Поиск #47(913) 24 ноября 2006 г. Стандартная фантазия Физики-теоретики грезят революцией

Ученые любят рассказывать такой случай: основоположнику квантовой физики нобелевскому лауреату Максу Планку его учитель, профессор Филипп Жолли, якобы не советовал заниматься теоретическо физикой в силу ее исчерпанности. Вообще, человеческое познание на протяжении своей истории периодически сталкивается с проблемой завершённости. Исследователям иногда кажется, что еще немного усилий - и тайна мироздания будет разгадана. Однако проходит время, и в свете новых открытий становится очевидным: научное сообщество находится не в конце, а всего лишь в начале пути к постижению истины. Судя по всему, сейчас мы в преддверии нового научного переворота, по крайней мере, в физике элементарных частиц. Что позволяет физикам высказывать такие предположения? Об этом – в беседе нашего корреспондента Игоря Горюнова с сотрудником Института ядерных исследований (ИЯИ РАН) академиком Валерием РУБАКОВЫМ

- Ситуацию в современной физике элементарных частиц можно описать следующим образом, - рассказывает учёный.

- Где-то в начале 1970-х годов на основе данных, известных к тому времени, была сформулирована вся та теория, которая к сегодняшнему дню проверена и получила подтверждение в очень точных экспериментах на ускорителях. В настоящее время физическая картина мира с наибольшей глубиной и достоверностью описывается так называемой Стандартной моделью. Согласно этой теории, все многообразие природы построено из фиксированного набора фундаментальных частиц: 6 лептонов и их античастиц (6 антилептонов), 6 кварков и соответствующих антикварков, глюонов, фотонов, заряженных W-бозонов, нейтральных Z-бозонов и частиц Хиггса. Окружающее нас вещество состоит из электронов, относящихся к лептонам, и двух видов кварков (обозначаемых буквами u и d – «верхний» и «нижний»). Из этих кварков составлены протоны и нейтроны, а из них - ядра всех элементов Периодической системы Менделеева. Весьма многочислен класс ядерно-активных мезонов - это так называемые связанные состояния, составленные из кварка и антикварка, но время их жизни ничтожно мало - не более миллиардных долей секунды. Фотоны в Стандартной модели обеспечивают электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами. W- и Z-бозоны ответственны за так называемое слабое взаимодействие, приводящее к распадным явлениям. А «сильное» (или ядерное) взаимодействие между кварками осуществляется путём обмена глюонами. К настоящему времени экспериментально подтверждено существование всех предсказанных теорией фундаментальных частиц, кроме тех, которые были введены независимо несколькими теоретиками, в том числе англичанином П.Хиггсом, для объяснения образования массы всех иных частиц и называются «частицами Хиггса».

- Можно ли сказать, что в 1970-е годы завершилась начавшаяся на рубеже XIX – XX веков научная революция, осмысляя первые итоги которой Ленин заметил: электрон так же неисчерпаем, как и атом?

- Скорее всего, это будет натяжкой, потому что та революция прежде всего была связана с формулировкой совершенно новых представлений о пространстве-времени и частицах, несущих квантовые свойства (квантах). Она завершилась созданием Общей теории относительности (1915 год) и квантовой физики (конец 1920-х – начало 1930-х годов). Позднее произошла вторая научная революция, которая была связана с изменениями представлений о полях и квантах. С 1930-х по 1950-е годы был осуществлен процесс обьединения релятивистской и квантовой физики в единую релятивистскую квантовую теорию поля (тогда это была квантовая электродинамика). Новая теория оказалась весьма нетривиальной, тем не менее физики довольно быстро научились пользоваться ее аппаратом для решения конкретных задач. Со второй половины XX века происходила революция или эволюция (кому как удобнее называть этот процесс) в наших представлениях о структуре материи. Она завершилась созданием в 1970-е годы Стандартной модели, в основу которой была положена квантовая теория поля. Можно даже сказать, что Стандартная модель и есть квантовая теория поля, но вполне определенная, в которой присутствуют кварки, глюоны и другие фундаментальные по нынешним представлениям частицы.

