«Маленькая Алиса» и Большой адронный коллайдер

– Андрей, пока весь мир мыслит по Стандартной модели, вы выходите за ее пределы и открываете Новую физику?

– Мы очень надеемся ее открыть, потому что Стандартная модель закончилась. Новая физика – это ее расширения. Есть расширения, связанные с суперсимметрией: у каждой частицы Стандартной модели есть другая частица, ей суперсимметричная. Мы пытаемся найти их на коллайдерах, но проблема в том, что их должно быть как минимум столько же, сколько уже есть стандартных, а ни одна не найдена. Эта теория очень хороша, потому что позволяет, например, описать темную материю. Есть модели, связанные с дополнительными размерностями нашего пространства и микро-черными дырами. Их мы тоже пытаемся найти. Ищут, например, гравитон – это была бы частица-переносчик гравитации. Это позволило бы нам объединить гравитацию со Стандартной моделью.

Теорию элементарных частиц уже сейчас можно и нужно рассказывать в школе, причем это можно делать очень рано, без какого-либо математического аппарата. Тогда у детей с раннего возраста будет складываться впечатление о том, как устроен мир и по каким законам все работает.

– Расскажите об эксперименте NA61/SHINE.

– Окружающая нас материя состоит из протонов и нейтронов, которые включают в себя по три кварка. Еще существуют короткоживущие частицы – мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Они все называются адронами, потому что сильно взаимодействуют. У кварка есть квантовое число – цвет (красный, синий или зеленый), но оно не имеет никакого отношения к цвету в повседневной жизни, это физическая величина. Это как заряд: если у электрона заряд минус один, у позитрона – плюс один, у кварка – цвет, у антикварка – антицвет. Но мир так устроен, что цветные объекты не могут существовать по отдельности, они обязаны образовывать «бесцветные группы», например, три кварка разных цветов объединены в одну частицу, которая может быть протоном или нейтроном (в зависимости от сортов кварков). Также кварк может объединиться со своей античастицей, у которой противоположный цвет (красный кварк + антикрасный антикварк, синий + антисиний или зеленый + антизеленый), и образовать частицу – мезон, которая так же бесцветна. Но мезоны нестабильны, поэтому в нас их нет.

Так устроен наш адронный мир. Если же адроны как следует разогреть и сжать, то в какой-то момент их границы начнут сливаться и образовывать один кварк-глюонный мешок, где кварки, не запертые более в адроны, могут свободно перемещаться. Такое состояние материи называется кварк-глюонной плазмой (КГП). Считается, что наша Вселенная в первую микросекунду выглядела именно так: она состояла не из протонов и нейтронов, а из кварк-глюонной плазмы. Это состояние вещества воссоздается, например, на Большом адронном коллайдере в столкновении ядер свинца, там даже есть специальный изучающий КГП эксперимент – ALICE. Наш же эксперимент NA61/SHINE я часто называю «маленькой Алисой», наша цель – изучение перехода между обычной материей, состоящей из адронов и кварк-глюонной плазмы. Для этого нам требуются куда меньшие энергии, поэтому мы и находимся не на БАК, а на меньшем кольце – SPS. 

– Что за кольцо?

– Основной ускорительный комплекс ЦЕРНа устроен так: линейный ускоритель, три увеличивающихся кольца по очереди и Большой адронный коллайдер – четвертое кольцо. Мы – на третьем. Меньших энергий мы добиваемся еще и тем, что сталкиваем не пучки частиц, а пучок и мишень. Но хоть мы и «маленькая Алиса», программа столкновений у нас куда шире, так как наша цель – «прощупать» фазовую диаграмму, широко изменяя температуру сталкивающихся систем и плотность образовавшейся материи. На БАК сталкивают только ядра свинца и протоны, мы же, кроме этого, можем производить столкновения бериллия, аргона и ксенона.

