В прекрасном и яростном микромире

Как устроена наша материя? А что представляет собой антиматерия? Из чего состоит темная материя и можем ли мы зарегистрировать эти частицы? Что будет, если поменять материю и антиматерию местами? Как физики обнаруживают новые частицы и зачем вообще это нужно? Об этом – наш разговор с Михаилом Владимировичем Даниловым, главным научным сотрудником ФИАНа, академиком РАН, лауреатом премии Макса Планка.

 – Михаил Владимирович, мы находимся в одном из помещений Лаборатории тяжелых кварков и лептонов. Что здесь происходит?

– Здесь мы создаем детекторы, которые затем используются в экспериментах. Наша область характерна тем, что мест, где можно проводить эксперименты, есть всего несколько в мире. Например, это Большой адронный коллайдер или Фабрика прелести в Японии.

– Фабрика прелести? Как поэтично звучит. Все-таки физики – большие лирики.

– Это правда. Так вот, наша область устроена таким образом, что есть всего несколько мест, где можно проводить самые важные эксперименты. Поэтому физики из разных университетов создают отдельные элементы экспериментальных установок, потом их привозят, допустим, в ЦЕРН, где Большой адронный коллайдер, или на Фабрику прелести, либо еще в несколько мест, где можно проводить такие эксперименты. Там они собираются, и поэтому установки находятся там. Здесь у нас нет установок, на которых мы проводим исследования.

Но здесь, в этой лаборатории готовятся и испытываются детекторы, а потом они увозятся в те места, где происходят эксперименты. Например, для Фабрики прелести, о которой я говорил, наша группа изготовила более 16 тысяч детекторов, у которых площадь как футбольное поле, если их все сложить. Это громадные и, что не менее важно, очень сложные детекторы, без которых эти эксперименты невозможны.

– Михаил Владимирович, для чего проводятся все эти эксперименты?

– Для того чтобы ответить на ваш вопрос, важно понять, где мы, человечество, находимся сейчас. Расскажу о том, как устроена материя. Это так называемая Стандартная модель – так физики очень скромно называют, возможно, самую совершенную теорию, которая описывает все, что мы видим вокруг нас. И устроена она очень просто, с первого взгляда.

Все мы состоим, как вы знаете, из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, электроны удерживаются в атомах электромагнитным взаимодействием. А ядра состоят из протонов и нейтронов, протоны и нейтроны состоят из двух типов кварков – u и d, up и down. Протоны и нейтроны внутри ядра и кварки внутри протонов и нейтронов удерживаются с помощью сильного взаимодействия. Его переносчиками являются глюоны, от слова glue – «клей». Сильное взаимодействие настолько мощное, что оно никогда не выпускает кварки из протонов и нейтронов, они там навсегда заключены. Это называется по-английски confinement.

– В общем, пожизненный срок.

–  Совершенно верно. И есть еще одна частица, которую нам надо ввести – нейтрино. На первый взгляд, она совершенно не нужна, поскольку практически не взаимодействует с нами. При этом через вас, через меня проходит 500 триллионов нейтрино в секунду, но мы их не замечаем, потому что ни одно из них не взаимодействует.

– Насколько я знаю, именно эта частица выбивается из рамок Стандартной модели?

– Скорее это некоторое расширение Стандартной модели, поскольку теперь мы знаем, что у нейтрино есть масса. Сначала считалось, что эта частица безмассовая, потом выяснилось, что масса у нее есть, это уже экспериментальный факт. Так вот, нейтрино, казалось бы, совершенно не нужно, но без него не светило бы Солнце, потому что первый шаг в термоядерной цепи Солнца – это слияние двух протонов в дейтрон, позитрон и нейтрино.

– Наверное, не только Солнце, но и другие звезды? То есть Вселенная бы не существовала в том виде, в котором мы знаем?

– Именно так. Есть четыре кирпичика – u-кварк, d-кварк, электрон и нейтрино, из которых материя создана. И есть взаимодействия – это цемент, с помощью которого строится здание нашего прекрасного мира. Эти взаимодействия называются электромагнитным, сильным и слабым, и именно за счет слабого взаимодействия взаимодействуют нейтрино. Конечно, есть еще гравитационное взаимодействие, но оно на тех расстояниях, которые мы будем обсуждать, несущественно, оно слишком слабое. Хотя, может быть, именно в гравитационном взаимодействии и скрыты ответы на многие вопросы, которые мы пока не знаем.