- Что было сделано в физике элементарных частиц с тех пор?

– Во-первых, как я уже сказал, Стандартная модель была досконально проверена, и сегодня правильность этой теории ни у кого не вызывает сомнения. Во-вторых, физики, проводя эксперименты на ускорителях, искали возможную физику, которая бы не описывалась Стандартной моделью. И таковая была найдена в секторе нейтрино и связана с их осцилляциями - переходами нейтрино из одного типа в другой.

- Расскажйте об этом, пожалуйста, поподробнее.

- На самом деле, это довольно долгая история. Первые указания на то, что в природе существуют осцилляции нейтрино, появились к концу 1960-х годов. В работах по детектированию солнечных нейтрино был зафиксирован их дефицит по сравнению с расчетным. Кстати, за исследования в этой области иностранный член нашей академии Рэймонд Дэвис получил Нобелевскую премию. Второе свидетельство - эксперимент на японской установке Камиоканде, также зафиксировавший дефицит солнечных нейтрино. Окончательно картина осцилляций нейтрино - то, что именно их переход из одного типа в другой, а не тонкости, связанные с «работой» Солнца, приводит к дефициту солнечных нейтрино, - была установлена к началу этого тысячелетия в ходе сложнейших галлиевых экспериментов по детектированию солнечных нейтрино. Один из них проводился группой российских и американских исследователей (он продолжается до сих пор) в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, а другой - международной коллаборацией на нейтринном телескопе в лаборатории Гран-Сассо (Италия). Сегодня все данные по солнечным, атмосферным, ускорительным и реакторным нейтрино, кроме результатов, полученных в ходе эксперимента в Лос-Аламосе, укладываются в картину осцилляций между тремя известными типами нейтрино. Я думаю, что полученные американскими коллегами данные неверны вследствие систематических погрешностей, имевшихся в эксперименте. В настоящее время в Фермиевской национальной лаборатории (Фермилабе) уже проводится эксперимент, который должен опровергнуть полученные в Лос-Аламосе данные. Если он окажется удачным, то картина нейтринных осцилляций будет окончательно установлена. Вместе с тем осцилляции между нейтрино разных типов - единственное явление, не описываемое Стандартной моделью с момента ее создания.

- Что, наверное, ставит под вопрос её корректностъ?

- Нет, это не сильно противоречит Стандартной модели. Это требует ее дополнения. Стандартную модель, как я уже говорил, опровергнуть нельзя, ее можно только дополнять. И данные по нейтрино свидетельствуют, что она требует такого дополнения. Нейтринные осцилляции явление, конечно, красивое и важное. Однако с момента создания Стандартной модели ожидалось и ожидается, что за ее пределами появятся другие неизвестные физические явления: новые частицы, взаимодействия и т.д. Но пока ничего этого обнаружить не удалось, хотя поиски интенсивно ведутся. В этой ситуации физическое сообщество с нетерпением ждет, что откроет новый ускоритель - Большой адронный коллайдер (LHC), который совсем скоро начнет работать в ЦЕРНе.

- Но откуда икая уверенность, что он обязательно обнаружит что-то неизвестное? Это интуиция или нечто большее?

