Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
27.06
Незамысловатая песня помогает птицам избегать хищников

22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица

21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей

20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн

17.06
В металло-карбеноидах чем больше катион щелочного металла, тем стабильнее молекула






Главная / Библиотека / Лекции для школьников версия для печати

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

В. А. Рубаков
Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 25 сентября 2008 года

Скачать Adobe Flash Player (необходима версия не ниже 9)

Валерий Анатольевич Рубаков

Об авторе

Валерий Анатольевич Рубаков — академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН. Область научных интересов: физика элементарных частиц, квантовая теория поля и космология. Провел исследования по теории ранней Вселенной. Внес основополагающий вклад в теорию квантовой гравитации. Изучает различные модели объединения взаимодействий. Автор гипотезы о распаде протона.

Ведущий. Каждый месяц мы встречаемся в этом зале и приглашаем видных российских и зарубежных ученых для того, чтобы вы могли быть в курсе последних научных достижений, последних событий в науке. И сегодня я не побоюсь сказать, что нам очень повезло: Валерий Анатольевич любезно согласился рассказать о новом важнейшем научном приборе, который сейчас запускается и который позволит осуществить некий прорыв в фундаментальных познаниях человека о материи и об окружающем мире. Итак, я предоставляю слово Валерию Анатольевичу Рубакову. Пожалуйста.

В. А. Рубаков. Спасибо. Здравствуйте.

Ну, вы, наверное, наслышаны все об адронном коллайдере, который вводится в строй в ЦЕРНе. Ну, и вот в связи с этим — наш сегодняшний с вами разговор о том, чего мы ожидаем от него. Это не то, что разговор о тех достижениях, которые уже реально имеются, а скорее разговор о тех ожиданиях, которые связаны с этой новой машиной.

Значит, прежде всего, что сегодня достигнуто, какие сегодня инструменты имеются? Речь идет о физике высоких энергий, речь идет о столкновениях высокоэнергичных частиц между собой. Их можно охарактеризовать энергией в системе центра масс. Коллайдеры — это ускорители заряженных частиц, в которых имеются частицы, которые движутся в одну сторону и в другую сторону. И вот они сталкиваются с одинаковой энергией, так сказать, друг навстречу другу. Collide — «сталкивать», отсюда произошло слово «коллайдер».

Сегодня имеется Тэватрон — это давно работающая установка, адронный коллайдер тоже, в Фермилабе, в Соединенных Штатах Америки. Это самая энергичная машина, и энергия, которая на ней достигнута, — это 1 ТэВ на 1 ТэВ. Значит, суммарная энергия в системе центра масс — 2 ТэВа. ТэВ — тераэлектронвольт (я чуть попозже скажу, как надо относиться к этим ТэВам). Значит, это протон-антипротонный коллайдер, сталкиваются в нём протоны и антипротоны.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вы видите, что ЦЕРН создает сейчас... в ЦЕРНе... Скажем так: не ЦЕРН, а всё научное сообщество, которое занимается физикой высоких энергий, физикой элементарных частиц, создает сегодня Большой адронный коллайдер и детекторы на этом адронном коллайдере. Это машина, у которой энергия в 7 раз больше — 7 ТэВ на 7 ТэВ — 14 ТэВ в системе центра масс. Это протон-протонная машина. На самом деле, при таких энергиях уже не важно, протон-протонная или протон-антипротонная машина. Почти не важно. Антипротоны, конечно, создавать достаточно трудно, поэтому остановились на варианте протон-протоны. Начало работы анонсировано в нынешнем году, но вы, наверное, слышали, что сейчас имеются технические проблемы с вводом в строй. Реально, так сказать, на физику уж точно, это давно было понятно, что физика на нём начнется в лучшем случае в будущем году, в первой половине будущего года. Ну, и где-нибудь к лету, в оптимистическом варианте, появится первый физический результат, а может быть, и первое открытие, если природа к нам благосклонна.

Значит, это ясно — что это новая область энергии. Но как относиться к этим ТэВам? К этим ТэВам надо относиться немножечко с аккуратностью. Почему? Потому что протоны — это не элементарные частицы, протоны сами состоят из кирпичиков, эти кирпичики — вы, наверное, слышали слово — «кварки». А на самом деле есть еще и другие частицы, которые тоже присутствуют в протоне, — это глюоны, это частицы, в каком-то смысле похожие на фотон, но они все живут в протонах, нейтронах и других частицах составных. Поэтому энергия столкновения протона — это не показатель, в общем-то, а показатель — это энергия столкновения кварка, элементарной составляющей протона, — кварков между собой и глюонов.

Примерно на каждый кварк приходится, ну, так, в среднем, одна шестая энергии. Ну, иногда бывает, что кварк несет больше энергии, у него энергия может быть разная внутри протона — ну и, грубо говоря, для оценки, энергии вот таких элементарных столкновений, составляет около 3 ТэВ. Значит, из 14 ТэВ при столкновении типично происходит столкновение с энергией — между кварками, или кварком с глюоном, или двумя глюонами — типично происходит столкновение с энергией один, два, ну, три ТэВа. На Тэватроне это, соответственно, около 400 ГэВ — максимальная энергия столкновения. Понятно, что речь, конечно, должна идти о столкновениях элементарных составляющих. Если вы возьмете кирпич — так сказать, стукнете кирпичом по кирпичу, то, вообще-то, кирпич будет иметь большую энергию, чем протон вот этот вот, 7 ТэВ. Но ничего вы, конечно, о физике элементарных частиц при этом не узнаете, потому что столкновения элементарных составляющих кирпича — они, конечно, будут иметь маленькие энергии. Важно, какие энергии в элементарном акте столкновения имеются.

Ну вот, наверное, вы подобные картинки видели, так или иначе. Это машина кольцевая. На самом деле это целый комплекс ускорителей: тут есть разные ускорители поменьше, основной ускоритель и накопитель — это вот это кольцо, где большущее... где протоны ускоряются, одни летят в одну сторону, другие — в другую и держатся там. Важно еще и удержать их достаточно долгое время, потому что столкновения между отдельными протонами в пучке происходят не так уж чтобы совсем часто. Значит, они в течение долгого времени удерживаются в пучке, впрыскиваются вот из всей этой системы, удерживаются в кольце. И есть несколько подземных залов, где расположены детекторы. Собственно, там, в этих точках, в этих местах протоны и сталкиваются, и в этих детекторах появляются следы от тех частиц, которые при этом образуются, которые при этом разлетаются в разные стороны.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вы задавайте мне вопросы, пожалуйста. Физика — наука не самая простая, если что непонятно — так вы задайте вопрос. Может, и другим будет, как говорится, понятнее и интереснее.

Пожалуйста.

Вопрос. А что в итоге даст этот коллайдер?

В. А. Рубаков. Вот сейчас об этом пойдет речь.

Значит... Пожалуйста. Громче только.

Вопрос. Было сказано, что глюоны и, соответственно, кварки — частицы элементарные. Только на энергиях этого порядка или вообще?

В. А. Рубаков. Значит, сейчас скажу. Кварки и глюоны. Ну, мы сейчас до этого дойдем, давайте, я чуть-чуть отложу ответ на этот вопрос, потому что мы сейчас к этому придем.

Прежде чем отвечать на этот вопрос и на похожие. Значит, у каждой частицы — почти — есть своя античастица. Антипротон — это частица. Значит, у протона заряд «плюс», да, ядро атома водорода +1, а у антипротона заряд –1. Масса в точности одинакова, а частица-античастица — они замечательны тем, что они между собой могут аннигилировать, они могут, когда встречаются друг с дружкой, превратиться, например, в фотоны, в свет. Ну, в кванты света. У большинства частиц есть такие античастицы. Вы слышали, наверное, слово «позитрон» — это положительно заряженный электрон, античастица для электрона, тоже такой существует. И для большинства частиц имеются свои античастицы. Характерно то, что, скажем, позитрон с электроном могут проаннигилировать в два или три фотона, а антипротон, скажем, с электроном проаннигилировать уже не могут. Это две разные, как бы, ипостаси, две разные сущности. А протон... Антипротон — это «двойник» протона.

Значит, теперь понятно... Вопрос есть. Да, пожалуйста.

Вопрос. Могут ли частицы и античастицы аннигилировать друг в друга?

В. А. Рубаков. Могут. Например, электрон с позитроном, если у них достаточно большая энергия, могут проаннигилировать в мюон-антимюон — есть такие частицы, более тяжелые. То есть превращения могут быть в разные частицы, важно, что полный заряд, все заряды, все квантовые числа у конечного состояния, в результате аннигиляции получающегося, должны быть нулевыми. Они должны быть все нейтральны, эти частицы, куда могут проаннигилировать частицы-античастицы, суммарно нейтральны.

Почему важно иметь высокие энергии, почему физики стремятся получить ускорители со всё более и более высокими энергиями? Ответ на этот вопрос двоякий — ну, это, на самом деле, два резона, но оба эти резона связаны друг с дружкой очень тесно, поэтому ответ на самом деле — один и тот же.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, во-первых, есть такая формула: E = mc2, которая говорит вам о том, что если у вас имеется частица с массой m, то у нее есть обязательно энергия покоя E, ее энергия не может быть меньше, чем эта энергия E, которая равна mc2. Это минимальная энергия у этой частицы; если она к тому же еще движется — значит, энергия еще больше. Значит, вот для протона — как относиться к ТэВам — для протона эта энергия покоя равна 1 ГэВу примерно, 938 МэВ. Значит, 1 ГэВ, Гигаэлектронвольт. ТэВ — это в тысячу раз больше. Наиболее тяжелая частица,как раз на Тэватроне открыта, — это t-кварк (я немножко поговорю о том, какие бывают кварки, чуть позже). У него энергия покоя — 172 ГэВа. Значит, вот Тэватрон способен — в небольшом количестве, но способен — образовывать, рождать при столкновении протона-антипротона вот такие тяжелые частицы. Дальше я буду c в формулах опускать, и энергия поэтому и масса для меня будет одно и то же. Массу я буду измерять в единицах энергии, энергии покоя.

И поэтому, если хотите изучать тяжелые частицы, хотите их образовывать, рождать новые тяжелые частицы, то вам нужна большая энергия. Вот на Тэватроне сильно дальше 170 ГэВ не пройдешь. Если есть в природе новые тяжелые частицы неизвестные — а, как мы видим, есть достаточно большие основания думать, что таковые имеются, — то для того, чтобы их образовывать, для того, чтобы они рождались, вам нужна энергия, достаточная, чтобы образовывать... как правило, они рождаются парами, а то и больше... значит, вам нужна энергия, в единичном акте столкновения, заметно больше, чем масса этой частицы, mc2, чем энергия покоя этой частицы. Это первый ответ на вопрос.

