе, я поменял "кальку", у меня получилось 20. А вы поменяли по-другому. И у вас тоже получилось 20. Спрашивается, кто из нас прав? Значит, нужно еще что-то измерить, чтобы подтвердить свою идею.

А цена ошибки? Например, группа ученых создаст, как вы говорите, "кальку", которая все описывает, а это окажется ложный путь...

Для этого и предусмотрены два эксперимента: CMS и ATLAS, - в одном месте работает одна команда, в другом - другая. Я уже не говорю, что каждая коллаборация состоит из нескольких тысяч человек и в каждой много разных групп, которые анализируют одни и те же данные, происходит колоссальнейшая проверка и перепроверка, пока коллаборация решится, наконец, обнародовать свои данные. На Тэватроне две коллаборации, на LHC четыре, но они не равнозначны. Две главные, CMS и ATLAS, общего назначения, есть еще LHCb и ALICE, они предназначены для специальных задач. Никто не поверит данным, если в одной коллаборации будет эффект, а в другой нет. Так и раньше было. На LEP было четыре коллаборации, на SPS - две, со своими методами, программами. Но Стандартная модель у нас, конечно, одна.

Наука как стремление к истине, способ познания мира, от такой конкуренции выигрывает, или это разрастание общности людей, которым нравится заниматься сложными, дорогими исследованиями?

Поскольку, вы правильно заметили, исследования стали сложными и мы получаем знания по вторичным продуктам, интерпретация может оказаться неправильной. Даже не потому что данные могут быть сознательно сфальсифицированы, а просто можно ошибиться, что-то неправильно понять. Поэтому ясно, что без такой конкуренции, когда люди перепроверяют друг друга, не продвинуться вперед. Можно, конечно, поставить вопрос - нужно ли столько человек в коллаборации, почему они такие большие? Но, опять же, сейчас все не так, как было раньше, теперь ускоритель - это огромный индустриальный комплекс. Много людей участвовали в его создании, настраивали аппаратуру, создавали компьютерные программы. Может, они уже давным-давно работают где-то в индустрии, закончили университет и ушли из физики...

Сейчас идет обработка данных, во многих научных центрах мира физики через грид-сегмент занимаются обработкой. Поэтому сотрудников в коллаборациях действительно много, работы много, она делится между людьми. Если больше не будет таких больших ускорителей, все это свернется, не будет такого количества людей. Хотя я недавно узнал, что астрофизиков еще больше...

Тогда почему говорят о падении интереса к науке во всем мире, если так много людей работают в ней и смежных областях?

Существует много университетов, которые направлены на поддержание культуры общества и внедрение образования в массы, университеты учат наукам, в том числе и физике. Дальше люди работают, это такая академическая среда. Не очень денежная, но во многих странах довольно престижная. Опять же в академическом стиле жизни есть свои преимущества - нет денег, зато есть свобода творчества, для многих это интересно. Думаю, эта привлекательность будет оставаться. Ясно, что если совсем не поддерживать науку, она вымрет. Вот, наша страна ставит эксперимент по выживанию, у нас действительно многие институты вымерли в результате. Наверное, это плохо. Но заставить общество любить ученых невозможно. Можно только заставить уважать знания. Был период, когда их уважали. Сейчас у нас совсем не уважают, в мире тоже не очень уважают, потому что продавец пепси-колы зарабатывает гораздо больше. Правда, он спивается от тоски. А вот ученый... спивается от восторга! (Смеется)

То есть интерес у людей все-таки есть, просто меняются обстоятельства?

Безусловно, есть. Это видно хотя бы по тому, что люди все равно идут в университеты, учат эту очень сложную науку, научно-популярные книжки раскупаются, на лекции молодежь ходит - в Политехнический музей, например, приходит много молодежи. У людей любопытство есть, школьникам любопытно всякое. Это всегда будет. Но... сколько денег должно тратить общество, чтобы люди удовлетворяли это любопытство? Наверное, какой-то процент от валового продукта. Если сравнивать Советский Союз и нынешнюю Россию, то этот процент в два раза меньше стал. Это говорит о том, что тогда с большим уважением к знаниям относились. Ясно, что знания должны приносить в конечном счете выгоду. Бурное развитие современной электроники, например, говорит о том, что знания приносят выгоду, мы же теперь себя не мыслим без телефонов, компьютеров... Это - знания. А знания выковываются учеными. И чтобы эти знания приносили выгоду, надо позволить каким-то чудакам копаться вообще непонятно в чем. Потому что неизвестно, как это все потом отзовется. Казалось, человек чудак чудаком, а потом раз, и изобрел чего-нибудь. Изобретатели ведь сами по себе не рождаются, они утилизируют то, что чудаки придумали. Если общество хочет развиваться, значит, оно должно сознательно идти на то, чтобы кормить этих чудаков.

Что же касается интереса именно к ядерной физике... В обществе, я имею в виду развитое общество, все регулируется спросом-предложением. Если индустрия требует, допустим, компьютерщиков, значит, компьютерный факультет начинает фонтанировать, туда поступает больше студентов, потому что после окончания люди находят работу, они нужны всем. Сейчас такой период, когда компьютерщики нужны, а физики-ядерщики нет. Вектор может поменяться в любой момент, и все начнут сходить с ума, например, по полетам на Марс, поступать на факультеты, скажем, воздухоплавания или космоплавания.

Возвращаясь к нашей теме - с физической точки зрения, если будет найден бозон Хиггса, ускорительная техника на этом закончится?

Я бы так сказал: если на LHC ничего не будет найдено, или бозон Хиггса обнаружат и больше ничего, то наступит большой перерыв. Новый ускоритель не будет строиться, потому что непонятно, на какую энергию его создавать. Вот, скажем, сейчас мировым сообществом обсуждается следующая исследовательская машина - Международный линейный коллайдер, и Дубна предложила себя в качестве места, где его строить. Но это обсуждается немного вяло, ведь чтобы построить дорогостоящую установку, надо иметь вполне конкретные цели, на какую энергию строить, что там будет исследовано. И пока на LHC ничего не открыто, будущее физики высоких энергий непонятно. Поэтому ученое сообщество, несмотря на то, что какие-то исследования ведутся, замерло в ожидании. И не исключено, что будет большой перерыв, пока не найдут способ, как добиться тех же целей без возведения таких гигантских машин, чтобы это было дешевле и так далее.

Ядерная физика началась сто лет назад, мы недавно отмечали столетие открытия атомного ядра. Во многих странах исследования по классическим направлениям закрыты. Я был двадцать лет назад в Англии, при мне там закрывали программы по исследованиям по ядерной физике. Перед этим они обсуждали выход из ЦЕРН. Тогда удалось переубедить политиков, ЦЕРН отстояли, но ядерную физику они у себя как таковую закрыли. В России, в Германии, в некоторых других странах она осталась. Я хочу сказать, что интересы смещаются - какие-то конкретные области могут уйти из фавора, другие придут на их место. Если сейчас на LHC ничего не найдут, будет сворачиваться физика высоких энергий в мире. Старые люди доживут свое, а молодежь пойдет в какую-то другую специальность. Научные исследования-то будут продолжаться, но тенденция сменится, это нормальное, по-моему, явление. Я и студентам стараюсь говорить не только про то, чем сам занимаюсь, но и про другие направления. Надо смотреть дальше. Науку двигает интерес. Надо идти туда, где интересно, где жизнь кипит. Там можно добиться успеха.

Беседу вела Галина МЯЛКОВСКАЯ