Очарованные кварками

   Андрей Константинов, при участии Александры Аникиной и Светланы Соколовой (Школа научной журналистики «РР») «Русский репортер» №5 (333) , 06 фев 2014, 00:00

   Фото: KevinFleming/Corbis/Fotosa.ru

   «Супер-чарм-тау-фабрика» — так называется проект, на который пытаются получить деньги физики из новосибирского Академгородка. Деньги вроде бы обещают, но пока не дали. Установки такого масштаба в России не строили уже четверть века. Есть надежда, что этот мегапроект позволит обнаружить явления, выходящие за границы основной физической теории современности — Стандартной модели, и прорваться к неведомой еще новой физике
На фоне бескрайних индустриальных пейзажей Новосибирска Академгородок выглядит уютным хипстерским оазисом. Разбросанные среди деревьев пятиэтажки всех цветов радуги, кафешки с европейской атмосферой студенческого веселья, зашкаливающий интеллект на лицах прохожих, научно-исследовательские институты на каждом углу. Мы — корреспондент «РР» и две юные участницы Школы научной журналистики — идем лесной тропой к самому знаменитому из местных НИИ. Сердце Академгородка — ИЯФ, Институт ядерной физики СО РАН. Там мы собираемся пройти посвящение в тайны строения материи.
   ИЯФ — место, где в 1963 году под руководством академика Герша Будкера, имя которого сейчас носит институт, построили первый в мире коллайдер — ВЭП-1. Да-да, первый в мире коллайдер был именно наш, в те времена американцы и европейцы пусть ненамного, но отставали.
   Теперь это музейный экспонат, стоящий в вестибюле института, — совсем маленький, похожий на железную видеокассету, поставленную на ребро, высотой как раз от пола до потолка. ВЭП — это встречные электронные пучки. Коллайдер состоит из двух колец одно над другим, соединяющихся подобно восьмерке; по кольцам циркулировали электроны, разгоняемые магнитным полем до почти световых скоростей, а в месте пересечения колец они сталкивались. Для этого и нужен коллайдер — чтобы как следует разогнать частицы, столкнуть их и посмотреть, что будет.

   Тайна вселенской асимметрии
   — Мы как китайские разведчики, которым поставлена задача выяснить, как устроен «мерседес», — объясняет Владимир Блинов, заведующий лабораторией ИЯФ, которая занимается экспериментами на встречных пучках частиц. — Мы разгоняем, по многу раз сталкиваем эти машины и смотрим, что из них вылетит на обочину. Если их скорость будет мала, выскочит разве что сиденье, а чтоб получить детали двигателя, нужно разогнать машины очень сильно. После того как эта технология впервые в мире была реализована в ИЯФе, процентов восемьдесят научных результатов о микромире было получено с ее помощью.
   После строительства первого коллайдера институт начал обрастать подземельями — коллайдеры следующих поколений требовали длинных подземных коридоров, в которых по вакуумным трубам разгонялись частицы перед столкновением.
   Но чем глубже ученые погружаются в микромир, тем дороже становятся проекты, и в последние десятилетия, трагичные для российской науки, оставшиеся в России специалисты из ИЯФ больше занимались чужими проектами — выполняли заказы для научных и промышленных коллайдеров Европы, США и всего мира. Только для Большого адронного коллайдера в CERN они изготовили оборудования на 100 миллионов евро — больше, чем все лаборатории США.
   — Ускорители частиц широко применяются в промышленности, — рассказывает Блинов, — даже электронно-лучевая трубка телевизора представляет собой что-то вроде небольшого коллайдера. А самые мощные ускорители — природные. Через каждый квадратный сантиметр нашего тела в минуту пролетают по два протона, разогнанные космическими ускорителями — взрывами сверхновых, магнитным полем Галактики. Если бы не экранирующая атмосфера, через нас проходило бы гораздо больше частиц из космоса. Люди, живущие в горах, пилоты и стюардессы получают более высокие дозы облучения.
   Блинов рассказывает про чарм-тау-фабрику. В этом коллайдере частицы будут встречаться с античастицами, пучок электронов — с пучком позитронов. Сталкиваясь, электрон и позитрон аннигилируют — превращаются в чистую энергию. Из этого клубка энергии рождаются новые частицы. Чем больше энергии выделилось, тем больше будет частиц и тем необычней они будут. Когда физики говорят, что коллайдеры имитируют условия возникновения Вселенной, они имеют в виду, что в них сталкиваются частицы, обладающие огромной энергией, как это было в первые мгновения после Большого взрыва. Коллайдер заменяет не только микроскоп, но и машину времени.
   Вакуумную камеру, в которой рождаются частицы, окружают детекторы, они регистрируют следы того, что получилось при столкновении. Каждой частице соответствует своя античастица. И в коллайдерах, и в природе частицы и античастицы всегда рождаются парами. Но раз после Большого взрыва возникло равное количество частиц и античастиц, то куда тогда делись все античастицы? Это одна из главных загадок физики.
   Если во Вселенной когда-то была нарушена симметрия частиц и античастиц, то при воспроизведении древнейшей материи в коллайдере это нарушение должно рано или поздно проявиться. Чтобы это обнаружить и понять, нужна огромная, небывалая статистика столкновений и рождений частиц. Поэтому одна из главных особенностей проекта чарм-тау-фабрики в том, что количество столкновений частиц в секунду здесь будет в сто раз больше, чем на любом другом существующем коллайдере. Поэтому ее и назвали «фабрикой».

