В Академгородке под Новосибирском, в Институте ядерной физики СО РАН проектируется уникальная установка — Супер С–Тау фабрика или «фабрика очарованных кварков»
Мы поговорили с Иваном Логашенко, доктором физико-математических наук, заместителем директора ИЯФ СО РАН и одним из разработчиков будущей фабрики о том, зачем эта фабрика нужна ученым, сколько она стоит и когда будет построена.
Словарь физика
Коллайдер — ускоритель, в котором два встречных пучка частиц, из которых состоят атомы веществ, разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. В результате столкновения образуется ряд других частиц. Именно их свойства и изучают ученые.
Кварк — неделимые элементарные частицы, фундаментальная основа материи. Кварки не одинаковы. В настоящее время известно шесть типов кварков, один из них «очаровательный» или «очарованный» (от англ. Charm. Отсюда и взялось «Си» в названии фабрики). Слово «кварк» физики взяли из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану».
Фабрика кварков — коллайдер с очень высокой производительностью. В результате столкновения потоков частиц на фабрике кварков образуется очень большое количество тех или иных видов кварков.
Электронвольт (эВ) — единица измерения энергии частиц. Электронвольты мы можем увидеть: энергию 2 эВ имеет квант оранжевого спектра света, 3 эВ — фиолетового. В ядерной физике используют единицы измерения МэВ (миллион), ГэВ (миллиард) и даже ТэВ (триллион эВ).
Стандартная модель — современная физическая теория, которая на сегодняшний день наилучшим образом описывает наши представления об исходном материале, из которого построена Вселенная. Стандартная модель описывает, как именно образуется материя, а также какие силы и механизмы взаимодействия действуют во Вселенной. Уже в момент создания Стандартной модели физики понимали, что она не полна, так как не в состоянии учесть одно из базовых физических взаимодействий — гравитацию. Ожидается, что в недалеком будущем ученые построят новую модель для описания Вселенной.
ЦЕРН — Европейская организация по ядерным исследованиям. Находится в Женеве (Швейцария). Именно в ЦЕРНе построен и работает Большой адронный коллайдер.
Институт ядерной физики (ИЯФ) — находится в Академгородке под Новосибирском. Здесь в 1963 году построили первый в мире коллайдер ВЭП-1, а сейчас проектируют Супер С-Тау фабрику.
На пределе энергий
Иван Борисович, ваш институт является резервом научных кадров для коллайдеров по всему миру. Это так?
Да. ИЯФ СО РАН — один из мировых лидеров по части ускорителей. Это неслучайно. Мы были одним из тех институтов, где зародилась сама идея коллайдеров. Начиная с 60-х годов прошлого века, и по сей день мы участвуем во всех мировых программах создания подобных установок.
Что такое «фабрика кварков»?
Идея создания фабрики — это закономерное развитие идей, которые появились еще в 50-е годы. Если разогнать и столкнуть частицы, вся энергия, которая в них накоплена, пойдет на рождение новых частиц. Это и есть коллайдер. Долгое время мировая наука шла по пути увеличения энергии пучков. Чем больше энергии, тем более массивные частицы могут родиться при столкновении.
В коллайдере можно сталкивать электроны и протоны. Если разгонять протоны, можно дойти до очень высоких энергий. Но протон — это сложная составная частица. Результаты ее столкновения не так просто изучать. Наша Супер С-Тау фабрика — это коллайдер, где сталкиваются электроны и позитроны. Это простые частицы. На этой фабрике нельзя достичь очень высоких энергий. Зато можно достичь куда большей точности.
На какую энергию рассчитан новый коллайдер?
На 1-3,5 ГэВ в пучке. Больше не нужно. Дело вот в чем. Сейчас мир дошел до максимальных энергий, которые мы вообще способны производить. На Большом адронном коллайдере достигается энергия 13 ТэВ. Выше пока не получается: технологий нет. Но физики придумали другой путь. Не надо повышать энергию. Надо повысить точность измерения свойств уже известных частиц. Тогда мы сможем понять, как работают законы физики на гораздо больших энергиях. Это и есть направление фабрик — очень производительных электрон-позитронных коллайдеров. Производительность для нас очень важна, потому что чем точнее вы хотите измерить параметры частиц, тем больше требуется экспериментальной статистики. Это закон измерения.
Вообще, такие фабрики нужны всего в трех энергетических диапазонах. Есть большие энергии порядка 90-300 ГэВ. Такие фабрики проектируются сейчас в ЦЕРНе и Китае. Это будут огромные 100-километровые установки. Есть фабрики с диапазоном в 10 раз меньше — 10 ГэВ. Такая сейчас запускается в Японии. И есть область чуть ниже — от 2 до 7 ГэВ. Это область «С-Тау», где рождается сразу несколько интересных видов частиц.
С-Тау установка сейчас очень успешно работает в Китае, но это коллайдер, построенный по «вчерашним» технологиям. Производительность нашей фабрики будет в 100 раз выше. Скорее всего, через 20 лет таких фабрик в мире будет всего три, по одной в каждом диапазоне энергий.
Частица темной материи
Что будет получаться при столкновении частиц в вашей машине?
Когда электрон и позитрон сталкиваются, они аннигилируют, то есть исчезают. И вся освободившаяся энергия идет на рождение новых частиц. В результате может появляться множество разных частиц. Например, будут рождаться барионы, частицы, состоящие из трех кварков, и более сложные объекты, которые только начали наблюдать последнее время на других коллайдерах (тетракварки, пентакварки и другие). Все эти частицы нестабильны и быстро распадаются. Изучая продукты распада, можно детально понять свойства самих частиц. И благодаря этому, прийти к новому пониманию законов физики.