Когда я говорю, что все очень просто, я чуть-чуть, конечно, обманываю, упрощаю. Дело в том, что у кварков есть цвета, то есть кварки не одного цвета. Три цвета у них есть, поэтому частиц немножко больше. К тому же у каждой частицы есть античастица. Но все равно у нас есть эти четыре частицы, хоть кварки и раскрашенные.

И, наконец, переносчики взаимодействий. Это фотон для электромагнитного взаимодействия, W- и Z-бозоны для слабого взаимодействия и, наконец, глюоны для сильного взаимодействия. Такая простая картина природе показалась слишком скучной, и она создала еще два набора таких же частиц, более тяжелых, которых вокруг нас не существует, но они возникают при столкновении обычных частиц, из которых мы состоим, и быстро на них распадаются.

Для чего были созданы эти три набора частиц, до конца неясно, но одна из возможностей, одна из гипотез – они нужны для того, чтобы свойства материи и антиматерии различались. А это различие для нас жизненно важно, без него бы нас с вами не было.

– Для чего же нужно это различие? Неужели только для того, чтобы появились мы?

– Как показал академик А.Д. Сахаров, который работал здесь, в ФИАНе, это различие необходимо, для того чтобы возникла барионная асимметрия Вселенной. Ну а без барионной асимметрии Вселенной, действительно, не возникли бы мы, потому что все  вещество и антивещество проаннигилировало бы и ничего бы не осталось, из чего строить наш мир и нас с вами.

Так вот, это небольшое вроде бы различие, остаточек от того, что было, примерно одна десятимиллиардная часть. Остался один протон примерно на 10 миллиардов фотонов, которые произошли из-за аннигиляции вещества и антивещества во Вселенной. И действительно, в трех поколениях удается создать теорию, которая описывает различия свойств материи и антиматерии.

Но, как мы сейчас знаем, это нарушение симметрии между материей и антиматерией, его еще называют СР-асимметрией, недостаточно для того, чтобы объяснить наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной. Те два новых поколения, более тяжелых, о которых я сказал, были совершенно неожиданны для физиков. Поэтому неудивительно, что частицам этих поколений дали романтические имена.

Первый кварк из следующего поколения назвали Странным, и действительно странно, что он появился. А следующему кварку давали название Очарованный, charm. Очарование – это квантовое число, строгий научный термин. А следующий кварк называется Прелестным, beauty, и прелесть – это тоже квантовое число. Все это научные, но при этом романтические названия.

Исследование свойств тяжелых кварков и лептонов как раз и является целью нашей лаборатории. Мы в частности в свое время в рамках международной коллаборации ARGUS обнаружили связь кварков третьего поколения и первого поколения, и это было очень важным шагом в понимании того, как устроен наш мир.

– Остались ли для вас тут загадки, или вы разобрались, как устроен мир?

– Да, конечно, загадок очень много. Как я уже сказал, мы до сих пор не знаем, как возникла барионная асимметрия во Вселенной. И поэтому сейчас продолжаются поиски новых источников нарушения симметрии между свойствами материи и антиматерии. Стандартная модель, которую я описал, вся перед вами, очень простая. Есть первое поколение кварков и лептонов, из которого мы все состоим, и есть еще два набора кварков и лептонов, которые тяжелей и которые распадаются в кварки и лептоны из нашего поколения.

Это картина, которая основана на опыте, но в результате приобрела очень красивые математические формы. В ней предсказывался, в частности, хиггсовский бозон. Хиггсовское поле дает массы всем фундаментальным частицам. Этот бозон был найден на Большом адронном коллайдере, и таким образом Стандартная модель была подтверждена и в настоящий момент описывает практически все, что мы видим.

Есть маленькие указания на то, что есть отличия от ее предсказаний, но это пока что только указания, никаких четких свидетельств нет. Но у Стандартной модели есть много недостатков. Она, в частности, не описывает то, чего мы не видим, а мы знаем, что это есть.

– Речь о темной материи?

– Да, она не описывает темную материю. Она не включает в себя гравитацию, а включить гравитацию при каких-то энергиях, безусловно, потребуется. В ней есть внутренние несогласованности. Поэтому все верят, что Стандартная модель – это не последнее слово в науке, что появятся еще более фундаментальные теории, которые пояснят то, что мы не понимаем сейчас.

Поиск таких явлений, выходящих за рамки Стандартной модели, и является одним из главных направлений в физике элементарных частиц.

– Расскажите, какие конкретно работы вы проводите в этих направлениях.

– Таких направлений в действительности несколько. Одно направление – это повышать энергию. Когда мы повышаем энергию, мы рождаем более тяжелые частицы, такие как, например, бозон Хиггса, и тем самым продвигаемся в нашем понимании того, как устроена материя. Мы участвуем в экспериментах на Большом адронном коллайдере и в основном занимаемся тяжелыми кварками, прелестными и очарованными. Мы уже получили довольно большое количество результатов и вносим заметный вклад в работу коллаборации CMS.

Это отражается, например, в том, что координатором деятельности по прелестным частицам во всей коллаборации является наш сотрудник, мой бывший аспирант. Он координирует коллектив ученых, которые изучают прелестные адроны в коллаборации, - около ста человек из разных стран мира. Это Сергей Поликарпов, еще очень молодой человек, защитился два года назад, но тем не менее уже заметно продвинулся. У нас студенты очень рано начинают научную работу, и уже к окончанию университета у многих из них имеются серьезные научные результаты.

Совсем недавно была защита дипломов, и там тоже были работы, которые докладывались на международных конференциях. Студенты включены в научные коллаборации. У нас это регулярно происходит.

– А какой следующий путь?

– Второй путь – увеличение интенсивности, чтобы измерять очень точно свойства уже известных частиц. Лучше всего, как выясняется, изучать свойства все-таки тяжелых частиц, и мы изучаем свойства прелестных и очарованных частиц на Фабрике прелести в Японии.

Фабрика прелести – это коллайдер. А называется она так потому, что там рождается очень большое количество прелестных адронов. И вот эти прелестные адроны, а также очарованные частицы там и изучаются.

– Почему это может привести к открытиям?

– Дело в том, что на очень короткое время законы сохранения энергии импульса могут не выполняться, более того, точно не выполняются. Поэтому могут возникать так называемые виртуальные частицы, которые появляются на очень короткое время, но тем не менее успевают изменить свойства известных частиц.

Эти виртуальные частицы могут быть даже тяжелее, чем те частицы, которые можно родить напрямую на Большом адронном коллайдере. Их влияние можно будет почувствовать раньше, чем мы сможем их увидеть. Вот это направление называется intensity frontier, фронт интенсивности.

Здесь наша группа тоже очень активно работает. Сначала мы участвовали в эксперименте Belle, потом его переделали, заменили на детектор Belle-II, в котором очень большой вклад в аппаратуру сделала наша группа. Теперь идет исследование на детекторе Belle-II всех этих явлений.

Основная цель – это, безусловно, поиски новой физики за рамками Стандартной модели. Но, с другой стороны, наша группа вместе с новосибирцами и другими коллегами также внесла большой вклад в открытие нового типа частиц. Эти частицы называют экзотическими адронами, их долго искали и наконец надежно установили не так давно. Наша группа принимала в этом большое участие.

– Что это за частицы?

– Это частицы, которые состоят еще из дополнительной пары кварк и антикварк. Можно сказать, что до этого мы изучали кварковые атомы, а теперь уже изучаем кварковые молекулы, то есть появилось новое направление в науке – кварковая химия.

– Потрясающе. А как вы их обнаружили?

– Это делалось целенаправленно, мы специально такие частицы искали, используя очень сложные методы. Аппаратура используется вся та же самая. Это детектор, который состоит из многих частей, а эти разные части делались в разных университетах, в разных институтах. Все они были собраны в Японии, на Фабрике прелести KEK.

– Михаил Владимирович, правильно ли я понимаю, что иногда физики случайно обнаруживают какие-то частицы, как было со странными частицами, а бывает, что они специально ищут то, что им нужно для объяснения тех или иных явлений?  

– Именно так. Из таких неожиданностей самым первым был мюон. Его даже назвали неправильно, и эта наследственная «родовая травма» за ним идет до сих пор. Его очень часто называют мю-мезон. Он совершенно не мезон, он фермион.

– Это как у Колумба с Америкой.

– Да, искали переносчик сильного взаимодействия, и когда обнаружили частицу с подходящей массой, то ее и назвали мезоном. Но он совершенно не мезон, и это абсолютно неправильное название.

Это одна возможность – совершенно неожиданное открытие.

А примерно в трети случаев эксперимент заставляет теорию придумать что-то новое, чтобы описать то, что мы уже наблюдаем, и, в частности, именно так было предсказано нейтрино. Его надо было обязательно найти, иначе рассыпалась бы, можно сказать, вся физика.

– А этого допустить было никак нельзя?

– Нильс Бор был готов пожертвовать законом сохранения энергии-импульса. А В. Паули нашел другой способ: предположил, что в бета-распаде рождается еще одна частица - нейтрино, и, соответственно, никакого нарушения закона сохранения энергии-импульса нет.

Это второй вариант – эксперимент требует чего-то, а теория предсказывает.

И, наконец, бывают абсолютно теоретические предсказания, как, например, предсказания позитрона. Поль Дирак в свое время написал уравнение, которое замечательно описывало поведение электронов в атоме, но там были проблемы – в нем были отрицательные уровни энергии. А отрицательная энергия – это нонсенс, поэтому Дирак сначала предположил, что его уравнения описывают протоны. Но Оппенгеймер и Тамм показали, что массы протона и электрона настолько различны, что такое объяснение не проходит.

И тогда Дирак сказал: «Ну, раз так, тогда, значит, существует частица, которая абсолютно тождественна электрону, но имеет противоположный заряд, то есть заряжена положительно». Это мой вольный пересказ его высказываний.

Это была революционная гипотеза! Даже Паули, который от недостатка воображения не страдал, писал, что есть такое предложение у Дирака, но мы его всерьез рассматривать не будем, потому что законы природы в этой теории абсолютно симметричны относительно материи и антиматерии. А антиматерии вокруг нет. Он написал это в 1932 году, и в том же году Андерсон открыл позитрон. Вот так тоже бывает.

– А как вы думаете, сколько частиц еще не открыто? Больше, чем открыто?

– Сложный вопрос. Вполне может быть, что мы знаем только половину частиц. Дело в том, что имеется очень популярная теория суперсимметрии, которая была впервые предложена опять же в ФИАНе Гольфандом и Лихтманом. В этой теории есть симметрия между фермионами – частицами с полуцелым спином, и бозонами – частицами с целым спином. И в этой теории у каждой обычной частицы есть суперсимметричный партнер. Если мы суперсимметрию откроем, то количество частиц, которые мы знаем, удвоится.

Поиски суперсимметрии являются одним из важнейших направлений, в том числе на Большом адронном коллайдере. К сожалению, пока они не увенчались успехом, но они продолжаются, и это очень важное направление.

– Михаил Владимирович, вы сказали о двух направлениях, в которых ведется ваша работа. О чем мы еще не упомянули?

– Третье – это изучение свойств нейтрино. Дело в том, что нейтрино – настолько загадочная частица, что, может быть, именно в его свойствах скрыты разгадки для многих вопросов, ответы на которые мы сейчас не знаем. Поэтому изучение нейтрино – это очень интересное направление. Даже сейчас, может быть, то, что у нейтрино чрезвычайно маленькая масса, говорит о том, что существуют другие частицы с очень большой массой. Это самый популярный способ объяснить малость массы нейтрино.

Но пока это, так сказать, гипотезы, и нужны более определенные результаты в этой области. Здесь мы тоже очень активно работаем. Мы участвовали в экспериментах по косвенному измерению массы нейтрино, это эксперименты по двойному бета-распаду. Кстати, масса нейтрино напрямую лучше всего была измерена в ИЯИ. Там был предложен совершенно замечательный метод ее измерения, и этот метод сейчас используется в международном эксперименте KATRIN, в котором ИЯИ тоже участвует. Там получены лучшие результаты, но сначала самые лучшие результаты были в ИЯИ, в эксперименте «Троицк-ню-масс».

А сейчас там идут поиски стерильного нейтрино. А вот мы стерильное нейтрино ищем на Калининской атомной станции между Москвой и Санкт-Петербургом.

– Как же вы их ищете?

– Я уже говорил, что нейтрино очень слабо взаимодействует, а стерильное нейтрино еще слабее, поэтому увидеть, как они взаимодействуют, шансов нет никаких.

– Но почему это важно увидеть?

– Если они существуют, то наши представления о материи совершенно изменятся. Это поменяет картину мира совершенно. Там будет очень много разных следствий – в частности, стерильное нейтрино, но не обязательно то, которое мы ищем, может быть кандидатом на роль темной материи.

Так вот, мы ищем стерильные нейтрино по эффекту осцилляций обычных нейтрино. Обычных нейтрино (точнее антинейтрино) очень много рождается в реакторе, и они могут переходить в стерильные нейтрино, если те существуют. И этот переход выглядит как синусоида. На каком-то расстоянии обычные нейтрино переходят в стерильные, и их количество уменьшается. Потом опять возвращаются из стерильных нейтрино в обычные, и тогда на другом расстоянии получается «правильное» количество обычных нейтрино и так далее. Такого вида отклонение в количестве обычных нейтрино мы и пытаемся заметить.

– Пока не удалось?

– Пока не удалось, но здесь вопрос очень живой. Мы являемся мировыми рекордсменами по числу нейтрино в день, которые мы регистрируем.

– Сколько же вам удалось насчитать?

– Пять тысяч нейтрино в день. Надо заметить, что Паули, когда он предложил нейтрино, написал письмо своему другу, где сказал (я цитирую по памяти): «Я сделал что-то ужасное, то, что теоретик никогда не должен делать. Я предсказал частицу, которую экспериментаторы никогда не увидят». Но он ошибся – мы их регистрируем в большом количестве.

– Наверняка подобные исследования ведутся и в других странах?

– Да, в мире больше восьми экспериментов, где пытаются найти стерильное нейтрино именно в этой области. Ситуация неопределенная. Есть указания на существование стерильного нейтрино и у нас в России, и в Америке, где обнаружили, что мюонные нейтрино переходят в электронные. Этот переход можно описать как переход мюонного нейтрино в стерильное, а стерильного в электронное. Правда, это предположение противоречит нашим результатам, объединенным с результатами коллаборации MINOS, но поиск продолжается.

Сейчас в Японии строится громадный детектор, называемый Гипер-Камиоканде. Это подземное озеро диаметром 68 метров, высотой в 71 метр, представляете? Оно все покрыто фотодетекторами. Мы недавно вступили в этот эксперимент, а для этого эксперимента в ИЯИ сделали совершенно замечательный детектор, который состоит из двух миллионов маленьких детекторов. Здесь мы сейчас исследуем свойства этих детекторов.

Есть и еще одно, четвертое направление поиска Новой физики. Это космические исследования, ведь космос нам может рассказать многое про то, что мы не знаем. Это может быть и темная материя, и другие явления, которые выходят за рамки Стандартной модели. В этом направлении мы пока не работаем, но думаем на эту тему.

– Михаил Владимирович, все это вещи невероятно важные, интересные, фундаментальные. Бывают ли случаи, когда вы каким-то образом выходите на прикладные результаты этих исследований?

– Практически все, что я вам рассказывал, основано на сцинтилляционных детекторах со считыванием с помощью кремниевых фотоумножителей. Эти кремниевые фотоумножители – российское изобретение, и в его развитии большую роль сыграла группа МИФИ, с которой мы вместе работаем.

Мы вместе развивали инновационные фотодетекторы. Они создавали эти детекторы, а мы создавали протоколы их измерений, говорили, что плохо, что хорошо. Они соответственно корректировали конструкцию, и вот таким образом были созданы кремниевые фотоумножители. Этим занималось несколько групп в России, но мы вместе с МИФИ сделали первый масштабный физический детектор, который работал на кремниевых фотоумножителях, в нем было семь тысяч каналов. Электронику для него создали наши зарубежные коллеги. И после этого кремниевые фотоумножители прямо-таки ворвались в физику как очень и очень перспективный прибор.

Наша группа по-прежнему среди лидеров в использовании этих приборов, я думаю, мы вторые в мире по числу счетчиков, которые были сделаны со считыванием с помощью кремниевых фотоумножителей.

Кремниевые фотоумножители чрезвычайно интересны не только в фундаментальной науке, но и в прикладной. Это могут быть, например, томографы. Широко используются ПЭТ- и МРТ-томографы, и очень важно было бы их объединить. Но ПЭТ-томографы – это позитронно-эмиссионная томография, используют фотоумножители. А фотоумножители нельзя поместить в магнитное поле, которое требуется для МРТ.

Поэтому сейчас в мире создаются сканеры, которые работают на кремниевых фотоумножителях, потому что кремниевые фотоумножители не чувствительны к магнитному полю.

– Это, безусловно, важнейший прикладной результат.

– Да, важнейшее прикладное развитие. Мы вместе с МИФИ делали некоторые разработки, которые были не промышленными, а демонстрационными. Они демонстрировали, что кремниевые фотоумножители годятся для протонно-эмиссионной терапии. Мы делали прототипы гамма-камер, это более простой способ обнаруживать опухоли. И там тоже кремниевые фотоумножители очень перспективны. Они, безусловно, востребованы и в оборонных приложениях, и в мирной жизни. Таких побочных прикладных результатов у фундаментальных исследований может быть очень много. Это дополнительная мотивация для проведения фундаментальных исследований, хотя основная их цель – это получение новых знаний. При этом часто возникают принципиально новые технологии, которые кардинальным образом меняют нашу жизнь.