- Ситуация с ожиданиями открытий от работы LHC следующая. Формально, с теоретической точки зрения, Стандартная модель внутренне непротиворечива, поэтому, с одной стороны, не исключено, что это полная теория, которая истинна и в области очень высоких энергий. Но, с другой стороны, в Стандартной модели существуют некие внутренние трудности. В физике есть представление о естественности теории. Анализ Стандартной модели с этих позиций вроде бы указывает на ее искусственность. Простой вопрос характерный энергетический масштаб Стандартной модели (порядок энергии покоя частиц в этой теории) 100 ГэВ. Между тем в природе есть другой характерный энергетический масштаб – гравитационных взаимодействий (10¹⁹ ГэВ), который на 17 порядков (в 10¹⁷ раз) больше масштаба Стандартной модели. Когда физик-теоретик видит такое различие, он стремится объяснить, почему возникла такая иерархия масштабов между разными типами взаимодействий. В рамках Стандартной модели получить ответ на этот вопрос не удается. Для разрешения этой проблемы теоретики придумали разные механизмы происхождения данного явления. Однако все предложенные модели так или иначе предсказывают новые физические явления в той области энергетического спектра, где должен работать LHC. Поэтому научное сообщество уверено, что Большой адронный коллайдер откроет целый пласт новой физики за пределами Стандартной модели. Хотя, честно говоря, его обнаружение ожидалось с началом работы ранее построенного в ЦЕРН е Большого ускорителя со встречными электронными и позитронными пучками и тэватрона в Фермиевской национальной лаборатории.

- Но ни та, ни другая мегамашины ничего не открыли?

– Не открыли. Более того, с высокой точностью подтвердили Стандартную модель и тем самым исключили многие модели и области параметров моделей, которые были предложены за ее пределами. Так что ситуаwия в физике элементарных частиц в преддверии пуска LHC интригующая.

- Есть вероятность того, что Большой адронный коллайдер тоже ничего не откроет?

- Такого исключить нельзя. Но это было бы очень странно, так как означало бы, что мы очень плохо представляем себе, как устроены законы природы и как они возникают. Но в любом случае LHC что-то откроет. Как минимум давно предсказанный хиггсовский бозон, образующий хиггсовское поле, которое обеспечивает появление массы у кварков, лептонов и других частиц, являющихся переносчиками различных видов взаимодействий. Хотя хиггсовский бозон может быть открыт и раньше – в Фермилабе очень стараются сделать это у себя на тэватроне. Но если Стандартная модель работает буквально, то данное открытие будет единственное в области физики высоких энергий в обозримом будущем.

- Правда, помимо интуитивных представлений физиков-теоретиков о естественности и красоте теории есть еще космологические указания, причём очень сильные, свидетельствующие о том, что Стандартная модель не полна. Таких указаний два. Одно связано с тем, что в нашей Вселенной существует асимметрия между материей и антиматерией: есть вещество, и нет антивещества. Этот факт в рамках Стандартной модели необъясним. Второе указание - тёная материя. Судя по всему, в настоящее время у нас есть надёные космологические свидетельства того, что нашу Вселенную заполняют какие-то неизвестные нам частицы. Они чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом и по плотности массы в пять раз превышают его.

- В Стандартной модели таких частиц нет?

- Нет. Это должны быть очень стабильные частицы, «живущие» е меньше времени существования нашей Вселенной. При этом их масса может оказаться столь огромной, что их не удастся создать даже на LHC. У этого коллайдера может просто не хватить энергии. Ведь энергия сталкивающихся частиц - протонов - в LHC будет строго фиксированной – 14 ТэВ (14 000 ГэВ).

- Можно сказать, что Стандартная модель описывает материю, которую мы можем наблюдать непосредственно или с помощью самых современных приборов А то, что наблюдать не можем она и не описывает?

- Она не описывает тёмную материю и преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной. А все полученные в лабораториях экспериментальные факты, за исключением явления осцилляций нейтрино, прекрасно объясняет. Но после расширения Стандартной модели - в принципе сделать это довольно просто - она будет в состоянии описывать переход одних типов нейтрино в другие. При этом все попытки найти физику за ее пределами пока к успеху не привели.

- А кто найдёт тому и слава...

- Конечно, но не только. Физикам-теоретикам будет ясно, в каком направлении думать. Пока среди них полный разброд. Каждый предлагает своё понимание того, что именно происходит в природе, её высокоэнергетическом спектре.