Рис. 1. Представители коллабораций, отмеченных за открытие топ-кварка, с памятными медалями и сертификатами Премии в области физики частиц и высоких энергий. Слева направо: глава отделения физики частиц Европейского физического общества Барбара Эразмус (Barbara Erazmus), Джорджио Кьярелли (Giorgio Chiarelli) из коллаборации CDF, Пол Грэннис (Paul Grannis) и Дмитрий Денисов (Dmitri Denisov), оба из коллаборации D0. Фото с сайта news.fnal.gov

В середине июля Европейское физическое общество отметило Премией в области физики частиц и высоких энергий открытие, сделанное уже почти четверть века назад: в 1995 году коллаборации D0 и CDF, работавшие на Тэватроне, объявили об открытии топ-кварка. Мы побеседовали с физиком Дмитрием Денисовым, много лет бывшим одним из руководителей коллаборации D0, и об этом приятном событии, и о важных вызовах, стоящих перед физикой элементарных частиц, и о некоторых проблемах, которые ученым тоже приходится решать.

В июне мне посчастливилось сделать интервью с Владимиром Дмитриевичем Шильцевым, одним из ведущих ученых американской Национальной лаборатории ускорителей имени Энрико Ферми, более известной как Фермилаб (см.: Владимир Шильцев о том, как изменится ускорительная физика в ближайшие десятилетия, «Элементы», 20.06.2019). Мы обсуждали ближние и далекие перспективы экспериментальной физики элементарных частиц и проекты будущих коллайдеров, которые станут ее основными инструментами.

Однако исследование микромира отнюдь не замкнуто на достижении максимально высоких энергий на суперускорителях. В физике элементарных частиц хватает очень глубоких проблем, которые решаются более скромными средствами. Речь идет об исследовании частиц, из которых сложены атомные ядра, а также и самих ядер. В этом направлении физика частиц смыкается с ядерной физикой, образуя обширное поле для интереснейших исследований. Об этом я поговорил с коллегой Шильцева питомцем МФТИ Дмитрием Сергеевичем Денисовым (Dmitri Denisov). Он тоже много лет проработал в Фермилабе, где был одним из руководителей славной научной коллаборации D0, которая разделила с партнерской командой CDF славу открытия самого массивного представителя кваркового семейства — топ-кварка. В феврале этого года он перешел в Брукхейвенскую национальную лабораторию, расположенную на острове Лонг-Айленд неподалеку от Нью-Йорка. Этот всемирно знаменитый научный центр в основном (но не исключительно!) занимается фундаментальными исследованиями на стыке физики частиц, ядерной физики и астрофизики. В новой должности Денисов руководит программой Брукхейвенской лаборатории по физике высоких энергий. Так что мне было о чем спросить, а ему — о чем рассказать.

Однако начали мы с истории. За несколько дней до нашей беседы Денисов вернулся из Гента, куда приезжал для получения престижной награды от Европейского физического общества (рис. 1). Не обсудить это событие было бы грешно.

— Дима, давайте начнем с премии: кому и за что?

Рис. 2. Медаль Премии в области физики частиц и высоких энергий, врученная коллаборации D0. Фото предоставлено Дмитрием Денисовым

Д. Д.: В этом году Европейское физическое общество премировало за исследования в области физики высоких энергий две коллаборации, которые в 1995 году объявили об открытии топ-кварка. Это наша группа D0 и коллеги из группы CDF. После этого мы еще много лет детально изучали свойства этой частицы — массу, спин, моды распада (Decay modes) и многое другое. Все эти характеристики мы промерили с очень высокой точностью. И вот теперь нам был вручен соответствующий сертификат и красивая медаль (рис. 2). Своим решением Общество признало, что наши результаты представляют большую ценность не только для физики высоких энергий, но и физики в целом. Напомню, что на сегодняшний день топ-кварк — это самая тяжелая из открытых элементарных частиц.

