Чудеса и частицы

Почему мы так любим коллайдеры
Евгения Береснева    

Когда в последнем классе школы нам предстояло изучать ядерную физику, учительница честно призналась, что сама далеко не всё понимает. У нас был крутой физико-математический класс, и предполагалось, что мы разберёмся не только с тем, что написано в учебниках, но и с тем, что творится в лабораториях прямо сейчас. Получилось не очень. И вот недавно в Санкт-Петербурге проходил семинар, посвящённый исследованиям, которые проводят в знаменитом ЦЕРНе. На него съехались учёные со всей Европы. Среди них был Марек Газдзицкий — руководитель эксперимента NA61/SHINE. Несмотря на неблагозвучное название, это очень фундаментальные проект, в нём участвует 140 физиков из 15 стран и 28 организаций. Вопросы перед исследователями тоже фундаментальные: рождение Вселенной, космические частицы, нейтрино и всё такое.

Марек Газдзицкий, польский физик, руководитель эксперимента NA61/SHINE в ЦЕРНе, профессор Университета Яна Кохановского в Кельце (Польша) и Франкфуртского университета (Германия)

Мы разговариваем с учёным в стенах Санкт-Петербургского университета. С английского быстро переходим на русский — оказывается, Марек ещё в 80-х три года работал в СССР, в знаменитом Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. У нас всего 20 минут, чтобы выяснить всё.

[Евгения Береснева] Вы понимаете, что происходит там, в глубинах ваших коллайдеров и синхротронов?

[Марек Газдзицкий] И да и нет. Бывает, у нас есть уравнения, и мы всё можем просчитать, но не до конца понимаем, что стоит за этими цифрами. Наш мозг настроен на восприятие определённых закономерностей, а здесь мы имеем дело с условиями далёкими от тех, к которым привыкли в обыденной жизни. Хотите пример? Число наших смартфонов на столе вряд ли изменится к концу разговора, правда? Их по-прежнему будет два.

[Е.Б.] Я надеюсь.

[М.Г.] Не сомневайтесь! А вот если запустить две частицы в символическую коробку, через некоторое время их может стать уже сто. Когда две частицы с большими энергиями сталкиваются, то может произойти всё что угодно. И заметьте, это были бы не части смартфонов, а сто целых гаджетов.

[Е.Б.] Чудеса какие-то…

[М.Г.] Чудеса. Интуиция на этом ломается, мозг говорит «ерунда какая-то». Но потому и интересно понять, как оно всё работает, как устроена природа на тех уровнях, что мы не видим. Это фундаментальная физика, она основана на чистом любопытстве.

[Е.Б.] Что вы пытаетесь понять про природу непосредственно в ваших экспериментах?

[М.Г.] Мы пытаемся воссоздать условия Вселенной сразу после Большого взрыва. Тогда всё было очень горячо и очень плотно — эту материю называют кварк-глюонной плазмой и изучают с 1980-х годов. А наша задача — найти и исследовать свойства её фазовых состояний.

[Е.Б.] Фазовые состояния? Как у воды?

[М.Г.] Да, примерно так. Видите, опять приходится обращаться к реалиям понятного нам мира. Если мы возьмём воду, то при низких температурах получим лёд, при нагревании — сначала жидкость, а потом пар. Это разные фазовые состояния, но важно, что между ними есть точки переходов. Ведь смотрите, я добавляю и добавляю энергии, но это всё ещё вода, а потом в какой-то момент начинает идти пар. Накопилось достаточно энергии для фазового перехода.

[Е.Б.] Вы разогреваете свои частицы?!

[М.Г.] Нет. Кастрюли и печки у нас нет, но энергия — это ведь не всегда температура. Мы берём большие ядра — например, свинца. Чтобы добавить энергии, ускоряем эти ядра и при разных скоростях измеряем свойства наших частиц. Какое-то время состояние не меняется: энергия накапливается. А потом происходит фазовый переход — мы наблюдаем его в течение буквально десятых долей секунды. Увы, пока нет теории, которая позволяла бы качественно всё это интерпретировать. Но выглядит как с водой.

[Е.Б.] И всё это в знаменитом Большом адронном коллайдере?

[М.Г.] Нет, мы используем штуку, которая называется протонный суперсинхротрон, — тоже в ЦЕРН. Собственно, это последний ускоритель, который разгоняет частицы перед входом в Большой адронный коллайдер. Сам БАК использовать нет смысла: в нём слишком много энергии, фазовые переходы не успеем зафиксировать. Нам нужен определённый диапазон энергий. Российский ускоритель НИКА, кстати, сидит точно в этих энергиях, мы очень ждём его запуска.

[Е.Б.] В вашей области, как нигде, сильны международные связи. Почему?

[М.Г.] Это вопрос ресурсов. Причём не только финансовых — это всем понятно, — но и кадровых. Например, нужны 150 физиков, работающих в определённой узкой области. Их тяжело найти, ни в одной отдельной стране их просто нет. Чтобы сделать всё самым лучшим образом, надо собрать самых лучших экспертов со всего мира. Получается, чтобы познать тайны Вселенной, мы должны перестать делиться на нации и выступать все вместе, как люди.

[Е.Б.] Может поэтому ваша сфера вызывает столько эмоций, даже у людей далёких от физики? Такое чувство, что открытию бозона Хиггса радовалась вся планета.

[М.Г.] Люди со всего мира 20 лет строили Большой адронный коллайдер. Все ждали от него фундаментальных открытий. И дождались! Открытие частицы Хиггса позволило лучше понять фундаментальные свойства материи, понять, откуда берётся масса. Это революция в физике! Похожая ситуация с гравитационными волнами, они были предсказаны много лет назад, и в конце успех экспериментальной науки. Конечно, все мы радуемся, это ведь позволяет нам лучше понять наш мир!

Одно из фундаментальных свойств человека, которое объединяет нас всех, независимо от культуры, религии, политики, это любопытство. Это то, что движет и науку, и физику в частности. Это позволяет нам объединяться, работать вместе, несмотря на все различия. Любопытство не знает границ, по крайней мере государственных.


P.S. Всех интересующихся темой Megascience и наукой в целом, портал oLogy приглашает 13-14 октября на площадку Фестиваля NAUKA 0+ "Золотые мозги" в главном здании Российской академии наук на Ленинском проспекте 32А. В программе выставка научных комиксов, дискуссии, встречи с авторами научно-популярных книг, научные настолки и многое-многое другое. Подробности - на страничках мероприятия в Facebook и VK.

NA61/Shine
(«SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment») эксперимент в сфере физики элементарных частиц на Супер-протонном синхротроне в Европейской организации Ядерных Исследований (ЦЕРН). Эксперимент исследует конечные состояния адронов, получаемые в результате взаимодействия пучков различных частиц (пионов, протонов и ядер бериллия, аргона и ксенона) с различными фиксированными ядерными мишенями на SPS энергиях.
Источники

Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018

Иллюстрации

shine.web.cern.ch / iStock