«ВЭПП-2000 – это лучшее место в мире, где можно делать такие эксперименты»



История Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН – это история установок, которые создали его сотрудники, и их эволюции. Пожалуй, самая известная широкой публике на сегодня – источник синхротронного излучения для ЦКП "СКИФ" (Сибирский кольцевой источник фотонов). Но его еще только предстоит построить. А если говорить о тех, что уже вовсю работают на благо науки, то к числу флагманов «парка установок» ИЯФ безусловно относится коллайдер ВЭПП-2000. О том, какую важную роль эта установка играет в международных проектах и чем они важны не только ученым, но и всему человечеству – в интервью с заместителем директора ИЯФ СО РАН и заведующим кафедрой физики элементарных частиц НГУ д.ф.-м.н. Иваном Логашенко.

– Иван Борисович, известно, что установка ВЭПП-2000 связана с экспериментом ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб, США). Расскажите об этом проекте подробнее.

– На самом деле, эта история даже старше самой установки и длится уже полвека, и связана она с одной из главных задач физики: узнать, как устроен мир. Для этого мы придумываем эксперименты, строим научные установки, ищем новые способы узнать больше о мироустройстве. Один из таких способов был предложен еще в конце 1950х годов. Звучит он довольно непонятно – «измерение аномального магнитного момента мюона». Но в принципе, всё достаточно просто. Есть набор известных нам элементарных частиц -электроны, протоны, кварки и так далее, и есть теория, Стандартная модель, которая описывает свойства этих частиц и то, как они взаимодействуют друг с другом. У частиц есть параметры, которые поддаются измерению. Ключевых параметров немного: масса, заряд, магнитный момент. Сами частицы бывают простыми, их называют точечными, и есть составные, которые состоят из других частиц, например, нейтроны или атомы. У составных частиц магнитный момент определяется их структурой, процессами внутри них. А у точечных (мы говорим сейчас про обычные частицы) – ситуация проще, у них магнитный момент – это по-настоящему базовый параметр, и в правильных единицах измерения он равен двум. Правда, при условии, что частица будет находиться в абсолютной пустоте.

Но мир устроен более сложным образом, и такой пустоты в природе не бывает, даже в вакууме все время рождаются и умирают различные частицы (мы называем их виртуальными), с ними взаимодействуют реальные частицы и это немного меняет их магнитный момент. Происходит его небольшой сдвиг, примерно на одну десятую процента. Но этот сдвиг, отличие от двойки, который и называется аномальным магнитным моментом – не свойство частицы, а следствие влияния вакуума и поэтому через измерение отличия мы можем проверять вакуум, изучать то, что в нем на самом деле находится.

– А что это даст науке?

– В вакууме есть все частицы и все силы, которые вообще существуют в природе, включая и те, про которые мы пока не знаем. И та частица, у которой мы измеряем магнитный момент, она «видит» всё это. Отсюда возникла идея, как можно проверить, все ли элементарные частицы нам известны. Для этого надо с высокой точностью измерить аномальный магнитный момент частицы и сравнить с его расчетами в рамках существующей теории. Если между данными эксперимента и расчетами будет разница, значит, есть что-то, какие-то элементы, которые Стандартная модель не учитывает. Но этот подход работает только если суметь решить обе задачи – измерить и рассчитать в теории – с высокой точностью, потому что он базируется именно на сравнении результатов.

– Почему в качестве объекта измерения был выбран именно мюон?

– Сначала такие расчеты и измерения были сделаны с очень высокой точностью для электрона. Но дальше возникает один важный нюанс. Степень, с которой частица испытывает влияние других частиц (что отражается в аномальном магнитном моменте) зависит от ее массы. Электрон – очень легкая частица, и в основном он «видит» электромагнитные взаимодействия, которые нам и так хорошо известны. А мюон в двести раз тяжелее электрона, поэтому с его помощью можно обнаружить влияние гораздо более тяжелых частиц. И что немаловажно, мы умеем измерять у мюона аномальный магнитный момент, а это относится не ко всем известным науке частицам. Поэтому именно мюон стал оптимальным кандидатом на роль объекта эксперимента. Впервые такой эксперимент провели в конце 1950 х годов, затем, по мере появления новой техники и новых идей, его несколько раз повторяли, каждый раз повышая точность результата в десятки и сотни раз. Проект Фермилаба уже пятый или шестой (в зависимости от того, как считать) в этой цепочке, и его участники достигли точности примерно в половину от одной миллионной доли. Причем, поскольку эксперимент Фермилаб продолжается, его участники намерены повысить точность результата своих измерений еще в четыре раза. Но, как я уже говорил, не менее важно столь же точно произвести расчеты, каким должен быть этот сдвиг в рамках существующей теории. Иначе сравнение будет неполным и ничего нам не даст. И в этом расчете важно учитывать все известные нам силы – электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Вклад электромагнитных и слабых взаимодействий ученые умеют считать гораздо точнее, чем можно измерить в ходе эксперимента, а вот сильные взаимодействия так устроены, что посчитать их вклад напрямую, на основе одной лишь теории, не получается (пока – в этом направлении ведутся активные исследования). Зато известно, как можно, измерив в эксперименте другую физическую величину, вероятность рождения кварков при аннигиляции электрона и позитрона, вывести из нее величину вклада сильных взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона. Вот тут-то на сцену и выходит наша установка ВЭПП-2000.

Заместитель директора ИЯФ СО РАН и заведующий кафедрой физики элементарных частиц НГУ д.ф.-м.н. Иван Логашенко – Почему именно она?