NA61 – это территория, где мы расположены (North Area – северная зона), + порядковый номер. SHINE – это SPS (так называется кольцо, Super Proton Synchrotron) Heavy Ion and Neutrino Experiment. Heavy Ion – столкновения тяжелых ионов или изучение КГП – это главная задача нашего эксперимента, но также мы производим измерения для нейтрино-экспериментов в Японии и Штатах и для Обсерватории космических лучей Пьера Оже в Аргентине, так как наша установка – очень хороший спектрометр, позволяющий точно измерять характеристики рожденных, в том числе порождающих нейтрино, частиц.

– И как проходит рабочий день научного сотрудника ЦЕРН?

– Я занимаюсь анализом данных, и для работы мне требуется только ноутбук и хороший Интернет. Поэтому в Питере я могу трудиться дома, в ЦЕРНе можно работать как в офисе или в библиотеке, так и в местном кафе. Что значит анализ? Берутся миллионы столкновений, и из них извлекается определенная физическая величина или выделяется сигнал какой-то частицы. Моя работа во многом состоит из программирования, я пишу код и удаленно запускаю его на вычислительном кластере в ЦЕРНе. Чтобы обработать миллионы столкновений, конечно, требуются большие вычислительные мощности, локально на своем компьютере ничего посчитать не удастся. Большая часть анализа – это чистка данных. «Хорошие» столкновения должны быть отделены от «плохих». Хорошие – это когда, например, ядро из пучка ударяется о ядро из мишени, а не в молекулу воздуха, которым окружена мишень.

Большая часть нашей работы – это совещания, без которых просто ничего не будет работать. Мы зовем их митингами. В нашей коллаборации 150 человек (NA61/SHINE), в ALICE – около тысячи. Я сейчас буду говорить про наш эксперимент, в ALICE то же самое, только больше. Примерно три раза в год у нас проходят коллаборационные митинги – мы все съезжаемся в одно место, например, в сентябре встречались в ЦЕРНе, в мае – в Баку, зимой – в Польше. Это закрытые конференции, где каждый участник эксперимента рассказывает, что он сделал за последние месяцы. Часть людей занимается только железом, собирает детекторы, есть люди, которые занимаются теорией (но таких мало), другие пишут софт или анализируют данные. Кроме митингов три раза в год у нас есть еженедельные митинги онлайн, например, по анализу. Другая важная часть моей работы – это шифты (смены). Эксперимент функционирует 24 часа семь дней в неделю, на нем всегда должны быть люди, для нас минимум – два человека, поэтому в сутках три восьмичасовые смены. Мы сидим в помещении с кучей мониторов и следим за каждым из них, чтобы все нормально функционировало. Смотрим, как набираются данные, каждый час делаем обход, следим за качеством идущего к нам с SPS пучка частиц. Самое забавное, что нас достаточно мало и рук не хватает, чтобы все автоматизировать. Поэтому раз в два часа нужно идти и глазами что-то проверять, чтобы, например, ничего не потекло из газовой системы.

– Вы совмещаете научную деятельность в ЦЕРНе и в СПбГУ. Чем занимаетесь в стенах Университета?

– Наша Лаборатория физики сверхвысоких энергий СПбГУ – единственная в Петербурге лаборатория, проводящая эксперименты в ЦЕРНе и на БАКе в частности. У нас маленький коллектив, всего человек 15, но при этом диапазон вещей, которыми мы занимаемся, очень широк. Одна часть работы – это железо, мы ее так называем. Мы занимаемся и созданием эксперимента, то есть самого детектора, начиная от проектирования и сборки (наши инженеры делают это своими руками), заканчивая программным обеспечением для анализа сигналов с него. Есть люди, которые занимаются только IT – это распределенные системы вычислений GRID, облачные технологии. Есть люди, которые занимаются анализом, это конечная фаза эксперимента, когда он построен, столкновения произошли и получен большой объем данных, который нужно обработать, а результат – опубликовать. Публикация – это конечный продукт эксперимента. Есть люди, которые занимаются только теорией, они с помощью ручки, бумаги и компьютера придумывают новые модели, которые мы потом можем сравнивать с экспериментом. Наша основная цель – изучение кварк-глюонной плазмы. Открытие темной материи или новых частиц – это не совсем про нас.