Второй ответ на вопрос, зачем нужны энергии, приходит из квантовой механики. Это вы, может быть, и не очень знаете, но в квантовой механике есть такое соотношение (и более-менее понятное соотношение), что если вы хотите измерять что-то на расстояниях Δх, то вам нужны импульсы (Δр здесь написано), обратно пропорциональные этим расстояниям. Дело в том, что все частицы в квантовой механики — это, на самом деле, волны, и те частицы, которые пробуют... ну, как фотон — он одновременно и частица, и волна. Если вы хотите под микроскопом что-то разглядывать, то вам нужно, чтобы длина волны вашего света была меньше, чем размер тех объектов, которые вы разглядываете. С большой длиной волны вы никогда не увидите маленький предмет: через него волна будет проходить, практически его не будет замечать. То же самое — это общая ситуация, — то же самое происходит в физике частиц. Так что если вы хотите изучать физику на маленьких расстояния, то вам нужна большая энергия: большой импульс, и, соответственно, большая энергия. Частицы ультра-релятивистские, значит, у них импульс и энергия одинаковые.

Значит, если вы хотите изучать физику на сверхмалых расстояниях, как устроена природа на самом фундаментальном уровне, на совсем маленьких расстояниях, то вам надо иметь энергии, ну, обратно пропорциональные этому расстоянию. h здесь — это постоянная Планка, но это не суть важно; важно, что современные расстояния, до которых можно добраться и изучать физику на этих расстояниях — как взаимодействуют частицы на таких маленьких расстояниях, — сегодня эта величина примерно 10–16 см. Опять же, с чем сравнивать? С размером протона. У протона размер 10–13 см, значит, в 1000 раз меньше. Ну, грубо говоря, в соответствии с тем, что у вас сегодня имеются энергии в 1000 раз больше, чем энергия покоя протона. Значит, вот такие расстояния, до которых сегодня добрались в физике, и если вы повышаете энергию почти на порядок, то вы надеетесь изучить природу на расстояниях на порядок меньше.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Ну, вот то, что я хотел бы в этой своей лекции подчеркнуть — это то, что сейчас очень интересный момент, и перед физикой элементарных частиц, вообще фундаментальной физикой, встали вопросы совершенно новые по сравнению с теми вопросами, на которые физика отвечала и эксперименты отвечали до сих пор. И в большой степени благодаря вот этому Большому адронному коллайдеру (LHC — это его аббревиатура; Large Hadron Collider — это аббревиатура Большого адронного коллайдера). Так вот, благодаря этому Большому адронному коллайдеру мы все надеемся, что мы будем понимать природу совершенно по-другому; ну, не по-другому — гораздо лучше, гораздо глубже в ближайшие годы.

Что мы сегодня знаем про физику элементарных частиц? На самом деле, мы знаем... имеем некую картину, конечно, формулы никакие я здесь писать вам не буду, но картина довольно простая в конце концов получается. Ее называют Стандартной моделью физики частиц, этот термин, который... вообще-то, надо было назвать ее «теорией элементарных частиц», или что-нибудь в таком духе, но это, значит, терминология. Стандартная модель физики частиц — когда-то она была моделью, сейчас это хорошо проверенная теория, и в ней имеется довольно простая конструкция. Значит, есть, ну, как вы знаете, есть атомы, есть ядра, в ядрах имеются протоны и нейтроны, а вот эти самые протоны и нейтроны состоят как раз из кварков — вот они тут обозначены, три штуки есть в протоне, — и они связаны между собой глюонами — частицами, похожими на протон.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Есть всего 6 типов кварков, которые так вот группируются в двоечки по некоторым причинам. 6 типов кварков, они имеют свои названия, некоторые довольно-таки интересные названия: например, c — это очарованный кварк (charm), а s — это странный кварк. Ну вот, b и t — к ним как-то особенно не прижились названия красивые, их так и называют: t- и b-кварки. Значит, вот есть три типа частиц, они отличаются своими массами. Вообще-то они очень похожи. Например, вот этот u-кварк, который входит в состав протона (их там два, и один d-кварк), это вот те кварки, из которых состоят обычные протоны, нейтроны, π-мезоны, известные вам частицы. А это их партнеры; значит, c-кварк — он по своим свойствам очень похож на u-кварк, и t-кварк тоже, а нижние, соответственно, на d-кварк. «Upper» и «down», да, u и d — это «upper» и «down».

Так вот, есть такая, так сказать, «трипликация», что ли — утроение семейств кварков, и точно такое же утроение семейств, как говорят, лептонов. Кварки сильно взаимодействуют между собой, они объединяются в частицы типа протона, а лептоны — это слабо взаимодействующие частицы по сравнению с кварками. Ну вот известный всем электрон и нейтрино есть электронное, это его партнер. Тоже они вот в парочки такие объединяются, различающиеся по заряду. Нейтрино электрически нейтрально. И, соответственно, еще два типа лептонов: мюон и τ-лептон. И, соответственно, их нейтрино. Вот те семейства частиц, которые похожи на электрон, а есть семейства частиц — ну, есть античастицы, как я уже говорил — есть, конечно, античастицы ко всем к ним — позитрон, антинейтрино, антикварк... А плюс к тому, есть еще частицы, которые похожи на фотон. Вот вы знаете про электрон, знаете про фотон — это квант света. Частицы, похожие на фотон — это, как я уже упоминал, глюоны, которые обеспечивают взаимодействие между кварками; фотоны обеспечивают электромагнитные взаимодействия — и между кварками, и между лептонами, теми, кто заряжен. Глюоны обеспечивают взаимодействие между кварками. Есть еще частицы, отвечающие за слабые взаимодействия: W- и Z-бозоны, они все открыты, эти частицы. Это было довольно крупное открытие, которое было сделано в ЦЕРНе в начале 80-х годов, в 82-83 году. Значит, это тяжелые частицы, похожие на фотон, но массивные, тяжелые. У W-бозона масса — 80 ГэВ, в 80 раз тяжелее, чем протон. У Z — 90.

И в Стандартную модель включается еще одна частица, тоже вы о ней, наверное, слышали — частица, которую называют «хиггсовский бозон». Ну, «бозон» — это, так сказать, для меня не очень важно, — это та частица, которая непременно должна быть открыта на ускорителях в ближайшем будущем. Зачем он нужен — первый вопрос. Хиггсовский бозон нужен. Дело вот в чем: это немножко сложный вопрос, но я постараюсь на него ответить так, чтоб хотя бы идея была понятна.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Задавайте, задавайте вопросы. Я готов отвечать в любой момент. Прерывайте, кричите с места, давайте.

Вопрос. Все ли кварки между собой сильно взаимодействуют?

В. А. Рубаков. Да, все кварки между собой взаимодействуют сильно.

Не только в паре, а...

— Нет-нет, они все взаимодействуют одинаково между собой, с точки зрения сильных взаимодействий они все взаимодействуют одинаково сильно.

Значит, в чем дело? Дело в том, что вообще-то Стандартная модель имеет много симметрий. Если на нее посмотреть повнимательнее, на то, как устроены взаимодействия в Стандартной модели, то там есть много симметрий, таких необычных симметрий, которые... — ну, таких симметрий, которые запрещают фотону иметь массу. Фотон — безмассовая частица, у него массы нет, он летает со скоростью света. Ну, тавтология в каком-то смысле, но важно, что его остановить нельзя никак. Значит, фотон — частица безмассовая, и за этим есть, на самом деле, глубокая симметрия, есть, так сказать, причина, по которой фотон не обладает массой. По такой же аналогичной причине все частицы Стандартной модели должны были бы быть без массы. Если посмотреть на то, как устроены взаимодействия в Стандартной модели, то все частицы — и электрон, и кварки, и тяжелые кварки (172 ГэВа топ-кварк весит), — все они должны были бы быть безмассовыми. И вот эти w- и z-бозоны, у которых масса — 80-90 ГэВ — они тоже должны были бы быть безмассовыми. Но все они, конечно, имеют массу, мы с вами прекрасно знаем. Мы не летаем с вами со скоростью света, мы все состоим из массивных частиц, слава богу. Значит, в чем дело? Дело в том, что эта симметрия не должна работать по-простому, она должна быть нарушена, как говорят. На самом деле, с нарушением симметрии вы сталкивались, конечно.

Вот представьте себе, что у вас есть магнит, обычная железяка намагниченная. Это система с нарушением симметрии. Какой? Очень просто: у вас есть магнитное поле в этой железяке, это магнитное поле — это вектор, который куда-то направлен; в хорошем магните он направлен везде, в каждом месте в одну сторону, так. И это нарушает симметрию. Какую? Симметрию вращения пространства. У нас с вами в пространстве есть симметрия относительно вращения, вы, наверное, знаете, что с ней связано сохранение углового момента и так далее. Есть симметрия относительно вращения: у вас нету... в каком направлении ни посмотри, пространство везде одинаковое. Но если вы забрались бы в железяку эту, в магнит, то вы бы эту симметрию не увидели по-простому, потому что у вас есть вектор в этом магните, выделенный, направленный в какую-то определенную сторону. Он может в этой железяке в принципе быть направлен в самые разные стороны. В хорошем, опять-таки, образце вы можете заставить его, приложив магнитное поле, перенаправить его. Но если вы это магнитное поле уберете, у вас всё равно будет выделенный вектор; в эту ли сторону или в эту — это всё равно, из-за того, что в пространстве выделенных направлений никаких нету, этому вектору всё равно, куда смотреть, но куда-то он смотрит. Куда-то магнитное поле направлено в этой железяке. Значит, это типичная ситуация с нарушением симметрии, когда у вас вообще-то в пространстве, симметрия пространственных вращений — она есть в природе, но, как говорят, основное состояние, наиболее выгодное энергетически состояние устроено так, что эта симметрия нарушена, что этой симметрии вы явно не наблюдаете.

Вот точно такая же ситуация — ну, здесь не выделенный вектор, а, так сказать, пространственная симметрия не нарушается никак, но симметрии Стандартной модели, по-видимому — по-видимому, потому что это еще вопрос, который, как говорится, предстоит узнать. Поэтому, по-видимому, они нарушены примерно таким же способом. То есть у вас эта симметрия не явным образом присутствует в Природе. И вот поле Хиггса, а точнее, Браута (Robert Brout), Энглера (François Englert) и Хиггса (Peter Higgs), — это люди, которые независимо (и Браут, и Энглер даже немножко раньше, чем Хиггс) предложили способ, механизм теоретический, как симметрия может быть нарушена. Предполагается, что в нашем вакууме, в котором мы живем, наш вакуум имеет поле, в нём присутствует некое поле. Поле — это ну, такая, что ли, субстанция, которая похожа на электромагнитное поле, опять-таки, идеологически. И вот это поле и нарушает симметрию. Разлито в вакууме некое поле, некоторая такая субстанция своеобразная, которая и нарушает симметрию. Да, давайте.

Вопрос. У этого поля масса есть?

В. А. Рубаков. У этого поля масса есть, и вот хиггсовский бозон — это как раз квант этого поля. Для того чтобы нарушить симметрию, нужно специальное поле вводить в теорию, а квантом этого поля как раз и служит новая частица. Как у электромагнитного поля есть квант — фотон, так и у поля, вот этого, Браута, Энглера и Хиггса есть частица, квант этого поля — хиггсовский бозон. Он нужен... Да?

Вопрос. Что такое «квант поля»?

