Александр Бондарь (РАН) о "маленьких" коллайдерах
АрхивИнтерактивЧлен-корреспондент РАН объясняет, чем и почему относительно небольшие коллайдеры могут быть важны и полезны для научных исследований во времена Большого адронного коллайдера.
Физика высоких энергий известна неспециалистам в основном в связи с запуском проекта LHC (Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер). Из-за огромной популярности экспериментов в CERN не все понимают, что физика элементарных частиц гораздо разнообразнее, чем мы себе представляем. Ведь помимо работы с Energy Frontier, то есть предельно высокой энергией, есть и другой класс увлекательных экспериментов, которые дают нам принципиально новые знания об устройстве мира. Для такой физики не обязательно строить 27-километровое кольцо и нанимать штат сотрудников, сравнимый по численности с населением небольшого городка. А результаты работы установок с относительно низкими энергиями очень важны и, как правило, уникальны.
Для чего предназначены ускорители с предельно высокой интенсивностью? Почему студенты физических факультетов не всегда способны работать в науке? Что дает основание делать предположения о том, что происходило с веществом во Вселенной сразу после Большого взрыва? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук, член-корреспондент Российской академии наук, профессор кафедры физики элементарных частиц, доцент кафедры физики ускорителей Александр Бондарь.
- С каких энергий начинается физика высоких энергий?
Этот вопрос мне кажется несколько забавным. Строгой границы нет. Это просто термин в физике элементарных частиц, который появился, когда она обособилась в самостоятельную область знаний из ядерной физики. Под высокими энергиями понимаются энергии, значительно (в десятки раз) большие, чем характерные энергии в ядерных реакциях. Речь идет не об энергии, выделяющейся в результате ядерного взрыва, а в результате элементарной ядерной реакции, например, распада радиоактивного ядра. Эта энергия измеряется десятками МэВ, то есть ее характерная величина - "мега". А физика элементарных частиц, составляющей ядра протонов и нейтронов, это уже энергия, начинающаяся с 200-300 МэВ. Верхняя планка зависит от предела технических возможностей по величине. Сегодня максимальная энергия протонов это 3, 5 тысячи миллиардов электронвольт. Такие характеристики имеет установка, которая недавно заработала в CERN. В природе достигаются гораздо большие энергии, но природные явления значительно труднее изучать, потому что мы не знаем, в каком месте эта частица прилетит, и в какой момент.
- И события происходят реже.
Гораздо реже, чем больше энергия, тем они реже и реже. Поэтому такие установки, целенаправленно созданные для изучения частиц с предельно большими энергиями, это и есть основное направление развития нашей науки. Итак, условная граница такая: от 200-300 МэВ до максимально достижимых.
- Что изучают на ускорителях с относительно низкими энергиями?
Чем замечательна наша наука? Тем, что физика вообще и, в частности, физика высоких энергий, это очень тонко взаимосвязанная система знаний. Потому что явления, связанные с большими энергиями, могут проявляться в относительно низкоэнергитичных процессах. Есть целый класс явлений в природе, где участвуют виртуальные тяжелые частицы, они, как правило, и есть предмет исследования. Часть из них уже известны и открыты, а часть напрямую не наблюдается, потому что они имеют слишком большую массу, недоступную для рождения на коллайдерах высоких энергий. Однако они могут проявляться косвенным образом, за счет виртуальных процессов, когда эти тяжелые частицы проявляют себя в маленьких поправках к основному процессу. И поэтому эксперименты, которые проводятся на низких энергиях (или, лучше сказать, в нижней части области высоких энергий) - это, как правило, очень точные эксперименты. Целый ряд открытий в науке был осуществлен именно при низких энергиях. Не в прямых экспериментах, а в косвенных наблюдениях. Это возможно в тех случаях, когда физический процесс может быть очень точно рассчитан, и отклонения от ожидаемого результата являются целью нашего поиска. Здесь, в ИЯФ (Институт ядерной физики СО РАН), мы не можем построить такую гигантскую установку, как в CERN, поэтому мы идем своим путем: строим относительно небольшие установки, которые имеют новые свойства и позволяют делать прецизионные эксперименты, то есть очень точные, и по результатам этих экспериментов мы стараемся получить новую информацию.
- Я правильно поняла, что эксперименты на таких ускорителях недоступны большим ускорителям?
Да, безусловно. Физика разнообразна, и определенного типа наблюдения возможны только на таких установках. И это вообще основной принцип науки: нам неинтересно повторять измерения, сделанные другими, просто для того чтобы проверить их. Задача науки - искать неизвестное, выходить на грань между понятным и непонятным. Поэтому настоящий исследователь ищет новые возможности, ранее не использованные в научных исследованиях, чтобы получить дополнительные знания.
- Какие есть направления в физике высоких энергий?
Я бы выделил три основных. Первое направление - это Energy Frontier, то есть предельно высокие энергии, такие, как, например, на LHC. Второе - это установки с высокой интенсивностью, тоже коллайдеры, на которых исследуется специальный класс редких явлений при относительно низких энергиях. Отличительная характеристика таких установок - это предельно высокая интенсивность пучков и, следовательно, высокая частота столкновения частиц. И третье направление - это поиск неизвестных нам явлений и частиц, остаточно существующих в природе. Дело в том, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Первое время жизни Вселенной материя существовала в совершенно других условиях. Тогда возникали совсем другие частицы и явления, которые сейчас мы наблюдать не можем. Для наблюдения остатков явлений, произошедших 14 миллиардов лет назад, строят специальные детекторы. Например, мы знаем, что масса наблюдаемого вещества во Вселенной много меньше, чем полная масса Вселенной. То есть во Вселенной есть нечто ненаблюдаемое стандартным способом, но имеющее заметную массу. Мы думаем, что это особые частицы, которые до сих пор не проявлялись в прямом эксперименте, и были порождены в процессе Взрыва, а сегодня остались в виде холодной темной материи. Физики пытаются найти косвенные свидетельства этих частиц. Что это значит? Например, Солнце и Земля движутся во Вселенной, и проходят через газ холодных частиц. Время от времени эти частицы сталкиваются с атомами вещества, за счет отдачи (очень редко) вылетают ядра. Столкновение частиц тяжелой холодной материи с ядерной материей может иметь проявления, например, в виде ионизации, звуковой волны в кристалле и т.д. Экспериментаторы создают детекторы, которые предназначены фиксировать такие слабые проявления.
Так вот, есть три стратегических направления, в которых движется наша наука. ИЯФ участвует во всех, но у себя мы строим установки высокой интенсивности для изучения редких явлений на относительно невысокой энергии; также мы участвуем в экспериментах в CERN на LHC, то есть в экспериментах с предельно доступными энергиями; и участвуем в создании низкофоновых детекторов большой массы для поиска темной матери. Эти же детекторы можно использовать и для изучения солнечных нейтрино.
- А разве природа солнечного нейтрино еще не ясна?
Да, ясна, но сама физика нейтрино очень бурно развивается последние 20 лет, мы получили массу новых знаний о том, как устроено само по себе нейтрино, и какие следствия это имеет для всей физики в целом. В частности, было открыто явление осцилляций нейтрино (переход одного типа нейтрино в другой). Это новый класс явлений, который активно исследуется во всем мире. Впервые об осцилляциях нейтрино задумались, когда был обнаружен дефицит потока нейтрино от Солнца. Как вообще наука может предсказать поток нейтрино от Солнца? Дело в том, что известна мощность излучения Солнца, мы знаем, что источником энергии для него являются ядерные реакции, поэтому мы можем установить, какое количество ядерных реакций происходит в Солнце в единицу времени. Так можно посчитать поток солнечных нейтрино и измерить его в прямом эксперименте. Раньше считалось, что поток нейтрино не может отличаться от расчетов, но были энтузиасты, которые захотели это проверить. Получилось, что этот поток в 2,5 раза меньше, чем в расчетах. Чем это можно объяснить? Может быть, мы не понимаем ядерные явления, которые происходят на Солнце, не понимаем условия, которые есть в его центре? Может быть Солнце устроено не так, как мы себе представляли? Но есть наука о Солнце, которая говорит, что мы не можем допустить такой большой ошибки, и надо искать в другом месте. Обнаружилось, что это связано с тем, что нейтрино обладают уникальной особенностью. Всего есть три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В Солнце возникают электронные нейтрино, потому что там происходят ядерные реакции с участием электронов, позитронов, бета-распад. Кажется, что нейтрино должны долетать до нас и регистрироваться здесь как электронные нейтрино. Почему же в результате поток нейтрино становится по пути к Земле меньше? Оказалось, что у этих частиц есть небольшая масса, они частично превращаются в другие типы нейтрино. Такое наблюдение было сделано как раз в экспериментах при низких энергиях, и это дает нам абсолютно новое знание.
- Как обстоят дела с подготовкой научных кадров?
Это сложный вопрос. Отвечая на него, надо начинать с системы образования вообще. В свое время была создана отлаженная система подготовки научных кадров. Но сегодня мы столкнулись с тем, что в новых условиях эта система становится не эффективной. Наука - это долгий процесс, для того, чтобы он был самоподдерживающимся, необходимо обновление кадров. Старшее поколение уходит по естественным причинам, молодое идет в науку и продолжает этот процесс. Сегодня мы видим, что интерес к науке молодого поколения резко снизился. Молодежь в большей степени ориентирована на то, чтобы как можно скорее получить общественный статус с минимальными затратами. Появился новый взгляд на жизнь: деньги решают все. Если я успешный бизнесмен, то я достиг общественного положения. И поэтому популярность в сфере образования получают специальности, непосредственно имеющие отношение к коммерции. Это экономическое, юридическое и вообще гуманитарное образование: психология, различные методы управления и прочее. Все университеты забиты такими специальностями, в результате мы видим, что естественнонаучное направление оказывается непрестижным, и туда идут по остаточному принципу те, кто не смог прорваться в область, имеющую отношение к бизнесу. Это чревато катастрофой для нашего общества.
Одной из причин также является и непродуманная политика в сфере модернизации образования. Коммерциализация образования подразумевает, что система образования должна сама себя окупать. Это автоматически приводит к тому, что образование становится платным, что сильно сужает круг молодых людей, из способных к обучению и творческой работе, которые могут "пойти в науку".
- Еще ведь есть ЕГЭ.
Специалисты говорят, что он губителен для нашего образования. Сама логика этой системы вывернута с ног на голову. Утверждается, что ЕГЭ - это способ борьбы с коррупцией. Хорошо, если мы таким способом хотим решать этот вопрос, то давайте завтра заменим всех судей на компьютеры. У нас же есть четко сформулированные законы: нажал на кнопки, набрал необходимые параметры, и вот тебе приговор. Этот пример утрирован, но и он вызывает удивление и смех, потому что понятно, что в решении судьбы человека роль судьи является ключевой. На то человек и разумный, чтобы понимать, что каждая жизненная ситуация уникальна, и в ней надо разбираться индивидуально. Точно так же и в образовании. Как можно из системы обучения выключить учителя, или из системы отбора в ВУЗ исключить человека? Задача отбора талантливых людей не формализуется. Абитуриент по жизненным обстоятельствам мог не получить нужных знаний, например, в его деревне физики вообще не было, а если и была, то вел ее бывший физкультурник. Экзаменатор в тысячу раз более эффективно найдет способного ребенка, и мы его возьмем, несмотря на то, что у него не хватает базовых знаний. Потом мы сами научим его всему, что нужно. Проблема в том, чтобы найти такого способного человека. А способности в науке нужны не меньше, чем, например, спортсмену, который прыгает на 2 метра. Мы осознали, что прыгать на 2.30 могут только особо талантливые люди, и любого на улице нельзя научить прыгать так же хорошо. Почему тогда нам кажется удивительным, что для того, чтобы заниматься наукой, нужны специальные способности? Достаточно очевидно, что литературу нельзя сдавать по тестам. Я, как специалист, утверждаю, что физику тоже нельзя сдавать по тестам. Это профанация, мы отбираем не тех людей, которые способны творчески мыслить и усваивать знания, а тех, у которых хорошая память, он запомнил учебник от корки до корки, а как этим пользоваться, не понимает, и, возможно, никогда не поймет. Но он получит высокий балл по ЕГЭ. И это не пустые слова, мы уже видим последствия ЕГЭ на примере наших студентов. Поэтому я считаю, что система образования, которая у нас сейчас складывается, создает потенциальные проблемы для развития науки. Мы должны осознать эту опасность и искать пути ее преодоления. Это мое глубокое убеждение. Мы должны на каждом углу кричать: "Что мы делаем? Остановитесь!" Нужно уже сегодня искать выход из сложившейся ситуации, в первую очередь, научному сообществу, потому что если мы сами не позаботимся о нашем будущем, никто этого не сделает за нас.