– Как вы чувствуете состояние современной науки изнутри?

– Сейчас ситуация в науке очень напоминает конец XIX века, когда казалось, что все уже открыто и не описано лишь несколько нюансов. А потом эти нюансы превратились в квантовую механику, в теорию относительности, и все перевернулось с ног на голову. Сейчас у нас есть Стандартная модель, и у нее нет недочетов. Это просто превосходная модель, она описывает все элементарные частицы – нет никаких экспериментальных данных о том, что где-то она не работает. С другой стороны, есть проблема с тем, что четвертое взаимодействие – гравитационное – в нее не включено. Есть проблема темной материи и темной энергии. Если о темной материи мы хотя бы знаем, что она существует, можем ее наблюдать в телескопы, то с темной энергией не понятно ничего, мы даже не знаем, что это такое. И это загадки, которые мозолят мозг научного мира. Почему во Вселенной материи на порядок больше, чем антиматерии? Если брать теорию Большого взрыва, то в момент взрыва их должно было родиться одинаковое количество. Если бы было так, почти вся материя аннигилировала бы с антиматерией, и мы бы сейчас существовали (а точнее – не существовали) в пустом мире, вся материя превратилась бы в свет.

Не могу сказать, что мы находимся в зоне великих открытий, но есть надежда, что мы как раз на пороге такой зоны. Открытия бозона Хиггса и гравитационных волн, конечно, великие, но совсем не неожиданные, их предсказали давно. Это не что-то столь прорывное, из-за чего мы просыпаемся на следующий день в другом мире. Если бы мы открыли суперсимметрию, было бы именно так, потому что эта модель дает ответы на многие будоражащие нас вопросы.

– В конце XX века теоретики выдвинули несколько «экзотических моделей». К ним относятся теории с новыми типами взаимодействия, поиск параллельных вселенных и модели с большим количеством пространственных измерений. Эти модели теперь можно проверить на БАКе. Как это происходит?

– Гипотезы есть, но они пока не доказаны. Все экзотические модели имеют дополнительные частицы. Эти модели обычно не предсказывают массу частиц. И БАК говорит: если такая частица существует, ее масса не такая-то, она тяжелее, чем столько-то. То есть БАК не опровергает какие-то модели, он лишь говорит, что вот с такими-то параметрами частиц нет. Если частица тяжелая и очень редкая, то нужно набрать много данных. После миллиардов столкновений мы, может быть, ее поймаем. Если что-то такое найдется, то это будет прорыв, о котором будут говорить все.

– СМИ высказывают опасения, что работа коллайдера приведет к возникновению черных дыр и, следовательно, к глобальному катаклизму. В самом деле, есть ли риск подойти к концу света?

– Надо понимать, что черные дыры, которые могут создаваться на Большом коллайдере, – это вообще не те космические черные дыры, которые могут поглотить все окружающее пространство. Можно всех успокоить: такую дыру, которая принесла бы вред кому-либо, на коллайдере создать невозможно. И причина очень простая: нашу планету постоянно бомбардируют космические лучи из Вселенной. Они часто имеют энергию в миллионы раз выше, чем на коллайдере. Если бы мы могли создать нечто опасное, то в атмосфере это создавалось бы всегда. То есть столкновения, которые мы изучаем, уже присутствуют в атмосфере. Редко, но куда с большими энергиями.

– Если бы вас попросили выделить некую единую составляющую мировоззрения физиков, что бы это было?

– Любопытство – главная движущая сила ученых, не только физиков. Мы занимаемся наукой во многом потому, что нам просто интересно. Думаю, именно это и есть та самая объединяющая идея всего ученого мира. Нельзя сказать, что мораль ученых сейчас та же самая, что была сто лет назад, она меняется. Но любопытство было всегда и будет через годы