В. А. Рубаков. Квант поля — это вы когда-нибудь будете изучать, но по-простому говоря... Вот электромагнитное поле у вас есть, да, электрическое есть поле, есть магнитное поле, есть волны электромагнитные — это всё проявления электромагнитного поля. Теперь, выясняется, что в квантовой физике каждому полю соответствует частица. Вот если у вас есть электромагнитное поле, то, если вы будете изучать его структуру, если хотите, то увидите, что это поле состоит как бы — так немножечко условно, квантовая физика не очень поддается наглядному описанию, — но тем не менее, это поле как бы состоит, что ли, из этих вот квантов, и фотон — это как раз и есть квант этого поля. Ну, вот — максимум, что я могу ответить. Да?

Вопрос. А Стандартная модель не запрещает иметь именно полям массу?

В. А. Рубаков. Ну, полям и частицам — это одно и то же. Стандартная модель запрещает, если не вводить вот такого механизма нарушения симметрии, то все поля, все частицы будут безмассовыми.

А вот тогда как же объяснить то, что эта частица, она разрешает эту проблему, но при этом сама противоречит себе, так как имеет массу?

В. А. Рубаков. Нет, она ничему не противоречит, точно таким же путем, как она дает массы... ну, как это поле, разлитое всюду... Ну, образ такой: хиггсовское поле, которое разлито всюду, — это как бы океан, так? А хиггсовский бозон — это волна в этом океане. Это, на самом деле, более-менее правильный образ: хиггсовский бозон — это волна вот в таком вот океане. Пока этих волн вы не чувствуете, этот океан для вас... ну, вы не видите, что в этом океане могут быть волны. Но если вы эту волну возбудили, то вы узнали, что у вас есть океан, что у вас есть... полно воды, что вы в море находитесь, в океане.

Вопрос. Какая связь этого поля с гравитационным?

В. А. Рубаков. С гравитационным — никакая... Ну, какая? ... Обычная, так сказать. Всё весит, всё имеет энергию, гравитационное поле взаимодействует с энергией в любой форме. Поэтому никакой специальной связи нету, ничего особенного по отношению к гравитационным взаимодействием нету. Наверное. «Наверное», опять-таки, потому что мы этого, строго говоря, ничего не знаем.

Значит, ну, вот что-то вроде хиггсовского бозона действительно обязательно должно быть в природе, и если не найдут на этом ускорителе, LHC, Большом адроном коллайдере — может быть его, кстати, найдут на Тэватроне, раньше, чем на Большом адронном коллайдере. Сейчас идет гонка между двумя вот этими машинами, но если ни на одной из них хиггсовского бозона не найдут, то это будет, ну, для теоретиков, шоком. Потому что невозможно себе представить, как получаются массы без механизма нарушения симметрии, без чего-то, что было бы похоже на бозон Хиггса. Почему «чего-то» — потому что есть на самом деле альтернативные варианты, не обязательно буквально простейшие схемы, которые предложили Энглер, Браут и Хиггс, есть, так сказать, более сложные схемы. Но, тем не менее, все они связаны с существованием новой частицы со свойствами, похожими на свойства хиггсовского бозона.

Значит, надо будет тогда, если его не найдут, тут, я думаю, так сказать, ученые должны будут — если честные ученые — признаться в профессиональной несостоятельности, уйти в дворники.

Вопрос. Почему фотон массы не имеет?

В. А. Рубаков. Почему фотон? Ну, вот я попытался сказать, что за этим стоит некая симметрия, но более подробно мне трудно сказать, это потребовало бы некоторой, так сказать, довольно профессиональной, что ли, профессионального разговора.

Хорошо. Значит, так что... Да?

Вопрос. Извините, вот вы сказали, что это будет теоретическим шоком, но ведь существует достаточно много теорий, которые имеют достаточные обоснования, и на данный момент, как минимум, содержащихся в Стандартной модели. Почему вы считаете, что именно эта теория должна подтвердиться? Почему вы не даете права другим теориям?

В. А. Рубаков. Нет. Каким другим теориям? Стандартную модель мы знаем, она подтверждена прекрасно, тут, как говорится, других теорий в той области энергий, которую мы сегодня прошли, других теорий просто нет, это правильная теория.

Нет, ну а как же, там, теория суперструн?

— Теория суперструн — это не другая теория. Она должна в себя включать в том или ином виде, сводиться при низких энергиях к Стандартной модели. Она не должна противоречить Стандартной модели, она как бы обобщает ее, или пытается обобщить Стандартную модель, предсказать, что происходит при более высоких энергиях. То есть, Стандартную модель трогать, ну, так же, как закон Ньютона, да? Там, первый-второй закон Ньютона — они, конечно, неправильные. Все знают, что они неправильные, а правильные законы — это законы теории относительности специальной. Поэтому, там, тому, что вас учат в школе «законы Ньютона» — они неправильные. Но надо понимать, что они правильные — они работают — в области своей применимости, когда скорости, например, частиц или, там, тел много меньше скорости света. Тогда всё, отлично, законы Ньютона работают, и расширение Ньютоновской механики обязательно должно было происходить так (это так и случилось), что в правильном пределе, пределе, когда скорости малы по сравнению со скоростью света, ньютоновская механика восстанавливается. То же самое и здесь: в пределе энергий сравнительно низких, вот тех, до которых мы добрались, должна обязательно восстанавливаться из любой теории Стандартная модель. А уже внутри самой Стандартной модели видно, что вы ничего не сможете сделать с массами, если не будете вводить что-то вроде хиггсовского механизма.

Вопрос. Извините, пожалуйста. Если мы вообще не находим Хиггс, то можно ли говорить, что он просто может быть тяжелее?

В. А. Рубаков. Кто может быть тяжелее? Хиггс? Нет, он должен быть сравнительно легкий, он должен быть в пределах досягаемости. В этом вся, как говорится, интрига, что Хиггс нельзя сделать тяжелее, у него масса должна быть сравнима с массой тех частиц, которые мы знаем, которые получили массу за счет хиггсовского механизма. То есть, 172 ГэВ — это наиболее тяжелые частицы, ну, у Хиггса может быть 300 ГэВ, ну, 400 ГэВ. Но не сильно больше.

Вопрос. Но если мы сравним с лептонами — переносчики, те же самые W, во много раз тяжелее. Почему здесь не может быть во много раз тяжелее?

В. А. Рубаков. Не может быть. Это теоретически невозможно, это, как говорится, противоречит... Значит, так. Есть железные, как говорится, аргументы теоретические, говорящие о том, что он тяжелее 800 ГэВ быть не может точно, это, как говорится, железный совершенно аргумент на эту тему имеется. Менее железные — 400, а, так сказать, совсем не железные — 200.

Вопрос. Есть ли гипотезы, объясняющие нарушение симметрии и не использующие бозон Хиггса?

В. А. Рубаков. Есть. Но... Есть, конечно; так сказать, ученые — народ... теоретики — народ изобретательный, они не останавливаются на одном-единственном объяснении возможном, ищут альтернативы. Но, значит, все они так или иначе приводят к существованию новых частиц похожих — не буквально совпадающих по своим свойствам, но похожих на бозон Хиггса. Похожих иногда в довольно широком смысле, но всё равно это частицы с массами ниже, чем ТэВ, и всё равно это частицы, у которых свойства достаточно близкие к свойствам бозона Хиггса. Так что не обязательно сам хиггсовский бозон будет открыт в таком его простом варианте, но что-то аналогичное должно существовать в природе обязательно.

Ладно, поедем дальше.

Значит, ну вот для меня важно, чтобы вы себе представляли, какие есть в природе, в фундаментальной физике масштабы, которые сейчас кажутся фундаментальными. Масштабы длин и, соответственно, энергий.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вопрос. Можно вопрос?

В. А. Рубаков. Да. Я не вижу, где.

Вопрос. Вот поле вызывает нарушение симметрии. Но, насколько я знаю, оно вроде как скалярное.

В. А. Рубаков. Точно. Это не симметрия относительно пространственных вращений или что-то такое.

Хорошо. Но чтобы было что-то интересное, оно, наверное, должно быть анизотропно?

В. А. Рубаков. Нет. Нет-нет, нет. Анизотропно — это мы бы с вами жили тогда в анизотропном мире, в мире, где было бы...

Вопрос. (неразборчиво) Если оно не анизотропно, то как оно...

В. А. Рубаков. Нет, оно нарушает внутренние симметрии так называемые. Это не симметрии, известные нам, известные вам (это симметрии, там, относительно сдвигов пространства, сдвигов во времени или вращений в пространстве). Есть так называемая внутренняя симметрия — симметрия, которая не имеет отношения к симметриям пространства. В физике частиц таких симметрий полно, и в частности, вот, безмассовость фотона — это проявление одной из таких симметрий. И вот хиггсовское поле — оно по отношению к внутренним симметриям не скалярно, как вы говорили. Оно знает, чувствует и преобразуется при этих внутренних симметриях. Так же, как вот вектор при преобразованиях вращений поворачивается, так же и хиггсовское поле поворачивается, но не в нашем пространстве, а как бы во внутреннем пространстве. И вот эту внутреннюю симметрию оно и нарушает.

Спасибо.

— OK.

Ладно, значит, масштабы. Есть фундаментальный масштаб, который относится к сильным взаимодействиям: это примерно 10–13 см, размер протона или масштаб ядерных сил, если хотите, и соответствующая энергия — это энергия примерно ГэВ. Второй масштаб — масштаб электрослабых взаимодействий. Электромагнитные слабые взаимодействия на самом деле представляют из себя некоторое единое взаимодействие, но вот как раз благодаря этому самому нарушению симметрии мы этого не очень-то видим. Слабые взаимодействия отвечают за явления типа бета-распада, за явления такие редкие и редко проявляющиеся — на то они и слабые взаимодействия.

Так вот, их масштаб больше по энергии, и с этим как раз и связана слабость взаимодействия: чем больше масштаб энергии, тем слабее взаимодействие. Такая есть, как говорится, ситуация. Их размер... размер меньше. Характерный размер для них — это размер как раз 10–16 см, тот самый размер, выше которого LНC старается пробиться, будет способен пробиться, и в этом самый интерес.

И, наконец, есть масштаб гравитационных взаимодействий. Нельзя сбрасывать со счетов и гравитацию. Это очень слабенькая сила. Ну, так сказать, на Земле кажется, что она сильная, но это из-за того, что Земля большая. Если вы посмотрите на взаимодействие протонов между собой, то электрические силы между ними — кулоновские взаимодействия — на многие-многие порядки сильнее, чем гравитационные. Гравитационные силы слабенькие.

И с этим связан тоже свой масштаб, безумно маленький масштаб длин. Никогда в жизни человечество до него не доберется на ускорителях. 10–33 см — это безумно маленькая величина. И, соответственно, энергии гигантские — 1019 ГэВ. Это сумасшедшая энергия, никогда в жизни ускоритель на такие энергии построен не будет.

Вопрос. (неразборчиво) А если на ускорителе не получится, то, может, получится (неразборчиво) космических частиц (неразборчиво)?

В. А. Рубаков. Нет, космические лучи тоже не помогают. Значит, это речь идет об энергии в системе центра масс. В системе центра масс космические лучи имеют на много порядков меньшую энергию. Ничего не поможет. Никогда мы в эту область не пробьемся. Это только, может быть, с помощью космологических данных. И то, вопрос большой.