Многие из нас ожидали, что премий за столь важное открытие будет и побольше. Сложность в том, что большинство наград за научные исследования по традиции присуждается не коллективам, а конкретным людям. Скажем, Нобелевскую премию за бозон Хиггса получили только два физика-теоретика, которые его предсказали1. Эта премия вообще не может иметь более трех получателей — естественно, индивидуальных. Лет сто назад, когда экспериментальная физика была делом рук отдельных ученых, такое правило было естественным, сейчас оно устарело. Скажем, в нашей коллаборации D0 участвовали 600–700 ученых из двадцати одной страны (рис. 3). Примерно такого же размера и коллаборация CDF. Мы работали на двух разных детекторах, однако получили полностью совпадающие результаты. Это очень важно, поскольку в результате исчезли все сомнения в существовании топ-кварка. Кстати, наша работа стала первым примером одновременного открытия новой частицы силами двух независимых коллективов. Потом, конечно, были и другие — скажем, хиггсовский бозон тоже был открыт2 на Большом адронном коллайдере двумя коллаборациями ATLAS и CMS.

Рис. 3. Члены коллаборации D0 в одном из залов Тэватрона, 2011 год. Фото с сайта news.fnal.gov

Эксперименты на крупных установках попросту непосильны малым группам, такова реальность современной физики. И в то же время есть не так уж много научных призов, которые по статусу могут выдаваться коллаборациям. Европейское физическое общество таким правом обладает. Поэтому нам пришлось подождать получения этой, я считаю, давно заслуженной премии за открытие топ-кварка.

— Дима, теперь давайте поговорим о Вашей новой работе. Чем станете заниматься в Брукхейвене? И чем Ваши новые обязанности будет отличаться от прежних функций в Фермилабе?

Д. Д.: Как Вы знаете из названия моей нынешней должности, я отвечаю за брукхейвенскую программу физики частиц высоких энергий. Моя компетенция распространяется на ее финансирование, определение научных направлений, контакты с другими исследовательскими центрами. В Фермилабе я двадцать пять лет занимался экспериментальными исследованиями, по преимуществу поиском самого массивного кварка и изучением его свойств, а потом поиском бозона Хиггса. Эту работу я продолжаю и в Брукхейвене. В этом плане мы очень активно сотрудничаем и с командой из БАК, которая работает на детекторе ATLAS, и с японскими учеными из лаборатории КЕК, и с коллегами из Фермилаба. Кроме того, мы занимаемся проектами в интересах физики частиц в целом — например, это сверхпроводящие магниты для будущих коллайдеров и тестовые установки для отработки новых методов ускорения частиц. Всего у нас работают около двухсот сотрудников, а финансирование составляет порядка ста миллионов долларов в год. Таковы наши масштабы.

— Как я понимаю, главная специальность Брукхейвена — это исследование столкновений тяжелых ионов на уникальном ускорителе RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider. Это ведь вроде бы уже не физика высоких энергий — во всяком случае, в современном понимании?

Д. Д.: Хороший вопрос. У нас работает самый универсальный в мире ускоритель тяжелых ионов (рис. 4). Там можно сталкивать ядра различных элементов, разгоняя их в широком диапазоне энергий — от нескольких ГэВ до сотен ГэВ в системе центра масс. Он действительно финансируется не по линии физики высоких энергий, а в рамках программ по ядерной физике. Но у нас общая компьютерная группа, да и в целом различия больше на административном уровне. Сами эксперименты очень похожи, детекторы работают на одних и тех же принципах, да и базовая физика одна и та же. Так что моя команда очень плотно сотрудничает с коллегами, работающими на ускорителе тяжелых ионов.

Рис. 4. Схема ионного коллайдера RHIC, расположенного в Брукхейвенской лаборатории. Сначала ионы проходят через несколько предварительных ускорителей, затем, набрав энергию порядка 100 МэВ, они попадают в синхротрон AGS, в котором они разгоняются уже до нескольких ГэВ. Наконец, ускоренные ионы подаются в основные кольца RHIC (синее и желтое), которые пересекаются в нескольких местах, чтобы частицы могли сталкиваться. В настоящее время на RHIC работают два детектора: STAR и PHENIX. Рисунок с сайта bnl.gov

— Эксперименты на ионных коллайдерах все же не так знамениты, как на Тэватроне или Большом адронном коллайдере. Наверное, стоит рассказать, в чем состоят их цели и главные достижения.

