Компьютерра PDA N60 (02.10.2010-08.10.2010) - Компьютерра

Автор: Алла Аршинова

Опубликовано 07 октября 2010 года

Физика высоких энергий известна неспециалистам в основном в связи с запуском проекта LHC (Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер). Из-за огромной популярности экспериментов в CERN не все понимают, что физика элементарных частиц гораздо разнообразнее, чем мы себе представляем. Ведь помимо работы с Energy Frontier, то есть предельно высокой энергией, есть и другой класс увлекательных экспериментов, которые дают нам принципиально новые знания об устройстве мира. Для такой физики не обязательно строить 27-километровое кольцо и нанимать штат сотрудников, сравнимый по численности с населением небольшого городка. А результаты работы установок с относительно низкими энергиями очень важны и, как правило, уникальны.

Для чего предназначены ускорители с предельно высокой интенсивностью? Почему студенты физических факультетов не всегда способны работать в науке? Что дает основание делать предположения о том, что происходило с веществом во Вселенной сразу после Большого взрыва? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук,  член-корреспондент Российской академии наук, профессор кафедры физики элементарных частиц, доцент кафедры физики ускорителей Александр Бондарь.

- С каких энергий начинается физика высоких энергий?

Этот вопрос мне кажется несколько забавным. Строгой границы нет. Это просто термин в физике элементарных частиц, который появился, когда она обособилась в самостоятельную область знаний из ядерной физики. Под высокими энергиями понимаются энергии, значительно (в десятки раз) большие, чем характерные энергии в ядерных реакциях. Речь идет не об энергии, выделяющейся в результате ядерного взрыва, а в результате элементарной ядерной реакции, например, распада радиоактивного ядра. Эта энергия измеряется десятками МэВ, то есть ее характерная величина - "мега". А физика элементарных частиц, составляющей ядра протонов и нейтронов, это уже энергия, начинающаяся с 200-300 МэВ. Верхняя планка зависит от предела технических возможностей по величине. Сегодня максимальная энергия протонов это 3, 5 тысячи миллиардов электронвольт. Такие характеристики имеет установка, которая недавно заработала в CERN. В природе достигаются гораздо большие энергии, но природные явления значительно труднее изучать, потому что мы не знаем, в каком месте эта частица прилетит, и в какой момент.

- И события происходят реже.

Гораздо реже, чем больше энергия, тем они реже и реже. Поэтому такие установки, целенаправленно созданные для изучения частиц с предельно большими энергиями, это и есть основное направление развития нашей науки. Итак, условная граница такая: от 200-300 МэВ до максимально достижимых.

- Что изучают на ускорителях с относительно низкими энергиями?

Чем замечательна наша наука? Тем, что физика вообще и, в частности, физика высоких энергий, это очень тонко взаимосвязанная система знаний. Потому что явления, связанные с большими энергиями, могут проявляться в относительно низкоэнергитичных процессах. Есть целый класс явлений в природе, где участвуют виртуальные тяжелые частицы, они, как правило, и есть предмет исследования. Часть из них уже известны и открыты, а часть напрямую не наблюдается, потому что они имеют слишком большую массу, недоступную для рождения на коллайдерах высоких энергий. Однако они могут проявляться косвенным образом, за счет виртуальных процессов, когда эти тяжелые частицы проявляют себя в маленьких поправках к основному процессу. И поэтому эксперименты, которые проводятся на низких энергиях (или, лучше сказать, в нижней части области высоких энергий) - это, как правило, очень точные эксперименты. Целый ряд открытий в науке был осуществлен именно при низких энергиях. Не в прямых экспериментах, а в косвенных наблюдениях. Это возможно в тех случаях, когда физический процесс может быть очень точно рассчитан, и отклонения от ожидаемого результата являются целью нашего поиска. Здесь, в ИЯФ (Институт ядерной физики СО РАН), мы не можем построить такую гигантскую установку, как в CERN, поэтому мы идем своим путем: строим относительно небольшие установки, которые имеют новые свойства и позволяют делать прецизионные эксперименты, то есть очень точные, и по результатам этих экспериментов мы стараемся получить новую информацию.

- Я правильно поняла, что эксперименты на таких ускорителях недоступны большим ускорителям?