   Зоопарк частиц
   Мы заходим в темноватый, плотно заставленный компьютерами и полками с приборами кабинет к старшему научному сотруднику ИЯФа Евгению Балдину, которому предстоит вести нас в коллайдер. Он решает начать объяснения с самых азов:
   — Вы сами и все, что вы видите, состоит всего из трех элементарных частиц…
   — Из электронов, протонов и нейтронов?
— А вот и нет, из электронов и двух типов кварков. Протон и нейтрон — не элементарные, а составные частицы. Каждая из них состоит из трех кварков, скрепленных глюонным полем. Причем 99% массы протона и нейтрона — а значит, и вашего веса — это масса глюонного поля, сами кварки весят в сто раз меньше. Глюонное поле переносит взаимодействия между кварками. Если совсем грубо, то его можно сравнить со скрепляющим кварки клеем или пружинками. Создаваемое этим полем «сильное взаимодействие» — это одна из четырех фундаментальных сил природы, отвечающая за соединение кварков в протоны и нейтроны. Другие три силы — это «слабое взаимодействие», тоже действующее на очень малых расстояниях и позволяющее частицам превращаться друг в друга, и намного более знакомые вам электромагнитное и гравитационное взаимодействие.
   То, что рассказывает нам Балдин, относится к так называемой Стандартной модели, в которой, как в таблице Менделеева, разложены по клеткам все частички вещества и взаимодействия.
   — Протонами и нейтронами, то есть комбинациями двух видов кварков, химики и физики занимаются уже несколько столетий, — продолжает Балдин. — Но помимо этих двух кварков есть еще четыре. Хоть мы и не видим их в обычной жизни, они тоже заслуживают того, чтобы их изучать. Как и частицы, подобные электрону, — мюон и тау-лептон, которые тоже не встречаются в повседневности. Чарм-тау-фабрика нацелена на широкомасштабное производство и изучение двух таких редких короткоживущих частиц — тау-лептона и четвертого кварка.
   — Очарованного?
   — Очаровательного! — поправляет Балдин. — Впрочем, называйте как хотите, специалисты тоже по-разному называют его по-русски.
   Очаровательным (по-английски — charm) четвертый кварк назвал Марри Гелл-Манн, явный гений и нобелевский лауреат, еще в 60-е открывший кварки и глюоны, а сейчас занимающийся реконструкцией единого праязыка человечества. Он обогатил физику немалым числом красивых названий: само слово «кварки» позаимствовал из романа Джойса, один из кварков назвал «истинным», другой — «странным», третий — «прелестным», описал их свойства как «цвета» и «ароматы».
   — А их кто-нибудь видел своими глазами?
   — Кварки открыли, бомбардируя протоны электронами и наблюдая, на какие углы отклоняются электроны. Оказалось, картина рассеяния электронов совсем не такая, как если бы протоны были простыми шариками. Гелл-Манн понял, что протон сам состоит из нескольких шариков. То есть это теория, но она точно описывает наблюдаемые явления и точно предсказывает результаты экспериментов. Кроме того, кварки не живут по отдельности — когда мы начинаем растаскивать кварки, напряжение «пружин» глюонного поля становится таким большим, что между этими кварками рождается новая пара кварков.

   — Из ничего?
   — Из энергии.
   Да уж, как говаривал Нильс Бор, «если квантовая теория вас не шокирует — значит, вы в ней ничего не поняли». Впрочем, и тех, кто ничего не понял, все эти превращения частиц в энергию тоже шокируют.
   Балдин тем временем рассказывает, что на чарм-тау-фабрике помимо очаровательного кварка и тау-лептона, возможно, удастся получить экзотические частицы, существующие сегодня только в гипотезах. Например, пентакварки, частицы из пяти кварков (вся привычная нам материя состоит только из трех), или глюболы — сгустки глюонного поля, отделившиеся от кварков.
   — Представьте, парень и девушка обмениваются эсэмэсками, а потом исчезают вместе с телефонами, остается только их переписка, — помогает ему метафорой Владимир Блинов.
   — Если это только гипотезы, почему вы всерьез надеетесь получить столь экзотические формы материи?
   — В природе что напрямую не запрещено, то, скорее всего, существует. У нас есть предположения, при каких условиях они могут возникать. Если мы их не получим, это тоже будет важный результат, который поможет понять, что именно накладывает косвенный запрет на возникновение таких объектов.

   За пределами Стандартной модели
   — А почему вы думаете, что кварки — элементарные частицы, а не составные? Может, материю можно разбирать до бесконечности и находить все более мелкие частицы.
   — Стандартная модель утверждает, что кварк — это конечная точка, он элементарен. Конечно, мы были бы рады выйти за пределы Стандартной модели и получить Нобелевскую премию. Пока не вышли. Но есть надежда, что чарм-тау-фабрика поможет найти отклонения от Стандартной модели.
   Стандартная модель — это самая-самая главная физическая теория. Недавно открытый бозон Хиггса заполнил последнюю клеточку этой таблицы, так что некоторые физики назвали это открытие закрытием, а Стивен Хокинг даже высказался в том духе, что если бы бозон не открыли, физика была бы гораздо интересней.
   — А почему вы так надеетесь найти отклонения? Может, Стандартная модель — это конец физики?
   — В Стандартной модели есть масса параметров, которые непонятно откуда берутся. И уже появляются открытия, такие как массивные нейтрино, которые плохо вписываются в Стандартную модель. Но главное — Стандартная модель не описывает все устройство мира, она включает в себя только три фундаментальных взаимодействия из четырех, никак не учитывая гравитацию, и поэтому не может быть абсолютно верной.
   Поиск новой физики, описывающей явления, выходящие за рамки Стандартной модели, — вот что вдохновляет ученых ИЯФа и их коллег по всему миру. Таким прорывом может быть, например, регистрация новой частицы, не встраивающейся в модель, или обнаружение квантовой гравитации.
   — В мире частиц с ничтожной массой гравитация проявляет себя крайне слабо, но как-то она себя проявлять должна, — вступает в разговор Владимир Блинов. — Отклонения от Стандартной модели обязательно должны быть, но трагедия современной физики в том, что пока, сколько мы ни повышаем точность эксперимента, таких отклонений не найдено. Если мы поймем, как работает гравитация на квантовом уровне, мы поймем все, создадим «единую теорию всего», описывающую весь физический мир.
   — Значит, если очень сильно жахнуть, может получиться что-то такое, что выведет нас к новой физике?
   — Не просто очень сильно, а много-много раз жахнуть, — продолжает Балдин. — Чтобы выйти за пределы Стандартной модели, надо очень сильно повысить энергию взаимодействия частиц в коллайдере. По этому пути, требующему огромных затрат, пошли создатели Большого адронного коллайдера. Но есть и другой путь — изучить очень-очень много столкновений частиц, собрать большую статистику, тогда нам, возможно, попадутся разные редкие процессы, редкие варианты распада частиц. Наши специалисты по ускорительной физике умеют создавать коллайдеры с максимально большой светимостью, то есть с максимальным количеством столкновений частиц в единицу времени. Десятилетиями мы строили такие машины по всему миру, а теперь сможем построить себе лучшую из них.
   — А нас не опередят?
   — Есть такая опасность. Но мы на переднем краю, пока оставшиеся наши специалисты не разбежались. Наш Новосибирский университет — донор специалистов для всего мира, сложно найти ускоритель, где бы ни работали наши выпускники. А если мы воплотим этот проект в жизнь, наоборот, к нам начнут приезжать люди.