Д. Д.: Я вижу у них две главные задачи. Во-первых, это изучение структуры нуклонов, то есть протонов и нейтронов. Мы знаем, что они состоят из кварков — частиц с электрическими и цветовыми зарядами, которые взаимодействуют посредством глюонов. При этом глюоны сами несут цветовые заряды и потому не просто переносят межкварковые взаимодействия, но и непосредственно в них участвуют. Все эти вещи пока что удалось понять на базовом уровне. Физика элементарных частиц прежде всего ведь интересуется индивидуальными глюонами и кварками, в этом ее специфика. Ядерная физика занимается ассоциациями частиц, входящих в состав нуклонов, то есть тех же глюонов и кварков, но в связанных состояниях и в больших количествах. Элементарные законы их взаимодействия уже известны, однако нам еще предстоит многое узнать о том, как они управляют поведением глюонно-кварковых коллективов. Например, пока никто не понимает, как у протона возникает спин (рис. 5) и каков вклад в это кварков и глюонов3. Величина спина протона измерена с очень высокой точностью, но вот ее квантовая структура остается загадкой. В этой области есть много других интересных задач, которые можно решать, сталкивая тяжелые ионы.

Рис. 5. Схематичное изображение того, откуда может браться спин протона с точки зрения разных систем отсчета. Слева — в неподвижном протоне все получается из спина трех кварков; справа — в быстро летящем протоне влиять могут спины и орбитальные угловые моменты кварков и глюонов. Но как на самом деле возникает спин протона — пока неясно. Изображение из статьи A. Accardi et al., 2012. Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier — Understanding the glue that binds us all

Вторая задача — это изучение кварк-глюонной плазмы. При ионных столкновениях нуклоны превращаются как раз в такую плазму. Фигурально выражаясь, это чрезвычайно горячий суп из кварков и глюонов. Свойства этого супа представляют огромный интерес и для физики, и для астрофизики, и даже для космологии. Нужно знать, как кварк-глюонная плазма себя ведет в нагретом состоянии, как расширяется и как сжимается, как ее давление зависит от плотности и как из нее возникают нуклоны при охлаждении. Есть все основания считать, что Вселенная в свои первые моменты как раз и существовала в виде такого супа, разбавленного другими частицами. Поэтому изучение кварк-глюонной плазмы позволяет заглянуть в самое начало истории Вселенной.

— Пока Вы говорили о задачах. А как с результатами? Вот чего мы не знали пять или десять лет назад, но знаем, или думаем, что знаем, сегодня?

Д. Д.: Если говорить о результатах, то их немало. Например, получена очень интересная информация о том, как внутри кварк-глюонной плазмы распространяются частицы — те же кварки или Z-бозоны. Оказывается, там есть свои законы, от которых зависит, как они взаимодействуют с компонентами плазмы и с какой скоростью теряют при этом энергию. Раньше эти законы были неизвестны, а на сегодняшний день они хорошо изучены.

Надо четко понимать, что кварк-глюонная плазма — это совершенно особое состояние материи. Она рождается при энергичных столкновениях тяжелых ионов, но не мгновенно, а через ряд промежуточных этапов. Еще лет десять назад мы мало что знали об этих переходах, а сейчас уже понимаем многие детали. Точно так же теперь мы гораздо больше знаем о процессах охлаждения кварк-глюонной плазмы, в ходе которых она дает начало не только всем известным протонам и нейтронам, но и другим частицам. С точки зрения ядерной физики это были основные достижения последнего десятилетия.