Но, тем не менее, есть вот такая огромная разница в масштабах фундаментальных взаимодействий. Я хочу, чтоб вы это понимали. И это одно из очень странных явлений в природе, имеющихся. Ну, я хочу сказать, что Стандартная модель, о которой я говорил, она проверена экспериментально — прекрасно проверена на самом деле. Электродинамика проверена, уровень точности — 10–8–10–12. Лучше, чем одна миллиардная. Одна триллионная местами. И с этим надо считаться: когда вы пытаетесь придумать новую теорию, нельзя забывать, что старая проверена с высокой точностью. Мы знаем про электрослабый сектор, про электромагнитные слабые взаимодействия с несколько худшей точностью, если говорить об энергиях порядка сотни ГэВ. Там точность составляет 0,1% — тоже прекрасная точность, надо сказать. Сами понимаете, что такие точности — 0,1% — на уровне мира элементарных частиц — это дело серьезное.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Почему эта точность важная? Я вот что скажу: электродинамика проверена вот с такой высокой точностью, и это позволяет проверять квантовую теорию. Квантовая теория — вещь нетривиальная. В ней есть, помимо, так сказать, простых эффектов, есть так называемые «радиационные поправки». Это вот что такое. Значит, в вакууме, помимо вот этого хиггсовского поля гипотетического, обязательно присутствуют вообще-то все частицы, например, электроны и позитроны. Они образуются и уничтожаются. Опять-таки, по принципу неопределенности вы можете на короткое время создать парочку частиц — электрон с позитроном, — а потом они обратно аннигилируют. Это всё время происходит в вакууме. Кварк с антикварком тоже появляются-аннигилируют. Это всё время процессы, которые в вакууме идут, и наличие таких процессов — оно приводит... это процессы, невидимые глазу, но оно приводит к влиянию, к тому, что вакуум — такая его структура — влияет на наблюдаемые величины. Например, на уровне энергии в атоме водорода. Такая точность, в частности, достигается при измерениях — точных измерениях — уровня энергии в атоме водорода. Они знают про рождающиеся и уничтожающиеся в вакууме электрон-позитронные пары (в основном — электрон-позитронные пары вкладывают). Но не только: и кварки тоже вкладывают, меньше, но вкладывают. Поэтому, когда речь заходит о точности типа 0,001, это означает, что эксперимент чувствителен вот к этим радиационным эффектам — как говорят, радиационнымпоправкам, — к эффектам, которые существенно квантовые и эффекты, которые проистекают в этом вакууме.

На этой основе, еще до того, как реальная части... топ-кварк (например), t-кварк, был обнаружен, была предсказана его масса. Как? Кварки тоже рождаются и уничтожаются в этом вакууме, и они влияют на свойства других частиц, например W- и Z-бозонов. И измерение — точное измерение — свойств известных частиц привело к предсказанию массы этого t-кварка, и предсказание было вот такое: 170–180 ГэВ. Реально — 172. Так что теоретики — они тоже не зря свой хлеб едят, они умеют предсказывать — на основании квантовой теории — предсказывать разные вещи. В частности, такое вот было сделано предсказание. Да?

Вопрос. Извините, я слышал, что с помощью коллайдера хотят доказать теорию большого взрыва?

В. А. Рубаков. Ну, давайте мы такие вопросы оставим под конец — общего характера. Давайте вопросы будем задавать...

Вопрос. Можно еще вопрос? Вообще как они возникают, кварки? Ну, вообще частицы: вы говорите, они возникают, получаются из ничего?

В. А. Рубаков. В вакууме? Да, это не запрещено, не запрещено возникнуть на короткое время паре частиц, а всё, что не запрещено — всё происходит. А причин никаких нет. Не запрещено — значит, происходит. Вот и все причины.

Вопрос. А если не найдут бозон Хиггса, имеет ли смысл и может ли человечество сейчас построить более мощный ускоритель?

В. А. Рубаков. Если не найдут бозон Хиггса, то я боюсь, что человечеству очень трудно будет объяснить, зачем нужен новый ускоритель. Потому что, так сказать, если у вас ничего нету, кроме известных частиц, то объяснить, зачем вам нужно больше энергии иметь, где опять ничего не будет обнаружено, будет чрезвычайно сложно. Ну, есть шанс, что ничего не будет обнаружено... Будет, конечно, очень сложно объяснить, так сказать, людям, и физикам в первую голову — самим себе, потому что ожидание-то связано как раз именно с этой вот областью энергии, которая будет изучена с помощью Большого адронного коллайдера.

Хорошо. Значит, несмотря на то, что...

Вопрос. Простите, пожалуйста, вот такой вопрос. Если в вакууме пара частиц возникает как бы из ничего на короткое время, значит, получается нарушение законов сохранения на короткое время?

В. А. Рубаков. На короткое время, да. И это связано ровно с тем соотношением неопределенности, оно работает и для импульса, и координат, как у меня там было написано, а есть еще отношение определенностей для энергии и времени. Она должна быть порядка вот этой самой постоянной Планка. На короткое время вы можете иметь энергию, отличающуюся от средней энергии обычной, поэтому на короткое время — да, может появиться некая энергия.

Несмотря на то, что Стандартная модель вот так хорошо проверена, есть очень серьезные соображения, которые говорят о том, что Стандартная модель на самом деле неполная. Что должна быть совершенно новая физика, не та, которая была показана на этой прозрачке, на этом экранчике, где был показан состав частиц Стандартной модели. Должна быть новая физика, новые частицы.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, на самом деле, мы знаем, что Стандартная модель неполна. Это немножечко уводит в сторону от разговора, но это самое крупное открытие за последние годы в физике элементарных частиц. Поэтому я решил о нём упомянуть. Оно не имеет, кажется, пока прямого отношения к тому, что будет происходить на LHC, но тем не менее, это действительно крупнейшее открытие, и я о нём скажу. Это открытие, которое приводит к представлению о том, что да, Стандартная модель должна быть расширена, что это не вся правда.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Это вот что такое: это осцилляция нейтрино, взаимопревращение. Значит, например, Солнце... Вы помните, что есть нейтрино трех разных типов: есть три лептона — электрон, мюон и тау-лептон, — и, соответственно, три нейтрино — электронный, мюонный и тау-нейтрино. Разных трех типов. Так вот, в Солнце, в термоядерных реакциях, образуется электронный нейтрино. А прилетают они на Землю как нейтрино других типов: мюонный и тау. Нейтрино превращаются друг в дружку. Или в атмосфере, за счет взаимодействия космических лучей с атмосферой, рождаются мюонные нейтрино. А прилетают они в детектор... Нейтрино очень слабо взаимодействуют, они пролетают сквозь всю Землю, не взаимодействуя, и изредка всё-таки детектируются в детекторах. Значит, они прилетают в детектор как тау-нейтрино — тоже есть превращение. Значит, нейтрино — это, на самом деле, много работало экспериментов, большие коллаборации, сотрудничества разных ученых из разных стран. Значит, это подтверждено: подтверждено наземными экспериментами, ускорительными и реакторными экспериментами, где тоже рождаются нейтрино, в ядерном реакторе тоже рождаются нейтрино. И тот факт, что действительно происходят вот такие взаимные превращения нейтрино одного типа в другие — это экспериментально установленный факт сегодня. Это совсем недавно было сделано — ну, недавно по меркам физики частиц, порядка ну, скажем так, 10 лет, как считать. Ну, масштаб такой. И такое явление в рамках Стандартной модели невозможно описать. Стандартная модель, даже с хиггсовским механизмом, запрещает нейтрино иметь массу. Так что в Стандартной модели есть непорядок, и этот непорядок, в частности, связан с тем, что нейтрино почему-то превращаются друг в дружку, хотя Стандартная модель им это делать запрещает. Ну, я здесь некоторые законы сохранения, которые запрещают это делать, к Стандартной модели причислил, ну, неважно.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, теперь еще одно свидетельство неполноты Стандартной модели пришло из космологии: темная материя. Значит, в космологии требуется, без этого деваться, уйти никуда невозможно, требуется, чтобы существовали новые частицы: стабильные, массивные и электрически нейтральные. Таких в Стандартной модели нету. Стабильные, массивные (тяжелые) и электрически нейтральные.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Откуда это известно? Известно из самых разных соображений. Ну, вот если суммировать все эти соображения, то выясняется, что картинка, из чего состоит энергия в нашей Вселенной, — она оказалась очень странной. Это тоже сравнительно недавнее открытие, такая устаканившаяся картинка появилась, может быть, ну, лет, скажем, 7 назад. Но вот такая картинка.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Да, пожалуйста.

Вопрос. Подходит ли бозон Хиггса под определение... ну, похож ли он на частицу, из которых теоретически должна состоять темная материя?

В. А. Рубаков. Нет. Нет, бозон Хиггса нестабильный. Темная материя должна состоять из частиц, которые не распадаются. Бозон Хиггса в любом варианте, любой его аналог — это частица, очень быстро распадающаяся. Поэтому он на темную материю не подходит. Если у меня будет время, если мы доберемся, то я немножечко поговорю о том, какие частицы могут быть в темной материи.

Так вот, вся энергия во Вселенной — она устроена так, что 70–75% ее — это вообще очень странная субстанция, «темная энергия» ее называют, однородно разлитая по всему пространству странная очень субстанция, которой по-настоящему никто не понимает, и тут вообще простор для гипотез (но не о ней сегодня речь). Значит, 20–25% по энергии сегодня составляет темная материя эта самая. А остальное — известные частицы. Значит, мы не знаем примерно 95% энергетического баланса, примерно 95% энергии, из чего, собственно говоря, сделаны во Вселенной современной. Обычное вещество составляет около 5%, нейтрино — не больше, чем 1% (на самом деле, наверное, меньше), а вот звезды, которые мы с вами видим — конечно, они из обычного вещества состоят, они вообще составляют 0,5%. Видимое вещество — это 0,5% всей энергии во Вселенной.

Вопрос. Как это согласуется темная энергия с искривлением пространственных линий по соотношению mc2?

В. А. Рубаков. mc2 тут ни при чем, в общей теории относительности гравитирует не масса — гравитирует энергия и, на самом деле, давление.

Ну а как же? Вот тут я с вами не согласен...

В. А. Рубаков. Не, давайте не будем споры заводить, а?

Вопрос. Тогда следующий вопрос, парадоксальный вопрос. Если темная материя, как вы говорите, встречается с обычной материей, то должно получаться нуль.

В. А. Рубаков. Нет. Темная материя состоит из новых частиц, мы не знаем пока, каких, но эти частицы с нашими частицами не должны аннигилировать.

А как же так тогда выходит? ... противоположные частицы, например...

— Они не противоположны, это не античастицы. Темная материя — это не античастицы.

Тогда какой энергией должна определяться вот эта самая темная материя?

— Это массы частиц, из которых...

Но масса уже характеризуется...

— Ну ладно, давайте мы поговорим после лекции...

Хорошо, согласен.