Да, безусловно. Физика разнообразна, и определенного типа наблюдения возможны только на таких установках. И это вообще основной принцип науки: нам неинтересно повторять измерения, сделанные другими, просто для того чтобы проверить их. Задача науки - искать неизвестное, выходить на грань между понятным и непонятным. Поэтому настоящий исследователь ищет новые возможности, ранее не использованные в научных исследованиях, чтобы получить дополнительные знания.

- Какие есть направления в физике высоких энергий?

Я бы выделил три основных. Первое направление - это Energy Frontier, то есть предельно высокие энергии, такие, как, например, на LHC. Второе - это установки с высокой интенсивностью, тоже коллайдеры, на которых исследуется специальный класс редких явлений при относительно низких энергиях. Отличительная характеристика таких установок - это предельно высокая интенсивность пучков и, следовательно, высокая частота столкновения частиц. И третье направление - это поиск неизвестных нам явлений и частиц, остаточно существующих в природе. Дело в том, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Первое время жизни Вселенной материя существовала в совершенно других условиях. Тогда возникали совсем другие частицы и явления, которые сейчас мы наблюдать не можем. Для наблюдения остатков явлений, произошедших 14 миллиардов лет назад, строят специальные детекторы. Например, мы знаем, что масса наблюдаемого вещества во Вселенной много меньше, чем полная масса Вселенной. То есть во Вселенной есть нечто ненаблюдаемое стандартным способом, но имеющее заметную массу. Мы думаем, что это особые частицы, которые до сих пор не проявлялись в прямом эксперименте, и были порождены в процессе Взрыва, а сегодня остались в виде холодной темной материи. Физики пытаются найти косвенные свидетельства этих частиц. Что это значит? Например, Солнце и Земля движутся во Вселенной, и проходят через газ холодных частиц. Время от времени эти частицы сталкиваются с атомами вещества, за счет отдачи (очень редко) вылетают ядра. Столкновение частиц тяжелой холодной материи с ядерной материей может иметь проявления, например, в виде ионизации, звуковой волны в кристалле и т.д. Экспериментаторы создают детекторы, которые предназначены фиксировать такие слабые проявления.

Так вот, есть три стратегических направления, в которых движется наша наука. ИЯФ участвует во всех, но у себя мы строим установки высокой интенсивности для изучения редких явлений на относительно невысокой энергии; также мы участвуем в экспериментах в CERN на LHC, то есть в экспериментах с предельно доступными энергиями; и участвуем в создании низкофоновых детекторов большой массы для поиска темной матери. Эти же детекторы можно использовать и для изучения солнечных нейтрино.

- А разве природа солнечного нейтрино еще не ясна?

Да, ясна, но сама физика нейтрино очень бурно развивается последние 20 лет, мы получили массу новых знаний о том, как устроено само по себе нейтрино, и какие следствия это имеет для всей физики в целом. В частности, было открыто явление осцилляций нейтрино (переход одного типа нейтрино в другой). Это новый класс явлений, который активно исследуется во всем мире. Впервые об осцилляциях нейтрино задумались, когда был обнаружен дефицит потока нейтрино от Солнца. Как вообще наука может предсказать поток нейтрино от Солнца? Дело в том, что известна мощность излучения Солнца, мы знаем, что источником энергии для него являются ядерные реакции, поэтому мы можем установить, какое количество ядерных реакций происходит в Солнце в единицу времени. Так можно посчитать поток солнечных нейтрино и измерить его в прямом эксперименте. Раньше считалось, что поток нейтрино не может отличаться от расчетов, но были энтузиасты, которые захотели это проверить. Получилось, что этот поток в 2,5 раза меньше, чем в расчетах. Чем это можно объяснить? Может быть, мы не понимаем ядерные явления, которые происходят на Солнце, не понимаем условия, которые есть в его центре? Может быть Солнце устроено не так, как мы себе представляли? Но есть наука о Солнце, которая говорит, что мы не можем допустить такой большой ошибки, и надо искать в другом месте. Обнаружилось, что это связано с тем, что нейтрино обладают уникальной особенностью. Всего есть три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В Солнце возникают электронные нейтрино, потому что там происходят ядерные реакции с участием электронов, позитронов, бета-распад. Кажется, что нейтрино должны долетать до нас и регистрироваться здесь как электронные нейтрино. Почему же в результате поток нейтрино становится по пути к Земле меньше? Оказалось, что у этих частиц есть небольшая масса, они частично превращаются в другие типы нейтрино. Такое наблюдение было сделано как раз в экспериментах при низких энергиях, и это дает нам абсолютно новое знание.