— Дима, сейчас в США активно обсуждается план строительства коллайдера нового типа, в котором будут сталкиваться электроны и тяжелые ионы. Название уже выбрано — EIC, Electron-Ion Collider. Есть шансы, что он будет построен именно в Брукхейвене, в Вашей собственной епархии. Правда, у Вас есть конкурент в лице Национального ускорительного центра имени Томаса Джефферсона в штате Вирджиния, который обычно называют Джефферсоновской лабораторией. Расскажите об этом проекте.

Д. Д.: Этот проект не так уж и нов, его впервые предложили почти десять лет назад. Основная идея состоит в том, чтобы разогнать электроны до энергии 15–20 ГэВ, и просканировать ими ядра урана или другого тяжелого элемента. При таких энергиях де-бройлевская длина волны электронов очень мала, и потому с их помощью можно получить детальную информацию о положениях и импульсах кварков и глюонов внутри того или иного массивного ядра. Практически получается аналог электронного микроскопа, предназначенный для просвечивания ядер. Таким способом можно добыть ценнейшие сведения о внутриядерных структурах, причем с очень высокой точностью.

Электроны можно сталкивать не только с тяжелыми ионами, но и с протонами. В этом случае мы уже будем сканировать свободные протоны, получая прямую информацию об их внутреннем устройстве. Важное преимущество детектирования электронно-протонных столкновений состоит в том, что спины и тех, и других частиц можно ориентировать по заранее выбранным направлениям — такие пучки физики называют «поляризованными». Эксперименты на EIC дадут новую информацию о распределении кварковых спинов внутри протона, а это, возможно, позволит решить и загадку протонного спина. Электронно-ионный коллайдер обещает стать замечательным инструментом и ядерной физики, и физики частиц.

Наша лаборатория действительно предложила создать у себя этот новый коллайдерный комплекс. Наше главное преимущество в том, что Брукхейвен уже располагает первоклассным ускорителем тяжелых ионов, который станет частью нового комплекса. Конечно, нужно будет построить ускоритель электронов на 20 ГэВ, но это на сегодняшний день стандартная задача. Такие ускорители используют во многих местах — например, как источники синхротронного излучения. Кроме того, для EIC понадобятся и соответствующие его специфике детекторы, которые еще предстоит разработать и изготовить. Не скажу, что это простая задача, но она в принципе решаема.

На создание EIC претендует и Джефферсоновская лаборатория. У них нет ионного ускорителя, но зато имеется недавно модернизированный ускоритель электронов CEBAF, Continious Electron Beam Accelerator Facility, разгоняющий частицы до энергии 12 ГэВ. В начале осени ожидается доклад Министерства энергетики с оценкой технических и финансовых аспектов строительства электрон-ионного коллайдера в обеих лабораториях-претендентах.

— И если проект утвердят, когда EIC сможет заработать?

Д. Д.: Ориентировочный срок строительства — примерно десять лет. После того, как будет определено местоположение коллайдера, два-три году уйдут на его техническое проектирование. Так что строительство удастся начать года через три-четыре, то есть где-то в 2023 или 2024 году. И еще лет шесть надо положить на собственно строительство коллайдера, отладку всех его систем, создание и установку детекторов. При благоприятном раскладе эксперименты удастся начать ориентировочно в 2030 году.

— Женевский БАК, как известно, обошелся не то в 5–6 миллиардов долларов, не то даже около восьми миллиардов, публиковались разные оценки. А как насчет предполаемой стоимости EIС?

Д. Д.: EIС будет гораздо дешевле. Где бы его ни решили разместить, он не будет строиться с нуля. Скажем, у нас в Брукхейвене не понадобится рыть новый туннель, поскольку электронный ускоритель можно будет разместить в том, который уже существует. Полагаю, что строительство EIC будет стоить около двух миллиардов долларов.

— По сравнению с БАК это и в самом деле скромно. А преемники у БАК найдутся?