— Протон, встречаясь с электроном, не аннигилирует. Точно так же и темная материя с нашей тоже не аннигилирует.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, на самом деле, темную материю видно, в определенном смысле. Видно ее, конечно, не саму, а видно гравитационные силы, измеряются, можно измерить, которые она создает. Эти гравитационные силы проявляются самым разным образом в галактиках, в скоплениях галактик. Например, вот такая картинка. Это гравитационная линза.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вот эти вот светящиеся точки — это обычные галактики. Это большое скопление, такое богатое скопление галактик. А вот эти синенькие штришочки вот тут, вон их тут много — это образы одной и той же галактики, которые расположены за этим скоплением. Значит, гравитационное поле искривляет, — в том числе и световые лучи, оно на всех действуют, в том числе и на свет, — искривляет световые лучи, и вот это вот скопление действует как линза. Линза не идеальная, изображение многократное. Но, по существу, эта ситуация очень похожа на линзы в оптике, только вместо вещества тут линзирование создается гравитационными силами. И так же, как для обычной линзы вы можете узнать распределение, как она сделана, глядя на изображение, так же и здесь вы можете понять распределение массы внутри этого скопления. Правильно? Потому что гравитирует масса в данном случае, в случае такого комка, что ли, вещества гравитирует масса, и восстановленное таким образом распределение масс изображено вот здесь.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, это вот голубое — это темная материя, на самом деле, это масса темной материи, она распределена гораздо более равномерно, чем галактики вот эти светящиеся, и по массе она заметно больше, чем масса обычного вещества, в частности, вот в этом скоплении. Гравитационные эффекты от этой самой темной материи видны. Видны они и, например, в галактиках. В галактиках совсем простая ситуация: вы измеряете скорости на периферии галактик либо звезд (их всё-таки на периферии мало, но они есть), либо облака газа там есть. Вы можете измерить скорости по красному смещению, по эффекту Доплера, можете измерить скорости того, что вокруг этой галактики летает, и тем самым, используя прямо ньютоновский закон всемирного тяготения, узнать распределение массы в этой галактике. Кстати, в нашей галактике — точно такая же история.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, что вы ожидаете? Вы ожидаете, что если у вас есть центральное массивное тело, вот эта галактика, и в ней сосредоточена вся масса, то вы ожидаете, что, конечно, при удалении — можно написать формулу, сами можете это сделать, — при удалении от галактики у вас скорости должны падать как единица на корень из расстояния. А наблюдательно происходит всё наоборот: иногда они постоянными держатся, иногда потихонечку растут даже, иногда чуть-чуть спадают, но очень слабо. Причем, смотрите: если это расстояние, измеренное, там, в некоторых единицах — в килопарсеках, — если вот здесь вот центральная часть, она сравнительно маленькая, то темная часть. — здесь никаких звезд нету, — эта темная часть тянется на далекие-далекие расстояния.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вот я вам тут задачку приготовил. Кому интересно — вот вам задача. Простая задача, но ответ у нее, конечно, замечательный. Значит, если вы посмотрели вот на эту картинку, которую я вам продемонстрировал, — значит, скорости держатся почти постоянными. Поэтому вы можете, используя этот экспериментальный факт, найти, как распределена темная материя, как ее плотность изменяется с расстоянием до центра. А кроме того, если вы еще скажете, что кривые вращении эти плоские, т. е. скорости не меняются в зависимости от расстояния, вплоть до расстояний в 10 раз больше, чем размер центральной части, и скажете, что в центральной части темной материи и обычной материи поровну, то вы сможете узнать — а это всё действительно так и есть — то вы сможете узнать, сколько же темной материи в галактике по отношению к обычному веществу. Во сколько раз ее больше. Ее, действительно, заметно больше в галактиках типа нашей, а еще хлеще — в маленьких галактиках темной материи заметно больше, чем той материи, которая... ну, обычной материи, обычного вещества. «Заметно» — это значит, по крайней мере, в 5–7 раз. А для маленьких галактик — еще и больше того.

Значит, что это такое, что за темная материя? Надо новые частицы. Почему новые? Потому что нужны частицы стабильные и нейтральные электрически, потому что иначе они были бы светящимися. Так же, как обычное вещество светится, так же и частицы темной материи — они бы вступали во взаимодействие с обычным веществом, и мы бы это давным-давно уже заметили. Мы бы их уже нашли. Значит, они должны быть нейтральными. В Стандартной модели такого нету, нейтральные стабильные частицы — это нейтрино, но нейтрино очень легкие, они на роль темной материи не подходят. А все остальные либо заряженные (электрон, протон), либо нестабильные. Ну, фотон, конечно, тоже не подходит на роль темной материи: он тоже легкий, безмассовый.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, поэтому нужны новые частицы. Сколько их осталось, выжило в ранней Вселенной, сколько их не проаннигилировало друг с другом во время эволюции Вселенной? Они рождались, уничтожались в ранней Вселенной при очень высоких температурах, когда энергия, соответствующая кинетической (kT), была больше, чем mc2 для этих частиц. Тогда они рождались, уничтожались в космической среде, в горячей плазме в такой. И часть их дожила до наших дней, не проаннигилировала друг с дружкой, и это всё рассчитывается. Известно, как говорится, закон общей теории относительности, который управляет расширением Вселенной. Значит, если вы сделали такое предположение, то вы как раз получаете правильный ответ: масса частиц этой темной материи, доживших до наших дней, как раз правильна, чтобы обеспечить 20-25% вклад в полную энергию во Вселенной. И это, на самом деле, служит одним из мощных, так сказать, ожиданий здесь, потому что эта область энергий — это как раз та самая область энергий, которая будет изучаться на Большом адронном коллайдере.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Ну, я должен еще сказать, что, на самом деле, это очень нетривиальный факт, что частицы должны быть стабильными. Стабильными — значит, не распадаться за время жизни Вселенной. Это очень нетривиальное требование. Стабильность — она просто так не бывает. Частицы, которые не распадаются — стабильны — обязательно на то есть причина, почему они стабильны. На то есть закон сохранения. Это вот то, что тоже связано с симметриями, внутренними симметриями. Законы сохранения. Например, электрон стабилен потому, что он имеет электрический заряд. Есть закон сохранения электрического заряда, это самая легкая частица с зарядом, она распадаться не имеет права — некуда. Заряд некуда девать, некому передать заряд. Все остальные заряженные частицы нестабильны, кроме протона. У протона есть свой закон сохранения, так называемый закон сохранения барионного числа. Значит, есть законы сохранения, есть внутренние симметрии, которые запрещают... Закон сохранения симметрии, как вы, наверное, знаете, из вашего курса школьного — это связанные вещи: если у вас есть симметрия относительно вращения пространства, то сохраняется угловой момент. Точно так же, если есть какой-то закон сохранения, за ним должна стоять симметрия. За стабильностью частиц темной материи должна стоять новая, неизвестная симметрия. А симметрия — это, как говорится, не фунт изюма, это что-то очень глубокое должно существовать в природе.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вопрос. А если будет существовать симметрия, будет ли повод поискать еще какие-нибудь частички?

В. А. Рубаков. Обязательно. Я до этого, надеюсь, что дойду.

А может быть, уже и... как-то так вот время подходит, поджимает.

Ну, ладно. Значит, есть еще одна проблема, которая тоже не решается в рамках Стандартной модели. Тоже из космологии, и тоже не исключено, что эта проблема может получить свое решение — ну, это уже, правда, более уже такое, как говорится, спорное дело — тоже может получить свое решение в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере. Дело в том, что во Вселенной есть вещество, как мы с вами знаем. Мы — вещество. И нету антивещества — слава богу, иначе мы бы с ним проаннигилировали. Протоны есть, антипротонов нету. Мы состоим из вещества, а антивещества нету. И это есть проблема. Так, на первый взгляд — какая проблема? Ну, нету, и нету. Ответ такой, что если вы пойдете в раннюю Вселенную, где были гигантские температуры, то там антивещества было полно. Было много, опять-таки... при высоких температурах рождались парно кварки с антикварками, и то, что мы сейчас видим как вещество, заполняющее Вселенную, — обычные протоны и нейтроны, — это вещество собралось из маленького избытка кварков над антикварками. Примерно одна миллиардная в относительном выражении. Значит, на миллиард кварк-антикварковых пар в ранней Вселенной был один нескомпенсированный кварк. Потом все эти кварки с антикварками проаннигилировали, а тот, который остался нескомпенсированный — вот мы из них и состоим. Как такое произошло — неизвестно. Откуда взялся такой маленький избыток — маленький, но удаленький, важный для нас с вами избыток кварков над антикварками — неизвестно. И объяснить это в рамках Стандартной модели невозможно в самой только Стандартной модели. Значит, это тоже явно свидетельство того, что мы чего-то не знаем фундаментального.

Вопрос. Может быть, чего-то просто не нашли еще?

В. А. Рубаков. Не нашли. Вот будем искать на коллайдере.

Ну, просто каких-то источников антикварков

В. А. Рубаков. Нет, нет-нет, во Вселенной нету античастиц. Это мы знаем, это мы хорошо знаем, я могу отдельно сказать, какие экспериментальные факты прямо свидетельствуют о том, что во Вселенной антивещества нет и не было. Сравнительно недавно во Вселенной не было антивещества. Да?

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вопрос. А цель коллайдера основная — найти бозон Хиггса или какая-то другая?

В. А. Рубаков. Цель — пробиться в новую область энергии и там найти то, что там есть.

То есть не только?

В. А. Рубаков. Не только. Вся надежда на то, что не только... Хорошо. Значит, еще одна есть довольно тонкая штука, но очень важная, на самом деле, и это есть причина, по которой, действительно, ожидается — одна из причин, — что на этом коллайдере будет найден не только бозон Хиггса, а целое море, целый пласт новых частиц, новой физики.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, аргумент довольно сложный теоретически, но тем не менее, я попытаюсь его как-то пояснить. Мы с вами говорили — я как-то, так сказать, пытался объяснить, что есть виртуальные частицы, частицы, которые существуют в вакууме, рождаются и уничтожаются — они влияют на свойства всех других частиц. В частности, там, скажем, рождающийся или уничтожающийся топ-кварк, t-кварк — он был предсказан, его существование и масса даже была предсказана на основании изменения масс других частиц, более легких. Потому что он вкладывает, изменяет массы других частиц, вот эти процессы рождения и уничтожения в вакууме виртуальных пар — они сказываются на свойствах других частиц. Для Хиггса ситуация катастрофическая. Эти процессы — грубо говоря, из-за того, что он сам массу дает — эти процессы виртуальные приводят к гигантским вкладам в массу хиггсовского бозона, вообще, во все параметры Стандартной модели. К гигантским вкладам. То есть Стандартная модель не выдерживает проверки на самосогласованность на квантовом уровне, вот что я хочу сказать. Значит, есть огромные нескомпенсированные вклады в параметры Стандартной модели, настолько огромные, что они совершенно противоречат всему на свете. Все наши массы должны были бы быть вовсе даже не, там, ГэВные или, там, у протона, а должны были бы быть на десяток порядков больше. Если не на 15 порядков больше. Т.е. вот эти вот безобидные, редкие в обычных ситуациях процессы, которые происходят в вакууме — они очень сильно влияют на хиггсовское поле и, соответственно, вообще говоря, очень сильно влияют на массы обычных частиц, утаскивая их далеко вверх.

Вопрос. Можете картинку прокомментировать?

