В конце марта в ГНЦ "Институт физики высоких энергий" (ИФВЭ, г. Протвино Московской обл.) состоялось обсуждение по горячим следам новости, которая пришла, как говорится, "с переднего края" исследований физики микромира.
В импровизированной беседе участвовали: главный научный сотрудник ИФВЭ академик РАН С. С. Герштейн, еще два представителя теоретической физики - доктора наук А. К. Лиходед и В. В. Киселев, а также физики-экспериментаторы - начальник Отдела нейтринной физики член-корреспондент РАН С. П. Денисов и кандидат физико-математических наук Д. А. Стоянова.
Неделей ранее на противоположной стороне земного шара - в США, в городке Батавия близ Чикаго (это как "Протвино близ Москвы"), в ходе научного семинара ФНАЛ (Фермиевской национальной лаборатории) были доложены результаты крупного эксперимента, поставленного здесь на самом большом в мире ускорителе заряженных частиц - так называемом Тэватроне. Результаты, во-первых, вызвали большой интерес и сейчас активно обсуждаются специалистами, а во-вторых, получены они были при активном участии российских физиков - как из ИФВЭ, так и из некоторых других научных центров нашей страны. Но о втором моменте на семинаре в Батавии не говорили, поскольку в этой нынешней "физической Мекке" считается само собой разумеющимся, что в крупных экспериментах задействованы многие сотни ученых из десятков стран, так что выделять чей-то отдельный вклад не принято - все делают одно общее дело. Но для наших физиков, с учетом того периферического (в смысле финансирования) положения, которое занимает сейчас отечественная наука, этот момент весьма чувствителен. Так что рассказ не только о сути дела, но и о вкладе российских ученых будет, видимо, вполне уместным. Поскольку предмет повествования довольно специфичен, не обойтись без некоторого предисловия, вводящего читателя в "курс дела".
Современную физическую картину мира с наибольшей глубиной и достоверностью описывает так называемая Стандартная модель - сокращенно СМ. Согласно этой теории, все многообразие природы построено из фиксированного набора фундаментальных частиц: шести лептонов и их античастиц (шести антилептонов), шести 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 (обозначенных индексами u и d - "верхний" и "нижний"). Из этих кварков составлены протоны и нейтроны, а из них - ядра всех элементов хорошо известной нам Периодической системы Менделеева (см. "Наука и жизнь" № 7, 2004 г. - Прим. ред.). Весьма многочислен класс ядерноактивных мезонов - это так называемые связанные состояния, составленные из кварка и антикварка, но время их жизни ничтожно мало - не более миллиардных долей секунды. Фотоны в СМ обеспечивают электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами. W- и Z-бозоны ответственны за так называемое "слабое" взаимодействие, приводящее к явлениям распада, а "сильное", или ядерное, взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами (см. "Наука и жизнь" № 3, 2001 г. - Прим. ред.). Остается заметить, что к настоящему времени экспериментально подтверждено существование всех перечисленных фундаментальных частиц, кроме тех, которые были введены английским теоретиком П. Хиггсом для объяснения образования массы всех иных частиц, а потому и называются "частицами Хиггса". Найти хиггсовы частицы - одна из важнейших задач современной физики (см. "Наука и жизнь" № 1, 1996 г. - Прим. ред.).
Хотя все полученные до настоящего времени экспериментальные данные не противоречат предсказаниям СМ, большинство исследователей не считают ее "истиной в последней инстанции". Она рассматривается в качестве "низкоэнергетического приближения" к более общей теории, которая, возможно, будет иметь меньшее число фундаментальных частиц и объединит все виды взаимодействий, включая стоящее за рамками Стандартной модели гравитационное взаимодействие. Поэтому изучение новых явлений, подтверждающих или, напротив, опровергающих СМ, - другая первоочередная задача физики, прежде всего в исследованиях на современных ускорителях. В том числе и на Тэватроне, в котором осуществляются столкновения встречных пучков протонов и антипротонов при энергиях порядка триллиона электронвольт (или 1 тераэлектрон вольт, ТэВ, 1012 эВ, откуда и название "Тэватрон").
В одном из экспериментов под названием "DZero" ("Д-ноль", или "Д0" в русской аббревиатуре) физики взялись за изучение так называемых осцилляций нейтральных Вs-мезонов. Это процесс, в ходе которого происходит самопроизвольный переход Вs-мезона, представляющего собой связанное состояние s-кварка и b-антикварка, в анти-Вs-мезон, составленный из s-антикварка и b-кварка, и затем - наоборот. То есть осцилляции представляют собой череду взаимопревращений материи в антиматерию. Согласно представлениям Стандартной модели, такие переходы возможны только за счет слабого взаимодействия между кварками путем обмена W-бозонами.
Вообще говоря, осцилляции нейтральных мезонов не являются новым, неизвестным явлением. Впервые они были исследованы для К-мезонов, около двадцати лет назад - для Вd-мезонов, состоящих из d-кварков и b-антикварков, а позднее - и для нейтрино: νе → νμ (см. "Наука и жизнь" № 3, 2002 г. - Прим. ред.). Но все попытки обнаружить осцилляции для Вs-мезонов оказались безуспешными.