Д. Д.: Европейские физики сейчас активно обсуждают, как будет развиваться физика высоких энергий, когда БАК исчерпает свой потенциал. По мнению большинства специалистов, такое скорее всего случится в начале 2030-х годов. В ближайшие 10–12 лет работы на БАК, конечно, продолжатся. Для них составлена очень интересная программа экспериментов с высокими светимостями пучков и с небольшим подъемом энергии. После этого БАК в определенном смысле себя исчерпает. И тут нет ничего удивительного. Практика показывает, что большие ускорители, действующие на переднем краю физики высоких энергий, продуктивно работают два-три десятилетия. Так было с Тэватроном, который действовал с 1983 года по 2011-й. Эксперименты на БАК начались в 2010 году, так что ему суждены еще многие годы работы.

И все же ученые уже думают о том, что делать на следующем этапе. Есть проекты коллайдеров нового поколения, которые могут быть построены не только в Европе, но также в Японии и в Китае. Например, по одному из проектов ЦЕРН будет строить электрон-позитронный кольцевой суперколлайдер на сверхпроводящих магнитах, размещенный в стокилометровом туннеле. Эта машина сможет обеспечить энергию соударений в 380 ГэВ, что достаточно для рождения не только хиггс-бозонов, но и топ-кварков. Там же обсуждается проект линейного коллайдера, который будет использовать медные структуры. Думаю, что в течение двух-трех лет станет известно, какой — или какие — проекты будут реализованы.

— Кстати, о Японии. Как обстоят дела с проектом ILC, Международного линейного коллайдера, который предполагают построить в Японии. Японское правительство так и тянет с решением?

Д. Д.: Этот проект пока не утвержден4. В Японии действует комитет, составленный из ведущих ученых, который рассматривает самые большие и дорогостоящие исследовательские программы. Он занимается и физикой высоких энергий, и дальним космосом, и Луной, и другими проектами. В сентябре он должен представить свои рекомендации. Возможно, их обнародуют не сразу, но, скорее всего, до конца этого года. Если комитет выскажется в поддержку ILC, не исключено, что правительство Японии согласится его профинансировать и объявит об этом. Пока надо подождать.

— Дима, в последние годы, после открытия бозона Хиггса, мне в основном приходится писать об астрономии и астрофизике. Физика частиц не то чтобы осталась за бортом, но всё же ушла с первого места по количеству важных новостей. Как Вы думаете, есть ли шансы, что она вновь будет давать не меньше фундаментальных результатов, чем науки о Космосе?

Д. Д.: Это очень важный вопрос. Вообще-то физика частиц и астрофизика сейчас очень тесно смыкаются. Вот и у нас в Брукхейвене в моем подразделении есть большая группа людей, которая занимается астрофизикой. Кстати, многие из них раньше работали в физике частиц, и это вполне естественно.

Я с Вами целиком согласен, что в астрофизике за последние годы было сделано огромное количество фундаментальных открытий — взять хотя бы детектирование гравитационных волн, которое полностью революционизирует эту область науки. Как нас учили, все развивается по спирали, вот и еще один пример с развитием физики высоких энергий. После долгожданного открытия бозона Хиггса физика частиц не выдала ни одного столь же значительного результата. Разумеется, ученые работают, эксперименты ставятся, статьи публикуются. Но для качественного прогресса, скажем для проникновения внутрь кварков или, возможно, даже электронов — а такие надежды есть, — понадобятся новые ускорители. Будь иначе, мы бы столь активно не обсуждали проекты будущих суперколлайдеров.

Есть еще одна причина некоторого замедления прогресса в физике высоких энергий. Физику элементарных частиц — а это прежде всего ускорители — несколько десятилетий финансировали в разных странах с первым приоритетом. Отчасти это было связано с тем, что многие ведущие специалисты в этой области в свое время трудились в оборонке, делали ядерное оружие и получили большой кредит доверия. Но эти люди на сегодня уже ушли из науки. Поэтому сейчас на физику частиц выделяют меньше средств, чем в шестидесятые, семидесятые и восьмидесятые годы прошлого века.