В. А. Рубаков. Ну, картинка такая, что вот если у вас есть хиггсовский бозон, зелененький летит, а тут родилась пара виртуально, она с ним провзаимодействовала и исчезла. И за счет этого взаимодействия — можно это дело рассчитывать, конечно, здесь даже была сделана некая попытка оценки, но этого, я думаю, не стоит сейчас делать. Но важно, что такой вот процесс взаимодействия с рожденной виртуальной парой каких-то других частиц — он приводит к огромному вкладу из-за того, что эти частицы могут иметь любой импульс, — он приводит к огромному вкладу в массу, в массовые параметры этого хиггсовского поля.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, это сразу говорит вам о том, что мы чего-то неправильно считаем при высоких энергиях. Вклады, о которых идет речь — это от вклады высоких энергий, от энергий больше, чем 100 ГэВ, и то, что я говорил, что наивно в Стандартной модели, вычисляя эти вклады, вы получаете гигантские неправильные ответы, говорит вам о том, что мы каких-то вкладов не учитываем. Говорит о том, что есть какие-то другие частицы, или другие процессы, которые происходят при энергиях масштаба ТэВа. И это есть на самом деле очень мощный теоретический аргумент в пользу того, что при энергиях до ТэВа, ну, может быть, 2–3 ТэВ — как раз тех энергиях, при тех энергиях, на которые рассчитан LHC, именно LHC, не Тэватрон — что при этих энергиях обязательно должна появляться новая физика. Новая физика в таком... всерьез новая физика. Там, не Хиггс какой-нибудь, а что-то гораздо более серьезное. И эти теоретические аргументы говорят о том, что новые частицы и новые взаимодействия — совершенно новые частицы и совершенно новые взаимодействия — будут на LHC на этом открыты.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Ну, вот в качестве иллюстрации давайте я быстренько поясню, о чём может, например, идти речь. Это довольно популярный сценарий теоретический, гипотеза. Ну, о чём может идти речь? Например, может идти речь о том, что называется «суперсимметрия».

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Кстати, суперсимметрия была предложена теоретиками ФИАНа, вот здесь вот, в этом зале, в этом здании, работали Гольфанд и Лихтман, два замечательных теоретика ФИАНовских. И они предложили суперсимметрию как некоторый новый тип симметрии, который может реализовываться в природе. И сейчас это очень популярная гипотеза, которая говорит о том, что у каждой частицы должен быть свой партнер. Вот если вы слышали слово «спин» — это как бы внутренний угловой момент частицы, — то спин бывает целый и полуцелый. Вот у электрона спин — половинка. А у него, согласно гипотезе суперсимметрии, должен быть партнер, который — ну, так странно немножко звучит — «сэлектрон», бесспиновый электрон, суперсимметричный партнер. Кварку тоже должен быть партнер — скварк. В общем, всем частицам. Фотону должен быть — ну, это уже, так сказать, изобретательство теоретиков, как чего называть — фотону должен быть партнер фотино, и так далее. Наоборот, у фотона спин — 1, соответственно, у фотино соответственно должен быть полуцелый спин. И так далее. И если это правильно, то весь этот зоопарк частиц, удвоение фактически тех частиц, в 2 раза больше частиц должно существовать по сравнению с тем, что мы знаем. И этот весь зоопарк частиц будет рождаться на новом адронном коллайдере, на Большом адронном коллайдере.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Значит, суперсимметрия чем замечательна? Она, во-первых, сокращает все эти большие вклады. Выясняется, что если у вас частица дает вклад одного знака, то античастица, ее партнер, суперпартнер, дает вклад другого знака, что и приводит к сокращениям. Это, так сказать, почему суперсимметрию любят — потому что она эту проблему решает, о которой я говорил.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Ну, и есть у нее дополнительные плюсы, давайте я вот какой скажу. Значит, в суперсимметричных теориях есть кандидат на роль частицы темная материи. Тоже. Это большой плюс: не так просто выдумать частицу, которая бы не распадалась. Вот эта самая суперсимметрия — это та самая симметрия, которая отвечает за стабильность новой частицы, а эта новая частица — это самый легкий из суперпартнеров. Значит, вот эта суперсимметрия запрещает ему распадаться, это вполне может быть нейтральная частица, партнер фотона, например. Она нейтральная электрически, она зарядом не обладает, она тяжелая и вполне может быть частицей темной материи. Это вполне серьезные люди рассматривают как одну из наиболее привлекательных гипотез, что частицы темной материи — это вот такие вот «зверюшки», связанные с нашими частицами, так сказать, отношениями суперсимметрии, и по всему это, как говорится, хороший вариант, потому что все тесты теоретические и наблюдательные проходят.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вопрос. Получается, нейтрино остается легким, а фотино?

В. А. Рубаков. Фотино тяжелое. Они всё могут... Вот им симметрия Стандартной модели не запрещает массы иметь, поэтому они тяжелые. Вот суперчастицам, суперпартнерам — фотино, сэлектрону, всем остальным частицам, суперчастицам, суперпартнерам наших частиц — симметрия Стандартной модели не запрещает иметь массы. Поэтому они тяжелее наших частиц.

А почему нейтрино тогда...

В. А. Рубаков. Нейтрино запрещено. А снейтрино, суперпартнер нейтрино, может быть тяжелым. У него может быть своя масса. Может, и, наверное, она и есть, если это правильно, то всё должно быть. И будет прекрасно видно на LHC, и в оптимистических сценариях в течение первого полугодия работы на LHC эти суперпартнеры могут быть открыты. И будет прекрасно видно на LHC... ну, это вот один из возможных процессов, сталкиваются две частицы, рождаются, например, суперпартнеры глюона — глюино — и пошло. Они распадаются на кварки — на кварки и скварки, вот с тильдочкой — это всё суперпартнеры. И в результате у вас получается процесс, в котором рождается много разных частиц обычных и легчайшие суперпартнеры — кандидаты в частицы темной материи.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вот такие процессы, если они есть в природе, будет хорошо видно на LHC, это вот один из примеров, что, собственно, можно ждать, помимо хиггсовского бозона будет открыто на LHC. Если ситуация правильная, то раньше, чем хиггсовский бозон, будет открыта суперсимметрия.

Ну, это один из примеров. Значит, есть много разных других гипотез, может быть, менее красивых теоретически, но, тем не менее, вполне имеющих право на существование. А с другой стороны, у суперсимметрии есть свои проблемы, вообще говоря, так при случайном подборе параметров этой теории она должна бы быть уже открыта. Это немножечко, так сказать, жмет. Но не исключено, что параметры такие, что она будет открыта на LHC именно, а при более низких энергиях ее не видно. Но есть и много других идей и представлений. Например, такое. Вот мы думаем, что кварки и, там, электрон, мюон и прочие частицы известные — они элементарные, но вообще-то говоря, никто этого, строго говоря, не сказал, никто этого точно не знает, и есть представление о том, что они в каком-то таком своеобразном смысле, в очень непростом смысле, могут и оказаться составными. Значит, смысл составленности совсем не такой, как в атоме. В атоме масса атома — это масса протона (скажем, атома водорода), масса протона плюс масса электронов, которые обращаются вокруг этого протона. Значит, здесь составленность в совершенно другом смысле: здесь из тяжелых частиц должны быть составлены более легкие. Такая вот нетривиальная, так сказать, возможность имеется, но такие теоретические возможности тоже есть. В любом случае, я тут написал фразу, что разброд и шатания в теоретических умах — это близко к истине. Значит, видно, что природа может нам преподнести сюрпризы, есть много разных гипотез, и ни одной железно надежной, сколько-нибудь надежной. Поэтому ситуация очень интересна.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Ну, вот, я, так сказать, закругляться потихонечку начинаю.

Значит, суммирую. Суммирую вот что. Лет — сколько это уже? — 35 назад я поступал на физфак МГУ. 72-й год (36 уже). В то время Стандартная модель уже была сформулирована. Уже теоретики написали взаимодействия Стандартной модели, написали, как устроена природа, написали Стандартную модель. И все эти 35 лет происходили запланированные открытия. Ну, кроме нейтринных осцилляций, о которых я говорил, это была совершенно неожиданная вещь. А все остальные открытия физики частиц — они были запланированы. Тогда не было ни W-бозонов, ни Z-бозонов, ни многих из тех кварков, которых я показывал в самом начале. Все они были еще не открыты. Но они были предсказаны. Почти всё, что я изобразил на этой прозрачке, почти всё, что есть в Стандартной модели, — почти всё было предсказано. И открытия происходили как бы запланированно. Вот теоретик предсказал W-бозон, более-менее массу его предсказали — вот он, пожалуйста, в 82–83 году в ЦЕРНе его открыли. Z-бозон — то же самое. Топ-кварк — то же самое.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Сейчас ситуация кардинально другая. Мы не знаем, что нам приготовила природа. Остался бозон Хиггса; так или иначе, либо его самого, либо его аналоги будут открыты. Но думается, что на LHC мы будем иметь совершенно новый пласт физики, и наши представления будут совершенно другими через, скажем, 10 лет. Если эта ситуация типа суперсимметрии или составленности, то хватит и на мой век, и на ваш разбираться в том, как же всё-таки устроена природа на этом новом уровне знания.

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера

Вопрос. Существуют опасения некоторых специалистов следующего рода. Космические лучи, которые появляются на планете Земля, состоят из двух релятивистских частиц, которые, сталкиваясь с земными, соответственно порождают сонм релятивистских частиц, которые быстро покидают землю. А опасение следующее, что если будут сталкиваться противоположные подобия релятивистских частиц, и осколки будут с малыми скоростями. Некоторые из них могут не успеть покинуть Землю и причинить ей существенный вред.

В. А. Рубаков. Не, ничего такого не будет. Опасений таких нету. Это я думаю, что такого рода штуки, честно говоря, не для микрофона... а, ладно, нет, не буду: тут микрофон есть, поэтому я, так сказать, в кулуарах скажу об этом. Но я думаю, что это, так сказать, такая интересная PR-кампания.

Вопрос. Еще один вопрос. Какова математическая вероятность того, что из (неразборчиво) ядер могут получиться элементы с огромными атомными массами, которые, соответственно, будут схлопываться и образовывать черные дыры?

В. А. Рубаков. Никакой вероятности нету. Нулевая. Значит, да, если говорить о ядрах с большими атомными числами, то нулевая. Вообще, черные дыры люди рассматривают, рождение черных дыр на этом коллайдере. Но это, во-первых, будет не... Думаю, для этого почти наверняка не хватит энергии, и это будет не первый сигнал о том, что с гравитацией происходят чудеса. Первый сигнал будет совершенно другой, не связанный никак с черными дырами. Он будет связан — там будет много разных возможностей... Речь идет о чем?.. А давайте я закончу, а потом отвечу на вопрос, ладно?

У меня уже фактически конец.

Ну, я, в общем, закончил. Давайте будем считать, что я закончил на той ноте, что мы ожидаем, что будет обнаружен целый пласт новой физики.

А вопрос, который вы задали — он относится вот к чему. Вообще, не исключено что энергетический масштаб гравитации не такой безумно огромный, 1019 ГэВ, недостижимый никогда. А на самом деле, не исключено — маловероятно, но не исключено, — что гравитационные силы становятся сильными, столь же сильными, как все остальные, на масштабе энергии вот этом самом, ТэВа. Это немножечко, так сказать, ну как, маловероятным кажется, но, тем не менее, не невозможно. Тогда это будет проявляться многими разными способами. Например, будут рождаться гравитоны в большом количестве. Или эти гравитоны будут переносить взаимодействие между этими частицами, и это будет видно на коллайдере. И при еще больших энергиях, возможно, будут образовываться черные дыры. Черные дыры неустойчивы, такие маленькие черные дыры с такой малой массой — они неустойчивы, они мгновенно разваливаются из-за хокингского излучения. Поэтому это будет очень интересное явление, но это будет явление, которое никуда не выйдет из детектора.