– Необходимые эксперименты основаны на аннигиляции электрона с позитроном, причем, важно измерять происходящие процессы в области относительно маленьких энергий, до двух гигаэлектрон-вольт. А практически все современные установки нацелены на гораздо большие энергии (это вытекает из стоящих перед ними задач), например, Большой адронный коллайдер работает с энергией 13 000 гигаэлектрон-вольт. Вызвано это тем, что долгое время ядерная физика была нацелена на прямой поиск элементарных частиц, для чего нужны все более высокие энергии. А установок, нацеленных на область низкой энергии, создавалось мало. И когда возникла необходимости провести эксперименты именно в этой области энергий, оказалось, что такая установка есть у нас. Это был один из наших первых коллайдеров, ВЭПП-2М, и на нем на рубеже прошлого и нынешнего веков произвели необходимые эксперименты для сравнения расчетной величины с результатами измерения аномального магнитного момента мюона в предшествующем проекте – эксперименте Брукхевенской лаборатории. И мы увидели разницу между расчетами и экспериментальными данными.

– Большую разницу?

– Разница не маленькая, но не такая и большая. Как мы говорим, три стандартных отклонения (или в три единицы точности измерения данного эксперимента). Но для такого сложного эксперимента и таких сложных расчетов – это была недостаточная разница, чтобы со стопроцентной уверенностью делать какие-то выводы. Что с одной стороны, стало стимулом для создания нынешнего эксперимента в Фермилаб, а с другой – для создания нового коллайдера в ИЯФ, ВЭПП-2000, на месте ВЭПП-2М, первые данные с которого  были получены в 2011 год. Вот на этом этапе мы сейчас и находимся. Причем я могу утверждать, что наша установка ВЭПП-2000 – это лучшее место в мире, где можно изучать процессы аннигиляции электрона и позитрона и получать результаты, необходимые для расчета влияния сильных взаимодействий на аномальный магнитный момент мюона. Это не единственная подходящая установка в мире для таких задач. Сейчас запускается Супер-B фабрика в Японии, где несколько другим способом будут проводить необходимые для расчетов измерения и эта установка будет следующей, от когорой можно ожидать результатов в этом направлении.

– Есть уже какие-то предварительные результаты?

– В начале года эксперимент в Фермилаб выдал первый уточненный результат, который подтвердил данные, полученные в предыдущем эксперименте Брукхейвенской лаборатории. И поскольку есть результаты двух экспериментов, наши коллеги смогли их усреднить и получить более точное измерение аномального магнитного момента, который уже на четыре стандартных отклонения отличается от расчетных. Теперь, как говорится, мяч на нашей стороне, мы работаем над получением новых данных уже наших экспериментов, которые будут использованы для получения более точных расчетных данных, и есть основания предполагать, что итоги сравнения будут очень интересными и многообещающими.

– Работа в совместном проекте с Фермилаб близится к завершению. У Вас есть понимание, какими задачами будет загружена установка ВЭПП-2000 после этого?

– Участие в этом проекте – самая известная задача ВЭПП-2000, но далеко не единственная. Есть более глобальная область исследования – понять, как устроены сильные взаимодействия вообще. С одной стороны, на самом базовом уровне мы их хорошо понимаем, какие законы ими управляют и так далее. Но когда мы переходим на уровень частиц, которые мы видим в эксперименте, оказывается, что в проявлениях сильных взаимодействий мы очень многого еще не понимаем.

И ВЭПП-2000 – это установка, которая позволяет изучать физику сильных электромагнитных взаимодействий в более широком плане, чем расчет данных для одного, пусть и важного эксперимента. Причем, в области низких энергий, там, где мы понимаем меньше всего, потому что чем выше энергия, тем проще становится картина. Так что возможности нашей установки закрывают важную нишу физики элементарных частиц.

– Люди, далекие от науки, часто спрашивают – а зачем так глубоко «копать», погружаться в элементарное устройство мира? Какая от этого польза, кроме удовлетворения научного любопытства?

– Есть много ответов и он все верные. Во-первых, любопытство – это часть человеческой природы, и стремление лучше узнать, как устроен мир, присуще не только физикам, но значительно большему кругу людей. Во-вторых, до сих пор получалось так, что, когда мы получаем какие-то новые знания о мироустройстве, это обязательно рано или поздно находит вполне прикладное применение и меняет нашу жизнь. Хотя сразу это совершенно неочевидно. Многие современные технологии основаны на принципах квантовой механики, хотя никто из ее создателей не мог этого предсказать. В этом плане опыт человечества показывает, что останавливаться в процессе познания нельзя. И, наконец, исследовательский процесс сам по себе выступает источником прогресса. Чтобы получить более точные или какие-то принципиально новые данные, нам приходится создавать принципиально новое же оборудование – детекторы, системы обработки данных и т.п. И это дает толчок развитию технологий в соседних областях. Кстати, если говорить о детекторах, то эти технологии переживают сейчас экспоненциальное развитие, во многом, благодаря усложнению научных экспериментов. Но потом они находят применение в той же ядерной медицине, экспертизе предметов искусства и археологических находок и так далее.

Хотя прямого прикладного значения того, что мы узнали что-то новое о взаимодействии элементарных частиц, конечно, нет. Это слишком малые величины. Просто надо помнить, что полезное не исчерпывается прикладным и без развития фундаментальной науки скоро остановится прогресс и в прикладных исследованиях, и в разработке технологий, а значит – в экономике в целом.  

Сергей Исаев