Почему физики все время говорят о необходимости выхода за границы Стандартной модели Вселенной?
Сейчас в физике сложилась довольно интересная ситуация. Есть теория, которую ученые всего мира строили много лет. Ее называют Стандартной моделью. Она описывает, как устроен мир с физической точки зрения. Но делает это не полностью. Дело в том, что в мире есть четыре типа взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия и гравитация. Стандартная модель описывает три из них без гравитации, которую описывает теория относительности. Но если мы говорим об универсальной картине мира, понятно, что подобная модель должна описывать все. Получается, что Стандартная модель не универсальна.
Это не единственный ее изъян. Один из самых загадочных вопросов современной физики — наличие темной материи. Из астрофизических наблюдений мы знаем, что в космосе есть некая масса, которую мы не видим. Ее очень много, примерно на порядок больше, чем обычной материи. Она называется темной материей и заметно влияет на вращение звезд вокруг галактического центра. Доказательств существования темной материи очень много. Все они приходят из астрофизических наблюдений. А в Стандартной модели нет никакой частицы, которая могла бы быть частицей этой темной материи.
То есть одна из задач Супер С-Тау фабрики — найти частицу темной материи? Но как вы ее узнаете? Она же невидима.
Мы можем увидеть ее по некоторым признакам. Если темная материя есть, она должна хоть как-то взаимодействовать с нашей материей. Есть разные предположения, как она может взаимодействовать. Чтобы подтвердить их, нужно найти что-то в лабораторном эксперименте какие-то доказательства, благодаря которым мы сможем двигаться дальше. Как мы поймем, что перед нами частица темной материи? По распадам известных частиц, про которые мы уже все знаем: массу, продукты распада и так далее. Если частица появится, то при сложении энергии распада мы увидим, что часть энергии куда-то делась. По тому, сколько энергии ушло, мы можем посчитать массу этой частицы и определить ее свойства.
Если все так просто, почему ее не нашли до сих пор?
Потому что это очень редкая вещь. Темная материя очень слабо взаимодействует с нашей материей. Надо получить огромное количество распадов, чтобы из сотен миллиардов событий найти то единственное, в результате которого появилась частица темной материи.
Еще один вопрос к Стандартной модели касается ее параметров. Есть примерно 30 разных параметров нашей Вселенной. Причем все они независимы. Они, конечно, в нашем мире реализовались в каких-то значениях, но из Стандартной модели не следует, что они обязательно такие. Могли бы быть и другими. Но мы видим, что эти независимые параметры должны быть согласованы между собой до 30 знака после запятой. Иначе наш мир был бы другим. Значит, есть какие-то более сложные связи между ними, но Стандартная модель этих связей не видит.
Еще один вопрос:почему у нас все частицы имеют три поколения, а не два, допустим? Все известные частицы укладываются в систему трех поколений. Есть электрон. У него есть два тяжелых аналога. Есть пара легких кварков, и у каждого есть два тяжелых аналога. Почему-то все частицы идут тройками. Почему так? Мы не знаем.
Таких вопросов много. И их становится все больше. А ведь Стандартная модель — это очень хорошая теория. Все, что мы до сих пор видели на коллайдерах, в нее отлично укладывается. Но с повышением точности в новых экспериментах начинают появляться несоответствия. Пока еще нельзя сказать, что Стандартная модель нарушается, но звоночки звенят.
Наука с приставкой «мега»
Вы буквально стоите на пороге нового мира?
Да. Есть такое ощущение. Существует множество предположений, как дальше будет развиваться эта модель. Но чтобы выбрать именно тот путь расширения модели, который соответствует законам нашего мира, нужно провести множество экспериментов. Только так можно понять, что там, за рамками Стандартной модели.
Во сколько обойдется строительство Супер С-Тау фабрики?
Наш проект очень большой. Это действительно проект мега-сайенс. Его текущая оценка — 90 млрд рублей, около миллиарда евро. Это большая сумма, но если вспомнить другие государственные проекты мирового уровня, например, Олимпиаду в Сочи, то не заоблачная. Такие установки всегда примерно так и стоят. 100-километровый коллайдер в Китае стоит как минимум в десять раз дороже.
Как предполагается это реализовать?
Возможно, этот проект реализуется в рамках нового Национального центра физики и математики, который сейчас строится рядом с ядерным центром в Сарове. В мире есть подобные примеры, когда рядом с закрытым ядерным центром работает открытая лаборатория. Ученые не могут работать в атмосфере изоляции. Нужно обмениваться идеями. Для нового Национального центра Супер С-Тау фабрика выглядит оптимальным «якорным» проектом, который очень хорошо согласуется с исторической специализацией ядерного центра в городе Сарове. Фабрика станет гигантским магнитом для специалистов всего мира. Это будет одна из ключевых мировых точек, где ведутся исследования в области физики частиц.
Но Саров находится в Нижегородской области, это очень далеко от Новосибирска!
Ну, мы привыкли быть далеко от всех. Это проект международного масштаба, и он по определению не делается в одной организации. Не так уже важно, где он будет строиться, все равно участвовать будут все. Мы в этом проекте, конечно, планируем играть заметную роль в подготовке и планировании экспериментов.
Уже известно, когда начнется строительство?
Пока нет. Сам проект уже детально разработан. Сейчас он обсуждается в научном сообществе, в госкорпорации «Росатом», на правительственном уровне. Но решения о старте проекта пока нет. Мы ждем и надеемся, конечно. Если начнем строить в этом году, установка будет готова к 2026-27 году. Тогда в 2028 году мы сможем начать эксперименты.