Это не могло не сказаться на технических ресурсах. Вспомним, что с 1950-х по 1990-е энергия ускорителей росла практически по экспоненте, а в последние пару десятилетий рост замедлился. И дело здесь не только в деньгах, но и в исчерпывании возможностей существующих технологий. Например, напряженности магнитных полей, которые можно генерировать на основе существующих сверхпроводников, уже достигли предельных величин или приблизились к ним. Поэтому сделать следующие шаги в этом направлении гораздо сложнее. А вот астрофизика — довольно молодая наука, она только осваивает новые экспериментальные технологии, которым есть куда расти и развиваться. Да и стоят они пока в среднем дешевле крупных ускорительных комплексов.

Так что прорыв в астрофизике вполне закономерен. Другое дело, сколько времени он продлится. Пройдет десять-двадцать лет, все, что можно изучить относительно быстро и недорого, будет изучено. Я вполне допускаю, что для понимания природы на более глубоком уровне вновь придется обратиться к физике частиц, и ее прогресс ускорится.

— Самые крупные инструменты астрофизики уже сейчас выходят на первое место по стоимости. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба обойдется как минимум процентов на тридцать дороже БАК, а ведь его в лучшем случае запустят весной 2021 года. Космические гравитационные обсерватории, которые реально обещают прорывы в исследовании Вселенной, тоже потребуют весьма существенных расходов. Не получится ли так, что космические науки будут поглощать непомерно большую долю ассигнований, которые общество согласится выделять на изучение устройства мироздания?

Д. Д.: Нетрудно предвидеть, что специалисты из различных областей будут весьма активно соревноваться и даже конкурировать за ресурсы. Это, собственно говоря, происходит и сегодня. Но я надеюсь, что общество будет принимать в расчет не только предполагаемые затраты, но также и потенциальные научные результаты, которые могут быть получены. Тем более, что эти результаты могут оказаться и очень неожиданными, и чрезвычайно полезными в чисто практическом плане. Скажем, когда-то для Тэватрона были созданы технологии изготовления сверхпроводящих кабелей и магнитов, рассчитанных на очень сильные токи. Они были с огромным успехом использованы в магнитно-резонансных томографах, без которых немыслима современная медицина.

— Да, это очень поучительный урок. А теперь последний вопрос — уже по другой теме. Есть ли какие-то рабочие связи между Брукхейвеном и российскими центрами физики элементарных частиц — например, Дубной или Протвино?

Д. Д.: К сожалению, сейчас это большая проблема. И не только для Брукхейвена, но и для Фермилаба, и других национальных лабораторий. Из-за политических событий на очень высоком уровне взаимоотношения с российскими и китайскими научными организациями у нас очень непростые. Например, сильно ограничены служебные поездки в Россию и в Китай. Точно так же ученые из этих стран практически лишены возможности посещать наши исследовательские центры.

Такого раньше не было. Ситуация начала ухудшаться в 2014 году и потом постепенно усложнялась. А ведь возможностей для сотрудничества много. В Дубне сейчас строят коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA. Он рассчитан на низкие энергии, а наш RHIC — на высокие. Очевидно, что командам, работающим на этих ускорителях, было бы очень интересно сотрудничать. Однако пока все официальные контакты заморожены.

— Остается надеяться, кто когда-нибудь разум все-таки возобладает.

Д. Д.: Согласен. Такое ведь бывало и раньше, в 50-е и 60-е годы. Я тоже надеюсь, что в будущем ситуация улучшится, и фундаментальная наука этому поможет!

— Да будет так. Огромное спасибо за замечательную беседу.

Алексей Левин

1 См.: Нобелевская премия по физике — 2013 («Элементы», 10.10.2013).

2 Подробно об этой работе рассказано в нашей новости Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее («Элементы», 16.07.2012).

3 Об этом читайте в новости Так из чего всё-таки складывается спин протона? («Элементы», 24.09.2013).

4 О сложностях с ILC можно узнать из новости Япония по-прежнему не готова строить у себя Международный линейный коллайдер («Элементы», 07.03.2019).

Источник elementy.ru