   В подземелье
   — Пойдем в подземелье, — говорит Балдин.
   Мы проходим через дежурку, где несколько сотрудников круглосуточно следят за работой установки ВЭПП-5, производящей позитроны. Это часть будущей чарм-тау-фабрики. Обстановка в дежурке домашняя. На стене объявление: «Кто взял полотенце 18 октября, верните, пожалуйста». Чтобы мы спустились к ускорителям, не получив опасной для жизни дозы облучения, установку отключают. А так комплекс работает круглосуточно.
   Мы открываем железную дверь с надписью «Люк не открывать, радиация!» и значком радиационной опасности, спускаемся по крутым лесенкам и оказываемся на фабрике, где изготовляют частицы антиматерии — позитроны, бомбардируя электронами специальную матрицу. Вокруг нагромождение механизмов, не имеющих аналогов в обычной жизни. Электронная пушка, внутри которой с поверхности катода поднимается тучка электронов, как вода, готовая испариться. Магнитное поле отрывает электроны от катода, специальные линзы фокусируют их в пучок, который начинает двигаться по обернутой фольгой трубе, подстегиваемый стоящими вдоль нее электромагнитами.
   — Здесь много мелких, неинтересных, но необходимых приборчиков, — поясняет Балдин.
   Мы открываем еще одну дверь и оказываемся в длинном туннеле ускорителя, по центру которого проходят трубы с вакуумом. Вдоль труб — электромагниты, создающие напряжение в миллиард вольт, которое гонит тончайшие пучки электронов и позитронов к месту их столкновения.
   Мы идем по коридору, слушая гулкое эхо собственных шагов. Коридор длинный, сотни метров — по мере движения по нему частицы получают все больше энергии. Туннель разветвляется, система снабжает частицами сразу несколько коллайдеров, предназначенных для разных целей. В коридоре неуютно, откуда-то тянет сквозняком. Зеленые обшарпанные стены. «Здесь были Мишка и Андрюха», — нацарапано на одной из них.
   Моим коллегам-девушкам не дает покоя вопрос: зачем нужно тратить народные деньги на еще один коллайдер?
   — Да посмотрите вокруг: ваши диктофон и телефоны, содержимое сумочек и даже то, что на вас надето, — это отходы фундаментальной науки. Если не будет фундаментальной науки, не будет и технологий. Можно, конечно, закупать в обмен на нефть бусы в развитых странах, но настанет момент, когда даже бумажку, которая идет с этими высокотехнологичными бусами, прочитать будет некому. Мы уже близки к этому моменту — по-настоящему грамотных людей все труднее найти, — сетует Балдин.
   Мы замолкаем. В голове крутятся образы того, как ученые вгрызаются в материю: каждый новый уровень погружения обходится все дороже, но и дает в руки человечеству все бóльшие силы. Какие силы даст нам понимание причин вселенской асимметрии и прорыв к новой физике за пределами Стандартной модели, можно только гадать…
   — Туннель вырыли шесть лаборантов, — говорит вдруг Балдин. — В 90-е, за несколько месяцев, в свободное от работы время.
   — Лопатой, что ли?! — спрашиваем мы в шоке.
   — Отбойным молотком и тачкой. Ну а чего, трудно, что ли?
   Мы возвращаемся в диспетчерскую. Не успеваем мы выйти из нее, как взвывает сирена, способная поднять мертвеца:
   — Внимание! Включается рабочий режим! Всем покинуть зал, всем покинуть зал!


   Стандартная модель элементарных частиц


   Фото: Валерий Петров


   Фото: Юлия Позднякова


   Фото: Eto shorcy/wikipedia.org


   Фото: http://vepp2k.inp.nsk.su


   Фото: KevinFleming/Corbis/Fotosa.ru