(Из зала, неразборчиво) Да, но хокингского излучения не подтверждено вообще существование...

Ну, что значит, не подтверждено? Много чего не подтверждено. Это, как говорится, не значит, что его нет.

То, что эксперимент не выйдет из-под контроля — ну, я только могу плечами пожать по поводу этого вопроса, потому что ускоритель раз — и выключил, конец этому делу. Это вам не ядерный реактор, который может выйти из-под контроля, как в Чернобыле. Значит, а то, что теории, так сказать, гипотезы, которые здесь высказываются, могут быть неверны — это вполне возможно.

(Из зала, неразборчиво) ... ошибка вашей теории, вообще физики, в том, что... Эйнштейна. Он сказал, что...

Сейчас, подождите, тут вопрос. А? Я не слышу.

Вопрос. Какие частицы состоят из топ-кварков?

В. А. Рубаков. Из с-кварков? А, ну, это частицы, у них есть свои названия... Ну, скажем, из кварк–антикварка состоит частица, которую называют — такая c-анти-c кварка, которую называют «джи-пси». Это, на самом деле, целое семейство частиц, их довольно много. Есть D-мезоны. D-мезоны — это частицы, у которых есть с-кварк и обычный кварк, анти-u. Это всё открытые частицы, их свойства хорошо известны.

Вопрос. Стандартная модель вводит в рассмотрение одно нарушение калибровочной симметрии, в результате чего ... поля Хиггса проявляется (неразборчиво) Если мы продолжим развитие модели ..., то необходимо будет введение нарушения калибровочной симметрии до группы Стандартной модели. Соответственно, введение второго класса типа бозона Хиггса. Так вот, есть ли какие-то расчетные массы для этих бозонов и достижимы ли они?

В. А. Рубаков. Вы знаете, в простых вариантах они очень тяжелые.

Ну, это известно.

В. А. Рубаков. Они, там... У них масса — типа 1016 ГэВ. Но вообще рассматривают люди и возможность того, что это всё происходит на более низких энергиях, вплоть до энергии LHC. Это не исключено. Хотя тоже как-то выглядит маловероятно, но тем не менее.

Вопрос. В каком состоянии сейчас находится ускоритель в Протвино? Там достаточно мощный ускоритель...

В. А. Рубаков. Нет, там, конечно, энергии совсем не те, там 70 ГэВ энергия. Да, он работает, у него есть свои задачи, это задачи не связанные с энергией высокой столкновения, это задачи, связанные с редкими процессами. У него достаточно интересные возможности по изучению редких процессов, в частности, редких распадов k-мезонов. И это — одна из основных задач, которые там решаются, но есть и другие задачи. Это работающая машина, стабильно и хорошо работающая машина, и экспериментаторы там работают постоянно. В общем, это вполне... хотя ему уже много лет, с 67-го года работает, тем не менее, это вполне действующий инструмент.

Вопрос. Есть теория, что возможна отрицательная масса. То есть, она не противоречит теории...

В. А. Рубаков. Отрицательная масса невозможна. Это, смотря, что понимать под словом «отрицательная масса». Надо быть очень аккуратным. Если говорить об отрицательной массе в обычном понимании этого слова, то нет, невозможно. Если говорить о массовом параметре, я не знаю, в теории, то этот параметр в принципе может быть отрицателен, это ничему не будет противоречить. Вот у электрона, если вы формально поменяете знак массы в его уравнении, которым он удовлетворяет, тем не менее, у него, так сказать, свойства останутся теми же самыми в точности, какие они у него сейчас есть. Это немножечко технический вопрос.

Вопрос. (неразборчиво) Я вычитал

В. А. Рубаков. Это вы, наверное, говорите о монопольном катализе, распадом протона то, что называют. А это эффект, который мое имя носит, надо сказать. Есть такой эффект, действительно, магнитный монополь, у которого может быть магнитный заряд, не может быть, а есть магнитный заряд по определению. Он мог бы, действительно, приводить к распаду протона во взаимодействиях этого монополя с протоном. И это достаточно большой эффект, сильный. Но монополей-то нету, к сожалению. Их искали и в космических лучах, их искали и на ускорителях — нету.

(Неразборчиво) Есть, по-моему, даже школьное опровержение...

В. А. Рубаков. Нет, школьного опровержения нету. Теоретически он возможен. Теоретически нет никаких... Более того, в теории большого объединения, о которой тут говорили, он обязательно существует. Существует, в смысле, такая частица есть. Но в природе — она очень тяжелая — в природе их нету. Просто не летает их вокруг нас.

Вопрос. Вероятность черной дыры связывают с многомерностью пространства?

В. А. Рубаков. Ну, это из той же самой оперы. Значит, просто сделать гравитацию сильным, достаточно сильным взаимодействием в масштабе, там, ТэВном по энергии. Ее никак не сделаешь, кроме как с помощью дополнительных измерений. То есть, для того, чтобы сделать гравитацию сильным взаимодействием на таких расстояниях, нужно иметь дополнительные измерения, иначе ничего не получится.

А вероятность существования таких измерений как теоретики рассматривают?

В. А. Рубаков. Ну, вероятность, вы знаете, слово «вероятность» к гипотезам очень трудно применять. Кажется не очень правдоподобным, но кто ж знает?

Вопрос. Планируется ли создание нового коллайдера?

В. А. Рубаков. После этого? Это зависит. Конечно, планируется. Конечно, физики думают о следующем шаге, где — это вообще вопрос отдельный. Значит, речь идет о линейном электрон-позитронном коллайдере. На энергию, скажем, 500 ГэВ — зависит от того, что будет обнаружено на LHC. Вообще электрон-позитронная машина — она гораздо чище. На ней можно делать точные эксперименты. Адронная машина (протон-протонная) — это машина, на которой делаются открытия. Потому что протоны — они сами как кирпичи. Два кирпича друг с другом столкни — ну, что-то ты узнаешь о том, из чего эти кирпичи сделаны и как составляющие этих кирпичей взаимодействуют между собой. Но вообще-то это, так сказать, трудно разобрать. А электрон-позитронная машина — она, наоборот, очень чистая. И планируется, так сказать, ну, ожидается, что если на LHC действительно будут найдены достаточно интересные вещи, то планируется, что будет электрон-позитронный линейный коллайдер на энергию, в зависимости от того, что на LHC найдут, 500 ГэВ суммарно, может быть, ТэВ суммарную энергию. Где — вопрос преждевременный. Заявили о своем желании построить американцы, европейцы и Россия тоже; в качестве проводника этой идеи выступает Дубна, Объединенный институт ядерных исследований. Предлагают рядом с Дубной построить такой коллайдер. Но это будет, так сказать, соперничество.

Вопрос. Я слышал, что при столкновении черных дыр выделяется большая энергия. Почему?

В. А. Рубаков. При столкновении черных дыр выделяется большая энергия... Ну, что значит «большая энергия»? Сравнимая с массой этой черной дыры, да, с mc2 этой черной дыры.

А что там происходит?

В. А. Рубаков. Ну, это связано с тем, что у черной дыры есть большой гравитационный дефект масс. Если вы возьмете частицы и соберете из них черную дыру, то масса этой черной дыры будет заметно меньше — масса, стало быть, и энергия покоя — заметно меньше, чем масса всех частиц, из которых она образовалась. Поэтому, если вы берете две черные дыры, то опять будет большой дефект масс, опять выделится большая энергия.

Вопрос. Эксперимент ответит на вопрос, что было до Большого взрыва?

В. А. Рубаков. Нет, это еще не те энергии. Ответ такой, что во Вселенной, скорее всего, — хотя мы этого железно не знаем, может быть, узнаем, когда выясним, из чего темная материя состоит — скорее всего, реализовывалась температура, при которой кинетические энергии (гигантская температура) частиц в среде (температура — это же кинетическая энергия, да?) были порядка вот этих самых ТэВов. Значит, что там происходили процессы в столкновениях этих частиц ровно те, которые будут происходить на этом коллайдере. То есть, зная физику при таких высоких энергиях и маленьких расстояниях, мы сможем сказать, как была устроена среда во Вселенной при вот таких температурах. А это времена типа 10–10, одна десятимиллиардная секунды после Большого взрыва. Вот такая связь тут есть.

Вопрос. Я опять же по телевизору смотрел, у меня просто других источников нет (и интернет), то что с помощью этого коллайдера хотят найти какую-то хромосому... что хотят, в общем, Бога найти...

В. А. Рубаков. Кого найти? Нет, не надо такой гипотезы. Такой гипотезы не требуется, и, что бы там ни нашли, это к религии не будет иметь никакого отношения.

Ну, я вскользь так слышал...

В. А. Рубаков. Не, ну вы знаете, на эту тему много всяких спекуляций происходит, это понятно, это такое горячее дело. Но, так сказать, всё-таки не, это не из той оперы разговор.

Нет?

В. А. Рубаков. Конечно.

Вопрос. Что значит, «неявное нарушение симметрии»?

В. А. Рубаков. «Неявное проявление симметрии» — вот правильное слово. Нарушение симметрии — оно, как вам сказать... Уравнения, которые описывают магнит (уравнения, которые описывают магнит: уравнения координат, динамики и, там, все прочие уравнения) они, вообще-то, инвариантны относительно вращения пространства, симметричны. А магнит — нет: у него есть выделенный вектор. Это называется словом «спонтанное нарушение симметрии». Вот это правильный термин. То есть, у вас как бы уравнения уважают симметрию, она в них присутствует, а состояние, которое получилось при этом — несимметрично. Это называется словом «спонтанное нарушение симметрии». Это правильный термин, и ровно это должно происходить в природе. Вот хиггсовское поле ровно это и делает, только не для пространственных вращений или каких-то таких... для внутренних вращений. Это правильный термин. «Неявная реализация симметрии», можно сказать. Что такое вот состояние — оно не симметрично, и из-за этого симметрию не видно.

Вопрос. (неразборчиво)...А вот касаемо новых: обобщения, старое, или какая-то новая модель...?

В. А. Рубаков. Ну да, это обобщение, в любом случае, обобщение.

То есть обобщение это не какое-то противопоставление?

В. А. Рубаков. Нет-нет, противопоставлений не бывает. То, что мы знаем сегодня, — оно никуда не денется. Оно может быть дополнено, но никак не перечеркнуто. W-бозон есть — он есть. Его свойства известны, описываются Стандартной моделью — всё, экспериментальный факт и теоретически понятный, описанный, и всё такое. А новости, расширение — может быть. Люди говорят о расширении Стандартной модели. Это не альтернатива, это расширение.

Вопрос. А струнная теория в пределе дает такие стандартные модели?