Основная трудность здесь состояла в том, что частота этих осцилляций, предсказываемая на основе косвенных данных по Стандартной модели, должна превышать 15 триллионов переходов в секунду, что в десятки раз больше, чем для Вd-мезонов. При этом нужно иметь в виду, что время жизни самих Вs-мезонов - триллионные доли секунды. Задача казалась настолько сложной для экспериментального осуществления, что решать ее предполагалось в программе исследований на ускорителе следующего (после Тэватрона) поколения - большом адронном коллайдере LHC, сооружаемом в данное время Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Но вот довольно неожиданно физикам, работающим на Тэватроне в рамках эксперимента DZero, удалось решить эту задачу за 2-3 года до начала работы LHC.
В ходе беседы ее участники, прежде всего, отметили огромный объем работы, проделанной физиками для достижения результата. Достаточно сказать, что за время эксперимента в установке произошло около 100 триллионов протон-антипротонных столкновений, из которых было отобрано всего несколько тысяч событий, важных с точки зрения осцилляций Вs-мезонов. Кропотливый анализ с применением оригинальной методики обработки данных позволил установить, что частота осцилляций с большой вероятностью заключена в диапазоне от 17 до 21 триллиона переходов в секунду. Тем самым получено новое важное подтверждение справедливости Стандартной модели.
Сами участники эксперимента довольно скромно рассматривают свой результат как "первую ласточку", надеясь в ближайшее время значительно улучшить точность измерений. Дело в том, что продолжение опыта представляет исключительный интерес не только с точки зрения проверки Стандартной модели и уточнения ее параметров, но, возможно, и для разрешения загадки асимметрии (неравного присутствия) вещества и антивещества во Вселенной. Имеются также заметные шансы на открытие "последнего кирпичика СМ" - бозона Хиггса, что стало бы настоящим триумфом этой теоретической модели. Так что уже в близком будущем можно ожидать новых интересных сообщений из ФНАЛ.
О тех, чьими усилиями (с российской стороны) "куется" эта едва ли не фантастическая физика, рассказал непосредственный участник событий, руководитель группы российских физиков, задействованных в эксперименте, член-корреспондент РАН Сергей Петрович Денисов:
"Надо сказать, что в эксперименте Д0 работает большой интернациональный коллектив физиков из двадцати стран мира. Самое большое представительство (не считая, естественно, "хозяев поля" из США) у России - это несколько десятков человек. Это не только специалисты из ИФВЭ - здесь также представители дубненского ОИЯИ, московских ИТЭФ и НИИЯФ МГУ, ПИЯФ из Гатчины (Санкт-Петербург). Ими внесен значительный вклад в создание как раз тех детекторов частиц, которые оказались особенно важными для регистрации осцилляций. Это, во-первых, микрополосковые кремниевые детекторы, обеспечивающие уникальную точность измерений вершин распадов частиц. Во-вторых, так называемая мюонная система - внушительных размеров сборки сцинтилляционных счетчиков и дрейфовых трубок, необходимых для идентификации нейтральных Вs-мезонов и анти-Вs-мезонов по знаку заряда "сигнальных частиц" - мюонов (о детекторах заряженных частиц см. "Наука и жизнь" № 11, 2004 г. - Прим. ред.). Надо иметь в виду, что для этих мюонных детекторов помимо их изготовления в России и доставки в США необходимо было также разработать соответствующие программные средства, а затем обеспечить их высокоэффек тивную работу в эксперименте. Кроме того, была предложена и реализована оригинальная схема обработки и анализа данных, основанная на определении так называемой функции правдоподобия событий, которая и позволила измерить частоту осцилляций. Так что без всякого преувеличения можно сказать, что именно российские физики (в том числе и работающие ныне за рубежом) в значительной степени определили успех эксперимента. И конечно же нельзя не сказать о том, что достижение результата было бы невозможным без эффективной работы всего ускорительного комплекса Тэватрона, этой пока уникальной машины для исследований физики частиц".
Участники беседы не могли не посетовать, что здесь у нас, в Протвине, так и остался незавершенным грандиозный проект по сооружению УНК - ускорительно-накопительного комплекса протонов. Проект начали осуществлять в середине 1980-х годов, но результатом вложения около миллиарда полновесных советских рублей стал лишь гигантский подземный кольцевой тоннель длиной 21 км (см. "Наука и жизнь" № 4, 1995 г. - Прим. ред.). Нечто подобное близится сейчас к завершению в Женеве. А ведь наши ученые могли бы приступить к подобным исследованиям уже в конце 1990-х! Но на создание ускорителя у переходящей на рыночные рельсы страны средств не нашлось…
Так что, вложенный буквально в землю миллиард так и останется невостребованным?
Отвечая на этот вопрос, академик С. С. Герштейн заметил, что протвинский тоннель - это уникальное инженерно-техническое сооружение, по своим возможностям он даже превосходит женевский, поскольку имеет сечение в полтора раза больше и соответственно больше возможностей для реализации ускорительных проектов будущего поколения. Профессор А. К. Лиходед заметил, что коллайдер LHC cтоимостью 7 миллиардов евро будет работать уже через два-три года, а это значит, что мировой центр физики высоких энергий переместится именно туда, в Западную Европу. И вновь российским физикам придется воплощать свои замыслы на зарубежных установках. А ведь создание своего ускорителя в уже готовом тоннеле (кстати, это подземное сооружение сейчас бы стоило раз в десять дороже) могло бы стать для нашей страны, по-прежнему претендующей на статус мировой державы, вполне достойным национальным проектом . Вновь активно заработали бы отечественные научные школы, и вновь потянулись бы к нам коллеги из зарубежных лабораторий...
Ну а пока мы работаем там, где для этого есть соответствующие возможности. И добываем результаты, которые хоть и причисляются к иным научным центрам, но становятся общим достоянием мировой науки.
