Интервью с главным научным сотрудником Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, доктором ф.-м. наук, профессором Валерием Тельновым.
- Валерий Иванович, мне неоднократно приходилось слышать, будто за последние тридцать лет в физике не произошло ничего существенного, никаких прорывных достижений, способных открыть нам новые стороны реальности и посодействовать очередному технологическому рывку. Насколько верен этот взгляд? Или, все-таки, мы стоим на пороге принципиально важных открытий?
– На самом деле в последние годы были сделаны потрясающие открытия, разгадка которых станет настоящей революцией в науке. Может, со стороны это и не заметно, но именно сейчас микро- и космофизика переживает один из самых захватывающих моментов за многие годы. Если взять указанный вами промежуток времени, то можно отметить следующее. Возьмем вначале физику элементарных частиц. Ситуация здесь такая. Еще в 1970-80-х годах было установлено, что материя состоит из кварков. Шестой, самый тяжелый t-кварк, был открыт в 1995 году. Также в природе есть шесть лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три типа нейтрино). Еще есть бозоны, переносчики взаимодействий (глюон, фотон, W и Z-бозоны). Создана теория, «Стандартная модель», с высокой точностью описывающая сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. В этой теории оставался только один свободный параметр, который должен был объяснить, откуда у частиц возникла масса, поскольку теория была непротиворечива при условии, что исходные массы всех частиц равны нулю. Гипотеза, заложенная в эту стандартную модель, предполагала, что частицы приобретают массы за счет взаимодействия с гипотетическим, так называемым хиггсовским полем, заполняющим всё пространство. Масса частиц – кварков, лептонов и бозонов – пропорциональна константам взаимодействия частиц с этим полем.
Конечно, это была только теоретическая догадка, никак не подтвержденная экспериментами. С тех времен ученые искали возбуждение этого поля, которое они назвали бозоном Хиггса (по фамилии английского теоретика П. Хиггса). И вот в 2012 году в ЦЕРНе эту частицу обнаружили! Это довольно тяжелая частица – примерна в 130 раз тяжелее протона. Она обладает именно теми свойствами, которые предсказывались в теории, а именно: вероятность распада хиггсовского бозона на другие элементарные частицы пропорциональна квадрату их масс. Отмечу, что теория не предсказывала массу бозона Хиггса. Она могла быть и в десять раз тяжелее. Но, эксперименты на коллайдерах LEP, Tevatron, а затем на LHC постепенно сужали область возможных масс и, наконец, нашли эту частицу.
- В чем была важность этого открытия?
– Фактически было найдено последнее недостающее звено Стандартной модели, которая позволяет рассчитать любые реакции с известными нам частицами. Что означает бозон Хиггса для науки? Это не просто научное открытие, оно носит еще и принципиальный философский, мировоззренческий характер. У частиц есть масса. Масса отражает инерцию частиц, о чем люди как-то особо не задумывались, считая, что масса дана частицам от природы.
Так вот: теперь мы знаем, что их масса происходит из взаимодействия с этим хиггсовским полем. По крайней мере, если речь идет об элементарных частицах. Это крупное, по сути – философское – открытие! Мы получили представление о происхождении такой фундаментальной величины, как масса.
Найден пока только механизм возникновения масс, сами же массы элементарных частиц (или их константы взаимодействия с хиггсовским полем) мы пока не умеем рассчитывать, нужна еще более глубокая теория.
Правда, нужно уточнить один момент. Массы кварков объясняются хиггсовским механизмом, но масса протонов объясняется им не полностью. Примерно на 98% масса протона связана с эффектами сильных взаимодействий, а не с хиггсовским полем.
- Получается, что за последние годы у нас серьезно изменилось понимание реальности?
– Скажу больше. Мы видим во Вселенной наличие каких-то частиц совершенно неведомой природы, которые наполняют, в том числе и нашу Галактику. В галактиках есть звезды и газ, это то, что нам хорошо известно и изучено. Но, оказывается, они составляют только примерно одну пятую от масс галактик. Остальная масса обусловлена какими-то неизвестными частицами, которые не взаимодействуют со светом. Это называется темной материей, о существовании которой мы знаем по ее гравитационному действию. Имеются некоторые гипотезы о природе темной материи. Их пытаются зарегистрировать в детекторах напрямую. Есть надежды, что такие частицы (все их семейство, включая нестабильные частицы) будут рождаться на ускорителях. Их ищут на Большом адронном коллайдере, но пока ничего похожего не обнаружено.