В. А. Рубаков. Вы знаете, со струнной теорией трудно. Трудность вот в чем. Да-да. Трудность сегодня выглядит так, что она в принципе не может дать однозначных предсказаний чего бы то ни было. Она может объяснить всё что угодно, но не может дать однозначных предсказаний ни одной физической величины. Вот такой чудной вывод, который следует из самой этой теории. Такое вот какое-то странное...

В методологии науки она вообще не теория, она не может быть опровергнута, она ничего не предсказывает, не может быть опровергнута, и поэтому ее нельзя и...

В. А. Рубаков. Ну, вы знаете, это вопрос определения, всё-таки. В этом смысле, в смысле предсказательной силы, конечно, ее теорией назвать трудно. В смысле, так сказать, представления о том, какие бывают структуры, математические структуры за физическими законами — она теория. Как говорится, довольно много стало просматриваться, какие структуры могут лежать за теми физическими законами, которые мы знаем или не знаем.

(Неразборчиво) Наверное, с математикой больше? С физикой сейчас уже... Отошел от физики в математику?

В. А. Рубаков. Да нет, из нее на самом деле проистекает довольно много очень интересных для физики результатов — не предсказательной силы, а результатов... ну, как бы вам сказать... Результатов, которые позволяют на более простые физические теории... позволяет изучать.

С более общей точки зрения?

В. А. Рубаков. С более общей точки зрения, и очень конкретные есть результаты, например, такой результат. Ну, я не знаю, может быть, это слишком специально... Значит, оказывается, что некоторые теории, которое простыми, известными способами обработать не удается, изучить теоретический состав частиц в них, возбуждение... Свойства теории не удается. Можно написать уравнения, а решение этих уравнений на квантовом уровне найти не удается. Вот теория струн дала сравнительно недавно некоторый способ эти теории изучать. Совершенно с неожиданной стороны.

Квантовая механика классически подошла... совершенно новый способ, невыводимый и вообще иррациональный, да? И теория струн теперь уже в современную физику так входит?

В. А. Рубаков. Ну, да... она входит таким боком, скорее. Это, может быть, наиболее интересный ее аспект.

Или, например, есть некоторые вычисления, которые, если вы хотите сделать — известные теории, всё, квантовая динамика — хотите сделать какие-то вычисления. Если будете их делать, так сказать, известными способами, давно апробированными и всё такое — это будет занимать десятилетия. А взгляд со стороны теории струн позволил сформулировать методы вычислений, которые позволяют это сделать на одной странице. Вклад? — вклад. Чисто технический вклад, но десятилетия — и одна страница.

Ну, вот такого рода, из-за того, что она очень богата и математически очень такая емкая, из-за этого вот такие выходы из нее всё время появляются.

Она мозги развивает?

В. А. Рубаков. Она мозги развивает, она дает представление о том, какие структуры вообще возможны... Теория какого типа — даже низкоэнергетическая теория, теория поля — теории какого типа могут оказаться по делу. Всё это, представление о дебранах так называемых, привело к такой интересной возможности, связанной с дополнительными измерениями. То есть, она, так сказать, ну, как бы обеспечивает бэкграунд, обеспечивает некоторый...

Взгляд такой?

В. А. Рубаков. Взгляд, да. Взгляд, который можно использовать в разных местах, применять в разных местах. Но что касается предсказания, скажем, массы электрона — лет 20 назад люди говорили: да, мы со временем всё изучим, предскажем массу электрона. Ничего подобного.

Вопрос. (неразборчиво) Как вы относитесь к тому, что всё чаще возникает ... антропный принцип?

В. А. Рубаков. Вы знаете, это одна из возможностей. Она неприятная для теоретика, потому что она...

В квантовой механик ведь человек уже по сути появился как наблюдатель...

В. А. Рубаков. Ну, нет, здесь всё-таки другое дело, здесь немножечко другая, так сказать, логика. Неприятно в том смысле, что антропный принцип позволяет вам не делать предсказания. Вот в теории струн как раз такая ситуация, что она не делает предсказания. Но, тем не менее, это может быть правда. Он может начать работать на вот нынешнем этапе...

(неразборчиво) Но ... модели, как я понимаю, полностью работают именно на антропном принципе...

В. А. Рубаков. Нет, отнюдь, не обязательно, совсем не в этом дело. Они наоборот, некоторые их варианты — они как бы поддерживают антропный принцип, подсказывают, какая могла бы быть структура Вселенной в очень больших масштабах.

...

И тогда, в этой ситуации, селенная может быть очень большой, очень разной в разных местах, и это поддерживает антропный принцип. То есть он как бы льет воду на мельницу, антропный принцип. Мы оказываемся там, где мы способны существовать. Для этого нужно иметь много возможностей, много вариантов. Вот (неразборчиво) теория — она (некоторые ее версии) предоставляют такую возможность.

Вопрос. А что может быть причиной антропного принципа?

В. А. Рубаков. Причиной? Нет, это не причина — это взгляд. Что такое антропный принцип, что он из себя представляет? Представление о том, что Вселенная на самом деле очень большая, гораздо-гораздо больше, чем та часть, которую мы видим, просто в миллиарды-миллиарды-миллиарды миллиардов раз больше, и в разных местах во Вселенной реализуются разные физические законы. Разные параметры... В одном месте масса электрона такая, как у нас, в другом она в тысячу раз больше. В одном месте, там, работает закон Кулона, а в другом месте это не закон Кулона, а закон, там, Юкавы.

А как такое возможно?

В. А. Рубаков. Такое возможно. Вот как раз теория струн — это одно из ее вот тоже.. Почему она не может что-то предсказать — потому что она допускает такую возможность. Значит, такое возможно, и в теории струн это как раз вот сейчас просто проглядывается, что действительно просто такая совершенно, абсолютно возможная вещь. И тогда антропный принцип говори следующее, при таком взгляде. Почему у нас законы природы такие, а не другие? Почему мы измеряем массу электрона и видим, что она ( пол ... неразборчиво) такая. Почему у нас Кулоновский закон работает, а не работает юкавский закон? Ответ такой, что в тех местах, где законы другие, там физика настолько неблагоприятна, что нам там жить невозможно. Нас бы там не образовалось. Это антропный взгляд.

Например, если у вас протон был бы тяжелее, чем нейтрон, то водород весь бы распался в нейтроны, протоны все распались бы в нейтроны. И никаких ядер — всё начинается с водорода, на самом деле, при эволюции Вселенной, все ядра образуются из водорода — никаких ядер бы у вас не образовалось. Нет ядер — нет наблюдателя, нас там нету. Или наоборот, если б нейтрон был гораздо тяжелее, чем протон, — не так, как у нас, разница маленькая, — а был бы заметно тяжелее, что тоже ничем не запрещено теоретически, вы можете, изменивши параметры в ваших уравнений, сделать так. Тогда ядра наши — все, кроме протона — все бы распались. Все нейтроны в ядрах — все бы распались. Ядер бы не было, были одни протоны. Из протонов тоже, как говорится, многого не сделаешь из одних, из одного водорода. Водородная жизнь плохо себе представима. Значит, мы не в том месте, где нейтрон, скажем, в 1,5 раза тяжелее протона. Мы там не можем существовать. Ну, антропный принцип говорит, что какие-то параметры, мы пока не знаем, какие — они зафиксировались именно тем, что мы существует там, где можем.

Но это какая-то такая... Жмет немножко что-то. Я когда-то с Вайнбергом разговаривал — есть такой теоретик, Нобелевский лауреат, он на эту тему думал много и один из немногих всерьез задумывался, и еще очень давно, на эту тему — у него взгляд такой. В общем, такой, вполне оправданный. Он сказал, что вообще это, конечно, очень неприятно, потому что тогда какие-то вещи мы отказываемся понимать. Отказываемся давать объяснения каким-то несуразностям, которые могут быть в теории или что-то такое. Спихиваем на то, что мы находимся там, где надо.

Что значит «несуразность»?

В. А. Рубаков. Ну, вот несуразность, например. В гравитационных взаимодействиях масштаб — 1019 ГэВ. В слабых взаимодействиях масштаб 100 ГэВ. 17 порядков разницы. Естественно, желание объяснить, и люди так пытаются находить объяснения, как такое могло случиться, такая, как говорят, иерархия масштабов есть.

То есть всё можно списать на антропный принцип?

В. А. Рубаков. А тут вы можете сказать: ребята, если бы у меня был слабый масштаб не 100 ГэВ, а 100 ТэВ, то, это можно увидеть, всё, жизни бы не было. Вот и всё, объяснять ничего не надо. Несуразности объяснять не надо. Это не очень плодотворно, но, — сказал мне Вайнберг, — это может оказаться правдой. На каком-то этапе может выясниться, что да, параметры, которые мы измеряем, могут не находить своего такого натурального, естественного объяснения, а быть, действительно, такими именно из-за факта нашего существования.

А что из экспериментов на LHC может свидетельствовать в пользу этого принципа?

В. А. Рубаков. Вот если ничего, кроме Хиггса, не найдут — это будет, как говорится, поддержка антропному принципу. Потому что хиггсовская частица с такой вот массой, с таким масштабов, 100 ГэВ — она без чего-то на ТэВном масштабе энергий другого — это явно несуразица такого вот сорта, как я вам сказал. Тогда, если ничего не найдут, придется думать, что масштаб слабый именно такой потому, что для нас подходящий.

Так это об этом Хокинг говорит, когда говорит, что теоретики надеются найти там святой Грааль... значит, теория объединения всего, но мы не уверены, что это вообще возможно. Так это об этом же речь, да?

В. А. Рубаков. Ну, в частности он говорил, что теория всего — теория струн претендует на это звание — она очень, как оказалось, плохую предсказательную силу имеет, поэтому, может быть, это и невозможно.

То есть, может, то, что сейчас надеются найти, в таком виде и не существует, да?

В. А. Рубаков. Только могу развести руками. Не знаю. Я не знаю, что там происходит. Это очень интересно и, так сказать, интригующе. Что нам скажет LHC?

Вопрос. Можно такой немного приземленный вопрос. Я как будущий инженер из Бауманского института.. Может ли это дать какой-то толчок к развитию техники, вот эти вот открытия?

В. А. Рубаков. Вы знаете, буквально... Надо быть честным человеком, отвечаю честно на поставленный вопрос. Значит, прямо то, что там будет обнаружено — что бы там ни было — скорее всего, с большущей долей вероятности (ну, никогда нельзя исключить чего-то такого, о чем не думал никогда). Но, с большущей долей вероятности, я думаю, что те открытия, которые будут сделаны, не будут никак применены прямо. Другое дело, что те технологические разработки, которые при создании этой машины, и сейчас еще делаются, — это вклад будь здоров в цивилизацию. Вот, например, Грид (Grid). Грид пошел... Знаете, да, есть такая система, которая будет служить дополнением к интернету через некоторое время с точки зрения распределенных вычислений, в первую очередь. Это система, которой вы, конечно, через некоторое время будете пользоваться, и если вам нужно будет делать какие-то сложные расчеты, то это для вас будет настольная система компьютерная. Значит, он пошел благодаря LHC, потому что там столько информации будет идти, что ее обработать в ЦЕРНе невозможно. Или возить с собой носители тоже невозможно. Значит, нужно мгновенно ее распределять, эту информацию, мгновенно обрабатывать в разных местах, и вот для этого, собственно, придуман Грид.


Комментарии (3)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия