В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью Indicator.Ru рассказал заслуженный ученый (Distinguished Scientist) Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми [Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)] Валерий Лебедев.

Физика на грани взрыва

– Чем сейчас живет Fermilab?

– Долгое время, пока работал коллайдер Tevatron, мы были лабораторией номер один в мире, сейчас лидирующая роль ушла в CERN к LHC (Большому адронному коллайдеру, – прим Indicator.Ru). Сегодня наша программа нацелена немного на другую физику – коллайдерами мы больше не занимаемся. Одна из самых интересных областей – нейтрино. В настоящее время мы проводим несколько экспериментов по его изучению. Они нацелены на исследование взаимодействия нейтрино с веществом и нейтринными осцилляциями. Также мы начали работу по сооружению нейтринного эксперимента следующего поколения, названного LBNF, что в переводе на русский означает «Нейтринный эксперимент с большой базой».

Стандартная модель сейчас более или менее оформилась. Когда построили LHC, перед физиками стояло две задачи – найти бозон Хиггса (его нашли) и подтвердить, что существует суперсимметрия. Вторая задача была, пожалуй, основной. Суперсимметрия, казалось бы, объясняет многое в физике элементарных частиц. Но проблема в том, что ничего из того, что предсказали теоретики, в эксперименте не обнаружилось. Поэтому сейчас мы наблюдаем «кризис суперсимметрии». Несмотря на большое количество идей и публикаций, никто не знает, существует ли суперсимметрия и если да, то где ее искать. Может быть, необходима энергия в 10 раз большая, чем на LHC, а может быть – в 100 раз, а может быть, суперсимметрии вообще не существует.

Ранее считалось, что нейтрино не имеют массы, как и фотоны. В конце 1990-х выяснилось, что у разных типов нейтрино разные массы. В действительности это высказывание не очень аккуратно. Более аккуратно физики говорят, что каждый тип нейтрино (электронное, мюонное и тау) представлен квантово-механической смесью трех массовых состояний – или, упрощая, смесью трех частиц. Мы пытаемся разобраться, как реально все устроено. Сначала мы производим нейтрино – хорошо сфокусированный протонный сгусток сбрасывается на мишень, из мишени вылетают пи-мезоны, которые при распаде рождают мюоны и нейтрино. После выхода из распадного тоннеля мюоны останавливаются, а нейтрино пролетают 800 км под землей, и маленькая часть из них регистрируется детектором. Поскольку каждое нейтрино состоит из «частиц» с разными массами, которые двигаются с разными скоростями, то после пролета большого расстояния квантовомеханическое смешивание приводит к изменению типа нейтрино, осциллирующему с расстоянием. Это называется нейтринными осцилляциями. Цель нашего эксперимента – посмотреть, какое количество разных типов нейтрино мы реально регистрируем, разобраться с их массовыми состояниями и выяснить, как они смешиваются.

– Почему вы не ловите космические нейтрино? Они же «бесплатные».

– В Fermilab производится нейтрино гораздо больше, чем можно поймать. Сейчас мы используем уже очень большой детектор – 14 килотонн, но поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, только очень маленький процент частиц регистрируется даже в таком большом детекторе.

– Какие перспективы у этого проекта?

– Я вам рассказал о том, чем мы занимаемся сейчас, а перспектива — это проект Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE). Его стоимость оценивается примерно в 3 млрд долларов. Сейчас мы находимся на этапе разработки проекта. LBNЕ подразумевает создание и установку детектора в 40 кт на глубине по 1,5 км и увеличение мощности пучка, с помощью которого производятся нейтрино, с 700 кВт до 1,2—2 МВт. Это огромная мощность! И вся эта мощность сконцентрирована в мишени для производства нейтрино, которая представляет собой маленький цилиндр длиной порядка метра и диаметром сантиметр. При этом пучок сфокусирован в еще меньший размер, то есть плотность энергии еще выше. Параметры пучка и мишени выбраны так, что мишень находится на грани взрыва.

– Что будет после окончания физической программы LHC?

– В конце нулевых при обсуждении программы физики высоких энергий, следующей после окончания работы Tevatron, мы условно «поделили» ее на intensity frontier (эксперименты с использованием пучка высокой интенсивности) и energy frontier (эксперименты с использованием максимально высокой энергии). В этой терминологии СERN сейчас работает в energy frontier, а Fermilab — в intensity frontier. Чем больше энергия, тем больше «открывательная» способность. Но максимальная энергия ограничена размерами ускорителя. Хотя intensity frontier эксперименты не могут доставить такую же детальную картину, как energy frontier, они могут видеть эффекты, которые недоступны экспериментам в energy frontier, проводя измерения редких процессов с очень высокой точностью. LHC успешно работает, и сейчас обсуждается возможность строительства установки еще большего размера.

Обсуждаются разные варианты — от линейного сверхпроводящего коллайдера ILC в Японии до циклических коллайдеров в CERN и в Китае. На данном этапе определенности нет, все упирается в стоимость. Решение может быть принято как через 5 лет, так и через 50. Для понимания: мы говорим про установки, стоимость которых колеблется в пределах от 5 до 20 млрд долларов и которые потребляют 0,5—1ГВт. Даже по меркам физики высоких энергий – это огромные затраты. Если мы делаем машину на порядок больше по энергии, то потребляемая мощность и стоимость будут в три-четыре раза выше. Гигаватт энергии расходует солидный город. А стоимость также зависит от того, что учитывать. В американской системе подсчета, которая учитывает все, стоимость будет раза в два больше, чем в европейской.

– Каков алгоритм принятия решения о финансировании?

– Такие деньги может выделить только правительство, на внутренние бюджеты лабораторий реализовать такие крупные проекты невозможно. В CERN финансирование фиксировано правительствами европейских стран. На этот бюджет они ничего заметно большего, чем LHC, построить не могут. Таким образом, решение о строительстве нового «супер-ускорителя/коллайдера» – это дело относительно отдаленного будущего, а пока есть очень серьезный вопрос – зачем? До сих пор стоимости были более или менее посильными. Tevatron в современных деньгах стоит шесть млрд долларов, у LHC – сопоставимая цифра. LHC в четыре раза длиннее, но за счет развития технологий, массового производства и накопленного опыта стоимость LHC получилась дешевле на метр, однако полные стоимости сопоставимы.

«Сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты»

– Какие проекты, на ваш взгляд, наиболее интересны и перспективны?

– LHC – главный поставщик событий в физике высоких энергий. Если говорить про строительство следующей машины, на мой взгляд, правильно было бы вкладываться в эксперименты с высокой светимостью. Их можно проводить на LHC (его параметры позволяют это сделать), можно создавать новые установки на гораздо меньших энергиях. Главное, проводить прецизионные измерения, которые позволяют увидеть отклонения от предсказаний Стандартной модели. По величине этих отклонений можно судить, где находится «новая физика».

Если по косвенным измерениям окажется, что для наблюдения следующих событий нужны колоссально высокие энергии, недостижимые для современной науки, то строить что-то с энергией больше LHC необходимости нет. Если же будет видно, что такая энергия нам доступна, тогда человечество будет создавать установку следующего уровня. Я думаю, что сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты на относительно низкой энергии. Это только мое мнение, его далеко не все разделяют.

g–2 — эксперимент в Fermilab — как раз относится к такому типу. В нем с очень высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона. Это важно, так как сейчас мы наблюдаем расхождение между теорией и экспериментом. Замечу, что в теоретические предсказания аномального момента входит и вклад от сильного взаимодействия, который в настоящее время невозможно вычислить, основываясь на «чистой» теории. Обойти эти сложности можно, используя результаты других экспериментов. ВЭПП-2000 — коллайдер Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске — предоставил необходимую информацию об адронных взаимодействиях, которая используется в вычислениях аномального магнитного момента мюона.

Другой эксперимент — Mu2e — нацелен на поиск безнейтринного распада мюона. Он использует то же самое накопительное кольцо, что и g-2, и начнется сразу после окончания g-2, примерно через два года. Согласно Стандартной модели, мюон распадается на два нейтрино и электрон (или позитрон в случае положительно заряженного мюона). Когда я учился в университете, все было просто. Есть электрон, к нему привязано электронное нейтрино. Если у вас образовалось электронное нейтрино, вместе с ним должен образоваться электрон (или позитрон в случае антинейтрино), но не может – мюон. А сейчас мы точно знаем, что принцип сохранения лептонного заряда нарушается в секторе нейтрино, а значит, и безнейтронный распад мюона, который запрещен законом сохранения лептонного заряда, возможен, хотя и с очень маленькой вероятностью. Мы ожидаем, что эксперимент достигнет чувствительности порядка 10^-16, то есть мы сможем зарегистрировать один безнейтронный распад мюона на 10¹⁶ распадов мюона. Такой чувствительности невозможно достигнуть в коллайдерных экспериментах.

– Получается, за небольшое время благодаря экспериментам на больших установках были переписаны учебники?

– Да, так и есть. Но динамичнее всего развивается астрофизика. Если раньше все эксперименты в астрономии проводились при помощи телескопов и фотоаппаратов, то сейчас – при помощи компьютеров и цифровых изображений, и это стало стимулом колоссального прогресса.

Теория от безысходности

– По какому пути будет развиваться физика высоких энергий?

– В течение следующих 15–20 лет мы не увидим заметного увеличения энергии. Поэтому основные усилия будут направлены на прецизионные измерения, и LHC – один из самых главных участников.

Один из важнейших вопросов к физике высоких энергий – существует ли темная материя. Мы «видим» ее в астрономических наблюдениях, но пока никто не увидел ее в прямых измерениях. Само по себе утверждение, что темная материя и энергия существуют, не является безальтернативным. В настоящее время мы не можем описать Вселенную в том виде, в котором мы ее наблюдаем, используя общую теорию относительности (ОТО).

Есть два пути. Первый – предположить, что уравнения ОТО здесь не работают. Но это не так просто, если вы хотите удовлетворить «эстетические» требования к теории. Это одно из направлений исследований. Второй путь – внести в существующее описание Вселенной темную материю и темную энергию. Для многих это выглядит более привлекательно, и поэтому большая часть ученых поддерживает второй выбор. Вопрос, кто прав, должен быть разрешен экспериментом. Физика – наука экспериментальная, поэтому, если темная материя существует, значит, мы должны ее найти. На данный момент в мире проводятся более десяти экспериментов по поиску темной материи, но результата пока нет.

– Это вопрос везения?

– В некотором смысле да. Но и вопрос техники, конечно, тоже. Это как с гравитационными волнами. Чувствительность улучшалась на протяжении многих лет, и когда был достигнут порог, результаты вдруг посыпались как из рога изобилия.

– Какие самые интересные события вы можете назвать в ФВЭ последнего времени?

– Наиболее фундаментальные результаты за последние 20 лет – это обнаружение массы у нейтрино и их смешивания и наблюдение бозона Хиггса, которое стало завершением Стандартной модели. До этого, в 1990-х, в Fermilab был открыт т-кварк.

Главные задачи на ближайшее время для науки – придумать механизм, который бы объяснил наличие массы у нейтрино, а также включить гравитацию в «новую модель мира». Замечу также, что даже в обычной квантовой механике и физической оптике по-прежнему много актуальных не отвеченных вопросов.

«Наука похожа на спорт»

– Имеет ли значение размер научной установки? Можно ли делать интересную физику на маленьких машинах?

– Можно, и делают. Но в основном все простые эксперименты уже проведены, и, если говорить про физику частиц, получение большой энергии подразумевает большой масштаб.

– В России сейчас развиваются проекты по строительству megascience-объектов. В Дубне скоро закончится строительство коллайдера NICA. Зачем строить такие установки на территории своей страны, если можно изучать физику у соседей?

– NICA – это, на мой взгляд, очень хороший проект, я считаю, что Объединенный институт ядерных исследований сделал правильный выбор. Также им повезло, что они находятся в «правильном месте». ОИЯИ является международной организацией, и им проще организовать международную коллаборацию, без которой создание установки такого класса было бы гораздо труднее. Если же говорить о том, зачем строить установки такого класса у себя, то, во-первых, это вопрос престижа государства. Во-вторых, если хочешь пользоваться плодами мировой науки, необходимо развивать ее у себя. Ученые работают все вместе – если кто-то предложил интересную идею, об этом становится известно всем, но реализует ее лишь тот, у кого есть не только интеллект, но и средства. Наука похожа на спорт, и, если у тебя нет амбиций, трудно чего-то добиться.

Развитие фундаментальной науки очень важно. Если вы хотите, чтобы в вашей стране были профессора мирового уровня – необходимо, чтобы они работали именно у вас, а не в CERN. Потому что, если в ваших вузах преподают лучшие профессора, у вас и студенты будут соответствующие. Например, мое поколение получило фантастически хорошее образование. Я скорее отрицательно отношусь к рейтинговой системе оценок университетов, потому что она ориентирована на «западный» стиль организации науки, в котором тоже есть проблемы. Мне кажется более привлекательным способ организации науки как в Новосибирском Академгородке в Советском Союзе, где университет и научные институты были единым целым. Насколько я понимаю, эта система действует до сих пор. Я работал в ИЯФ СО РАН и читал лекции в Новосибирском государственном университете, дорога от ИЯФ до университета занимала 10 минут пешком. Лучшее учебное заведение в районе Fermilab – Чикагский университет – в одном часе езды на автомобиле, и то если повезет с трафиком.