Отмечу, что еще в 1930-х годах было замечено, что видимой массы в галактиках не хватает для объяснения движения звезд. Совсем недавно удалось измерить некоторые космические параметры, и стало известно, чего и сколько конкретно не хватает. С помощью реликтового излучения удалось измерить с точностью в один процент среднюю плотность Вселенной и оказалось, что плотность всех известных нам видов материи составляет всего лишь пять процентов! Есть еще темная материя, состоящая из частиц, которая концентрируется в галактиках. Она составляет уже 30% от плотности Вселенной. И еще 70 процентов составляет какая-то непонятная субстанция, обладающая, с одной стороны, плотностью, но в то же время она обладает антигравитирующими свойствами.
Получается, что всё, что мы до сих пор знаем и изучили на ускорителях – кварки и другие частицы – составляют всего только пять процентов от того, что есть во Вселенной. Подчеркиваю – пять процентов! А оставшиеся 95 процентов – нечто неизвестное! Вот это всё и есть то новое в физике, что появилось за последние двадцать лет.
- Что означает «антигравитирующие свойства»?
– Объясняю. Еще в 1930-х годах было обнаружено, что Вселенная расширяется. Это было установлено на основании красного смещения удаляющихся галактик. Это, думаю, известно многим. Так вот, ожидалось, что расширение будет замедляться за счет сил гравитации. Однако наблюдения показали, что скорость расширения Вселенной, наоборот, увеличивается! Это было обнаружено двумя группами в 1997-м году, то есть совсем недавно. Данное открытие, за которое уже дали Нобелевскую премию, стало настоящей сенсацией. Оно означало, что во Вселенной есть какой-то источник антигравитации. Её назвали темной энергией. Возникла гипотеза, что таким источником антигравитации может быть сам вакуум, если у него ненулевая плотность ρ. В этом случае вакуум должен обладать также отрицательным давлением P= -ρc2. Согласно общей теории относительности, описывающей гравитационные взаимодействия и динамику расширения Вселенной, ускорение расширения пропорционально –ρ+3P/c2, т.е. давление также является источником гравитации. Если Вселенная наполнена обычной материей с плотностью ρm и вакуумом с плотностью ρv, то ускорение расширения будет пропорционально - ρm+2 ρv, и при ρv>0.5 ρm скорость расширения будет нарастать. Сейчас и наблюдается ρv>2ρm, что более чем достаточно для ускоренного расширения.
Фактически это означает, что природа (астрофизические наблюдения) бросила вызов физикам. Теперь нам предстоит выяснить природу темной энергии (космологической антигравитации) и темной материи: связана ли темная энергия с плотностью вакуума или мы имеем дело с непонятным полем. Теоретические оценки плотности вакуума, такие как нулевые колебания электромагнитного поля, дают совершенно другие величины, причем на сотни порядков больше, чем наблюдаемые. Это действительно загадка из загадок. Что касается темной материи, которой в пять раз больше, чем обычной материи, то эта проблема тоже выходит за рамки существующих знаний.
- Как это влияет на экспериментальные исследования?
– Сейчас уже полным ходом ведутся исследования этой темной материи. С помощью гравитационного линзирования изучается ее распределение в пространстве, внутри галактик, с помощью очень чувствительных детекторов пытаются напрямую зарегистрировать частицы этой темной материи. Поймать их до сих пор не удалось, установлено, что они и взаимодействуют с веществом, более чем на 20 порядков слабее, чем нейтрон. Чтобы еще повысить чувствительность, нужно увеличивать массу детекторов. Их размещают глубоко под землей, чтобы туда не проникали космические частицы.
Частицы темной материи ищутся также на ускорителях. Пока, правда, ничего не видно, и некоторые теории уже закрыты. Природа темной материи совершенно непонятна, масса этих частиц не известна даже приблизительно. Заведомо это не фотоны и не (известные уже) нейтрино. Это должны быть нерелятивистские частицы, иначе они бы не удерживались полем галактики. В нашей Галактике, например, звезды движутся со скоростями порядка 200-300 километров в секунду. Эти загадочные частицы также летают в Галактике по каким-то орбитам. Но мы даже не знаем, какова их масса. Они могут быть легкими, тогда их плотность (в штуках на единицу объема) будет большая. Они могут быть тяжелыми, летающими по тем же орбитам, но тогда их плотность будет мала. Какова их масса, экспериментально пока установить не удается, но поиски идут по всем направлениям
Олег Носков
Что думают физики мира о темной материи, может ли в ближайшее время быть создана теория, равноценная теории Эйнштейна, и как следует доработать Стандартную модель – читайте завтра в продолжении интервью.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии