Международная команда ученых, работающая на установках Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), часто становится объектом внимания СМИ. Это не удивительно, ведь CERN является крупнейшей в мире лабораторией физики высоких энергий. Одна из последних новостей связана с обнаружением в эксперименте LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) еще одной элементарной частицы, входящей в Стандартную модель. В нем участвовали и новосибирские физики – сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (давнего партнера CERN) и Новосибирского государственного университета (НГУ).
Мы попросили старшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН, заведующего кафедрой физико-технической информатики ФФ НГУ, сотрудника коллаборации LHCb, к.ф.-м.н. Павла Кроковного рассказать, как далеко наука продвинулась в изучении Стандартной модели, для чего это нужно, и какая польза нашей стране от такого международного сотрудничества.
– Павел Петрович, начнем с того, почему вообще такое значение придается Стандартной модели и ее изучению?
– Стандартная модель описывает физику частиц, то есть – самый базовый уровень нашего мироздания. Это часть фундамента физики, тех законов, из которых следуют все остальные научные построения (в том числе, приводящие ко вполне прикладным результатам). Был Большой взрыв, энергия разделилась на частицы и античастицы. Но если бы их было одинаковое количество, все просто аннигилировало бы обратно и ничего не осталось. Вместо этого, мы наблюдаем окружающий нас мир, состоящий из частиц, а вот мира из античастиц не наблюдается. И Стандартная модель, в частности, объясняет эту ситуацию.
– Насколько она завершена?
– Есть ряд явлений, которые при сегодняшнем уровне знаний в Стандартной модели не объясняются. Это, прежде всего вопросы, связанные с темной материей и темной энергией. Если мы возьмем совокупную массу известных нам элементарных частиц, то она окажется намного меньше той массы, которой должна обладать Вселенная, исходя из известных по астрономическим наблюдениям параметров. Считается, что эта разница как раз и приходится на долю темной материи и энергии, но элементы, из которых они состоят, еще предстоит найти.
– А возможен вариант, что новые данные заставят кардинально пересмотреть Стандартную модель, описать вместо нее какую-то другую концепцию мироустройства на уровне частиц?
– Теоретически в науке возможно все, но на сегодняшний день предпосылок для таких прогнозов нет. Большинство ученых сходятся на том, что, скорее, можно ожидать дальнейшей доработки существующей модели, внесения в нее каких-то корректив или дополнений. Для аналогии возьмем ситуацию с механикой – она, как известно, делится на классическую и релятивистскую. Первая хорошо «работает» на низких скоростях, но перестает – на высоких, поэтому и была, собственно, сформулирована вторая, релятивистская. Но если мы возьмем законы релятивистской механики, посмотрим, что в их рамках получается на низких скоростях, то увидим их практически полное сходство с классическими. Так и со Стандартной моделью – пока что мы работаем в ее рамках и нет никаких экспериментальных данных, которые бы в нее совсем никак не вписывались.
– Вы сказали о возможной доработке этой модели, как это могло бы выглядеть?
– Есть два пути проверки Стандартной модели. Первый – это путь высоких энергий, при которых мы ищем частицы или явления, не описанные в рамках Стандартной модели. Второй путь – путь точных измерений, когда мы берем некий параметр, который можем точно рассчитать (это на самом деле нетривиальная задача, потому что какие-то параметры точно посчитать невозможно), а затем – точно измерить в ходе эксперимента. И сопоставляем результаты. Например, в рамках этого подхода сейчас проводится проверка лептонной универсальности. Нам известны три поколения лептонов – электрон, мюон и тау-лептон. В рамках Стандартной модели все процессы с участием лептонов должны протекать идентично, отличие может быть только из-за разных масс лептонов. Сейчас лептонную универсальность проверяют на нескольких экспериментальных установках в нескольких странах. И практически во всех измерениях наблюдается некоторая разница между предсказаниями модели и экспериментальными данными. Но это отличие, как говорится, «пороговое», может, это просто статистическая флуктуация, а может – нет. Пока все данные не обработаны, выводы делать рано, но это пример возможного направления коррективы Стандартной модели. Возможного, повторю, если после обработки данных подтвердится именно их несоответствие предсказанным результатам. Потому что нарушение лептонной универсальности – это уже серьезный вызов для Стандартной модели. Но также может оказаться, что несоответствия нет, как это уже бывало несколько раз.
– Раз мы вернулись к экспериментальным установкам, Россия не является членом CERN и тем не менее мы участвуем в финансировании строительства их комплексов, включая тот же Большой адронный коллайдер (LHC). Можно ли говорить о равноправном сотрудничестве?
– Действительно, мы не входим в число стран-участниц CERN, но имеем статус специального партнера. Это связано с уставом организации и на деле никак не ущемляет наши интересы, точно таким же статусом обладают США и Япония. Наш Институт сегодня участвует во всех трех из четырех основных экспериментах, проходящих на LHC. Кроме того, согласно этому статусу, CERN тоже может принимать участие в работе наших проектов, включая ЦКП «СКИФ» (Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов»), строительство которого планируется в Новосибирской области, и проект электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика.
– Если говорить не о возможном сотрудничестве, а о том, что уже проделано, какую пользу извлекла российская наука и, в частности – ИЯФ СО РАН, из партнерства с CERN?
– Начнем с того, что самые большие и значимые эксперименты в нашей области не случайно являются международными – на сегодня ни одна страна не способна провести их в одиночку – настолько они дорогие и технически сложные. Поэтому вопрос стоит так – или ты участвуешь в большой компании, или не участвуешь совсем. Для сохранения передовых позиций в науке важно именно принимать участие в такой работе, а не читать доклады и статьи тех, кто это сделал. Эти совместные проекты приносят нам бесценный опыт, мы осваиваем методы и подходы ведущих мировых ученых, которые затем применяем уже в работе по своим проектам здесь. Кроме того, выполняя заказы для международных научных коллабораций на периоде строительства установок, ИЯФ не просто получил средства на собственное развитие, но и отработал изготовление уникального научного оборудования.
Этот опыт будет востребован при реализации проекта уникальной научной установки класса мегасайенс ЦКП «СКИФ» в Новосибирске, планируемого в рамках программы развития Новосибирского научного центра, известной как Академгородок 2.0. Осуществление этого проекта станет возможным благодаря накопленному нами опыту работы в больших международных проектах.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии