С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Большой адронный коллайдер, в создании которого участвовали учёные и специалисты более чем 40 стран, предназначен для исследования фундаментальных проблем современной физики элементарных частиц и ранней истории Вселенной. Научной программе этого ускорительного комплекса со встречными пучками протонов и тяжёлых ядер, роли международного сотрудничества учёных в развитии науки и вкладу российских специалистов в разработку уникального оборудования для коллайдера посвятили научное сообщение на одном из заседаний Президиума РАН руководители ведущих отечественных институтов — участников большой международной коллаборации. Ниже публикуются материалы этого заседания Президиума РАН.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР - НОВЫЙ ШАГ К ПОЗНАНИЮ ГЛУБИН МАТЕРИИ
ВКЛАД ФИЗИКОВ РОССИИ В КРУПНЕЙШИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПРОЕКТ НА РУБЕЖЕ XX И XXI ВЕКОВ
В.А. Матвеев, А.Н. Сисакян, А.Н. Скринский
По мере углубления в недра структуры окружающей нас материи мысленному взору человека открываются всё новые тайны и ранее неизвестные явления. Иные тайны уже разгаданы, но множество других ещё остаётся загадкой для человечества. Очередной шаг к их познанию, возможно, будет сделан с помощью Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider — LHC), сооружённого в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований объединёнными усилиями международного сообщества учёных и инженеров.
Большой адронный коллайдер — это не только 27-километровое кольцо, пробитое на 100-метровой глубине в толще горных пород. Между двумя горными массивами — Юрскими горами и Альпами — под территорией Швейцарии и Франции расположилась цепь ускорителей, где последовательно разгоняются частицы до скорости, близкой к скорости света. В кольце подземного тоннеля они достигают 11 тыс. оборотов в секунду. Удерживают частицы встречных пучков двухапер-
турные сверхпроводящие магниты ускорителя-коллайдера. Каждый сверхпроводящий диполь — один из элементов системы сверхпроводящих магнитов — весит около 25 т и имеет длину 15 м. Он может работать только при сверхнизкой температуре в 1.8 К, для чего охлаждается жидким сверхтекучим гелием. Включаясь в работу, такой сверхпроводящий магнит создаёт поле величиной более 8 Тл. А всего диполей в системе магнитов коллайдера 1236. Эту систему дополняют ещё 860 квадруполей и более 6 тыс. корректирующих магнитов. Очень важную часть комплекса составляют четыре детектора — огромные и сложнейшие сооружения, позволяющие анализировать образующиеся в результате столкновений потоки частиц.
Комплекс Большого адронного коллайдера — это поистине масштабное воплощение в реальность самой передовой научной и инженерной мысли.
Г*\ с - О!
^^ЮР1!?" МАТВЕЕВ Виктор Анатольевич — ака-
демик, директор Института ядерных ис-
I РАНН0Й ФИЗИКИ ШМ' ' И Будкера СО
ГРАНИЦЫ НАШИХ ЗНАНИЙ
Во второй половине ХХ в. на создаваемых в мире ускорителях были открыты сотни элементарных частиц. Любопытно, что большинство из них оказались вовсе не элементарными, хотя по традиции мы всё же продолжаем их так называть. Изучению внутренней структуры элементарных частиц, закономерностей их образования и взаимодействия между собой исследователи посвятили отдельный большой раздел науки и назвали его физикой частиц.
Физика частиц занимается так называемыми фундаментальными взаимодействиями, которые невозможно свести друг к другу: они различны по силе и радиусу влияния. Сегодня известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое электромагнитное и сильное. Поиски других типов взаимодействий упорно продолжаются и на уровне микромира, и в космологических масштабах, но пока никаких признаков их существования не обнаружено.
Многие свойства частиц проявляются только в высокоэнергетических процессах, то есть в процессах, происходящих при очень высоких энергиях (в сотни и тысячи раз больше, чем в ядерных процессах!). Именно высокая энергия частиц создаёт условия, в которых образуются новые формы материи, недоступные для наблюдения и исследования при низких энергиях.
Накопленные к концу ХХ столетия сведения о фундаментальных свойствах материи радикально изменили всё наше мировоззрение. Платформой
для анализа и мощным вычислительным инструментом стала квантовая теория поля, описывающая поведение частиц и предсказывающая их свойства, закономерности рождения и распада.
На базе достижений квантовой теории поля и теории элементарных частиц сформулирована самая совершенная и самая стройная к нынешнему моменту теория фундаментальных частиц и взаимодействий, названная Стандартной моделью. Эта модель с высокой точностью описывает всю известную сегодня совокупность экспериментальных данных о фундаментальных взаимодействиях в природе и фактически представляет собой иерархическую структуру мира частиц, связанных двумя типами взаимодействий: электрослабым и сильным. Стандартная модель позволяет качественно и количественно объяснить процессы, протекавшие во Вселенной, начиная с первых долей секунды после Большого взрыва вплоть до нашей эпохи. О поразительных возможностях этой модели, взятой вместе с теорией гравитации (гравитационное взаимодействие физикам пока не удаётся объединить с остальными типами взаимодействий в единой модели), можно судить по масштабу и диапазону её предсказательной силы. Диапазон расстояний тех явлений, которые описывает Стандартная модель, составляет величину 44-го порядка! Так что без всяких преувеличений Стандартную модель можно назвать наивысшим достижением научной мысли ХХ столетия. В последние десятилетия появились прямые указания на неполноту этой великолепной модели (прежде
всего практически доказано существование так называемой тёмной материи).
Основные положения, на которые опирается Стандартная модель, включают представления о фундаментальных частицах — кварках и лептонах; о калибровочных векторных полях, являющихся переносчиками основных сил природы — сильных, слабых и электромагнитных; о фундаментальной группе калибровочной симметрии. Важную роль в Стандартной модели играет принцип спонтанного нарушения калибровочной симметрии электрослабых взаимодействий. Все перечисленные положения и их следствия детально проверены. Они считаются незыблемыми элементами существующей теории. Исключение составляет лишь хиггсовский механизм генерации масс элементарных частиц.
На основе спонтанного нарушения калибровочной симметрии при сохранении перенормируемости английский физик П. Хиггс предложил теоретический механизм приобретения элементарными частицами массы. Механизм Хиггса [1] опирается на предположение о существовании в природе фундаментального скалярного поля с ненулевым значением в вакууме — своего рода моря, заполняющего в вакууме всё пространство и вызывающего появление массы у кварков, леп-тонов и промежуточных векторных бозонов. Однако механизм Хиггса ещё ждёт своего экспериментального подтверждения, возможно, в экспериментах на Большом адронном коллайдере.
В обоснование Стандартной модели важнейший вклад внесли представители известных российских физических школ, таких как школы академиков В.А. Фока, Л.Д. Ландау, Н.Н. Боголюбова, И.Е. Тамма и ряда других.
ЗАГАДКИ ВСЕЛЕННОЙ
Несмотря на достигнутую высокую степень понимания фундаментальных свойств материи, перед наукой сегодня стоит множество неразрешённых проблем и загадок. Часть их под условным названием "загадки Вселенной" имеет отношение к ранним стадиям, эволюции Вселенной:
♦ в каком состоянии была материя во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва?
♦ почему во Вселенной практически отсутствует антиматерия?
♦ из чего состоит так называемая тёмная материя?
♦ какова природа тёмной энергии?
Сверхплотное состояние материи. Вопрос о фазовом состоянии материи заставляет задуматься о том, каким было вещество сразу после Большого взрыва, когда первые атомы, их ядра и составляющие ядер — протоны и нейтроны — ещё не успели сформироваться в сверхплотном и сверхперегре-
том сгустке материи. Такое состояние вещества, похожее на электрон-ионную плазму, называют кварк-глюонной плазмой, хотя теоретики иногда сравнивают это состояние с почти идеальной квантовой жидкостью. Считается, что в кварк-глюонной плазме кварки и глюоны могут распространяться как свободные частицы. Предполагается, что в естественных условиях кварк-глюон-ная плазма существовала в первые мгновения после Большого взрыва.
Исследования этого нового состояния сильно-взаимодействующей материи занимают важное место в современной физике высоких энергий. Большие плотности адронной материи могут быть достигнуты при столкновении тяжёлых атомных ядер, ускоренных до высоких энергий.
Антиматерия. Одна из загадок эволюции Вселенной связана с причиной её барионной асимметрии — наблюдаемым преобладанием вещества над антивеществом. Академик А.Д. Сахаров, предлагая свой подход [2] к объяснению природы этой асимметрии, исходил из предположений о необратимости процесса эволюции Вселенной, наличии взаимодействия, которое нарушает закон сохранения барионного числа, и нарушении фундаментальной симметрии, так называемой комбинированной СР-симметрии частиц, обусловленной изменением зарядовой и пространственной чётностей частиц. В настоящее время в экспериментах с распадами тяжёлых мезонов ведутся детальные исследования СР-нарушения. Сверхточные измерения параметров этого эффекта исключительно важны для поиска возможного вклада в СР-нарушение явлений за пределами Стандартной модели, а также для изучения процессов формирования вещества на ранних стадиях эволюции Вселенной. В экспериментах на Большом адронном коллайдере предполагается продолжить исследования фундаментальных симметрий в мире элементарных частиц.
Тёмная материя. Не так давно установлен парадоксальный факт: лишь менее 5% массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Невидимая же часть — более 95% материального мира — ассоциируется со скрытой тёмной материей (около 25%) и тёмной энергией (до 70%), физическая природа которых пока неизвестна.
Гравитационное поле в скоплениях галактик может быть измерено по эффекту гравитационного линзирования, в соответ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.