На пути к планковским масштабам

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 30 (1999)

2-я Международная конференция по новой физике в неускорительных экспериментах (NANP-99) собрала в Дубне более 100 российских и 40 западных ученых, работающих в этой быстро развивающейся области физики элементарных частиц. Само название конференции, указывающее на ее ориентацию в будущее, на нерешенные проблемы физики, на поиск новых физических явлений, возможно, вызовет у наших читателей желание подробнее познакомиться с ее итогами.

Мы обратились к организаторам и участникам NANP-99 с просьбой поделиться своими впечатлениями о проблемах, обсуждавшихся на конференции, о том, какими путями будет развиваться физика элементарных частиц в следующем столетии, и, вообще, что такое неускорительная физика и каково ее соотношение с физикой ускорительной.

Во второй день конференции для ее участников была организована прогулка на теплоходе по Волге. По самому своему замыслу такое мероприятие располагало к непринужденной, но обстоятельной беседе. Здесь мы и побеседовали с организаторами и участниками NANP-99.

В. Б. Бруданин, сопредседатель оргкомитета

В последние десятилетия отчетливо обозначились два подхода к изучению свойств элементарных частиц: ускорительный и неускорительный. Первый базируется на использовании ускорителей для получения потоков частиц с требуемыми характеристиками, второй же ориентирован на детектирование взаимодействий с естественными потоками частиц, приходящих из космоса, или на распады в веществе детектора. Мы уже привыкли, что наиболее горячие новости приносят ускорительные эксперименты. Так было и с калибровочными W и Z-бозонами 15 лет назад и совсем недавно с тяжелым t-кварком. Все они открыты на ускорителях. В настоящее время ситуация, по-видимому, начинает меняться, и на первый план выдвигаются и неускорительные зксперименты. По всей видимости, физика элементарных частиц стоит сейчас на пороге нового прорыва, и связывают его с недавним результатом, полученным в неускорительном эксперименте “Супер-Камиоканде”. Этот эксперимент недвусмысленно указывает на то, что мюонные нейтрино, образующиеся в верхних слоях атмосферы, переходят в другие типы нейтрино, то еесть наблюдается долгожданное явление осцилляций нейтрино, которое предсказал в свое время Бруно Понтекорво. Важность этого результата для физики элементарных частиц трудно переоценить. Если он будет подтвержден, мы получим первое свидетельство того, что нейтрино обладают массой и что нейтрино разных типов смешиваются.

Сейчас мало кто сомневается, что проблема происхождения масс нейтрино является ключевой для понимания картины микромира, и ее решение нужно искать за пределами стандартной модели слабых и электромагнитных взаимодействий. Действующие и планируемые неускорительные эксперименты способны пролить свет и на многие скрытые пока фрагменты этой картины. Именно в этих экспериментах ожидаются новые результаты по распаду протона, аксионам от солнца, частицам холодной темной материи Вселенной и другим, не менее важным проблемам.

С. Г. Коваленко, сопредседатель оргкомитета

Возвращаясь к вопросу о соотношении ускорительных и не ускорительных экспериментов, будет правомерно сказать, что эти два подхода не исключают, а дополняют друг друга и в будущем они, несомненно, будут развиваться параллельно. Возможности и специфика этих подходов существенно отличаются, и то, что доступно для неускорительных экспериментов, бывает недоступно для ускорительных и наоборот. Ускорительные эксперименты способны дать однозначный ответ на вопрос о существовании тяжелых частиц, предсказываемых современными теориями, посредством прямого их рождения в высокоэнергетических соударениях обычных частиц. Однако в таком подходе присутствует принципиальное ограничение по энергии сталкивающихся частиц.

Неускорительные же эксперименты могут дать лишь косвенные свидетельства о существовании этих гипотетических частиц по тем эффектам, которые они могут производить на уровне виртуальных обменов. Однако возможности неускорительных экспериментов не имеют принципиальных ограничений на энергетической шкале. В этом смысле наши надежды проникнуть на сверхмалые расстояния (напомним, что согласно принципу неопределенности малые расстояния соответствуют большим энергиям), вплоть до Планковских масштабов, мы связываем только с неускорительными экспериментами. Говоря о Планковских масштабах, мы имеем в виду расстояния 10^-33см, где квантовая гравитация становится столь же существенной, как и другие взаимодействия и где, по этой причине, неизбежно происходит смена пространственно-временной картины мира. Именно эти возможности неускорительных экспериментов привлекают в последнее время столь пристальное внимание теоретиков и экспериментаторов, работающих в физике элементарных частиц.

Учитывая эту тенденцию, мы сформулировали три года назад идею международной конференции по неускорительной новой физике (NANP). Летом 1997 года такая конференция была проведена в ОИЯИ. Она собрала большое количество зарубежных и российских ученых. Успех конференции был очевиден. Она подтвердила, что интерес к неускорительной физике будет возрастать. Это и дало нам основание придать конференции статус регулярной с периодичностью проведения раз в два года. В июне этого года была проведена вторая конференция этой серии, NANP-99. Ее лейтмотивом была нейтринная физика, что объясняется тем огромным резонансом, которое получили упомянутые выше результаты “Супер-Камиоканде”.

Оргкомитету NANP-99 удалось собрать многих ведущих теоретиков и экспериментаторов, работающих в этой области. Был и доклад от коллаборации Супер-Камиоканде. Его сделал в первый день конференции В. Гаевски (Ирвин). Научная программа первого дня включала также интереснейшие доклады о теоретическом состоянии проблемы масс нейтрино (Ж. Валле, Валенсия) и нейтринных осцилляций (В. С. Березинский, Гран Сассо). Кроме “Супер-Камиоканде” были представлены другие хорошо известные коллаборации ведущие поиск осцилляций нейтрино в потоках солнечных и атмосферных нейтрино. Среди них SAGE (В. Н. Гаврин, ИЯИ) и “Байкал” (Г. В. Домогацкий, ИЯИ). Новые результаты экспериментов по измерению массы нейтрино в бета-распаде радиоактивных элементов были доложены В. М. Лобашевым (ИЯИ) и Ч. Вайнхеймер (Майнц). Отдельные сессии конференции были посвящены поиску нейтринных осцилляций в реакторных (обзорный доклад Дж. Бусениц, Алабама) и ускорительных экспериментах (обзорный доклад A. Гуглиеми, Падуя). Вывод такой, что никто, кроме “Супер-Камиоканде” эффектов ненулевой массы нейтрино пока не видит. Это, однако, не говорит о том, что результат СК сомнителен, хотя, конечно, он требует всесторонней проверки. Это скорее указывает на то, что в других экспериментах необходимо улучшить чувствительность к тончайшим эффектам, связанным с наличием у нейтрино очень малой массы.

В ряду теоретических докладов нельзя не отметить доклад Дж. Пати (Мэриланд), посвященный ключевому вопросу о том, какая новая физика может стоять за ненулевой массой нейтрино и что можно об этой физике сказать уже сейчас, располагая имеющимися данными. Вообще же тема новой физики так или иначе присутствовала практически во всех докладах, представленных на конференции. Обсуждались и уже ставшие почти классическими идеи великого объединения, суперсимметрии и суперструн. Этот круг проблем нашел свое отражение в целом ряде представленных на конференции докладах, из которых выделим доклад П. Нат (Бостон), где были представлены новые результаты о возможных механизмах несохранения барионного и лептонного чисел в такого рода теориях. Суперструны, живущие в многомерном пространстве, все измерения которого, кроме четырех известных нам, компактны, - это новая теоретическая парадигма физики элементарных частиц. В последнее время эти идеи получили странное и интригующее развитие: может оказаться, что некоторые из лишних пространственных измерений хоть и компактны, но простираются вплоть до миллиметровых масштабов. В этом случае эффекты квантовой гравитации становятся существенными гораздо ранее Планковских расстояний, и их наблюдение в соответствующих экспериментах может оказаться реальным. Об этом шла речь в докладе В. Нанопоулос (ЦЕРН).

Значительное внимание было уделено на конференции возможным проявлениям новой физики в редких и экзотических процессах. К наиболее перспективным с этой точки зрения относятся безнейтринный двойной бета-распад, мюон-электронная конверсия в ядрах, а также некоторые мюонные распады с нарушением лептонного аромата. Эти процессы запрещены в стандартной модели, и их обнаружение свидетельствовало бы о том, что существует какая-то новая физика за ее пределами. Обзор состояния экспериментальных поисков мюон-электронной конверсии и редких мюонных процессов был дан в докладах В. Молзон (Ирвин) и К. Вальтер (“Триумф”, Ванкувер). Теоретические идеи, разрабатываемые в данной области, обсуждались в докладах Т. С. Космас (Иоаннина) и С. Г. Коваленко (ОИЯИ). Теоретические аспекты безнейтринного двойного бета-распада были рассмотрены в докладах Дж. Д. Вергадос (Иоаннина) и А. Фэсслер (Тюбинген). Об экспериментальных поисках этого процесса доложили несколько коллабораций. Результаты пока отрицательные и устанавливается только верхняя граница на его вероятность. Но уже и это для теории весьма важно, так как позволяет найти ограничения на некоторые ключевые параметры рассматриваемых моделей. Обсуждались предложения новых экспериментов в этой области.

Еще одна тема конференции - проблема темной материи Вселенной, важная как для космологии, так и для физики элементарных частиц. Анализ движения звезд нашей Галактики и структурных образований видимой части Вселенной явно указывает на то, что до 90 процентов составляющего ее вещества - это не излучающая свет темная материя. Более глубокий анализ показывает, что большая часть темной материи является очень необычной материей: она не может состоять из протонов и нейтронов - это небарионная темная материя. Одна из частиц, которая может ее составлять - нейтрино с ненулевой массой. Однако оказывается, что объяснить наблюдаемые регулярности в структуре Вселенной невозможно только за счет нейтрино: нужны также очень тяжелые слабовзаимодействующие частицы. Всякая состоятельная теория должна содержать такие частицы. В стандартной модели их нет. Это явное указание на необходимость выхода за рамки данной теоретической схемы. Кроме того, потоки частиц темной материи, приходящие на землю из космоса, можно попытаться зарегистрировать в лабораторных условиях. Этим вопросам были посвящены несколько теоретических и экспериментальных докладов на нашей конференции.

Было уделено внимание и поискам новой физики на ускорителях. Обзорные доклады на эту тему были сделаны Ё. Сирос (Паласью) и Р. Керанен (Карлсруэ). Речь шла о поисках суперсимметрии и частиц Хиггса.

Подводя итог, скажем, что, по мнениям многих участников конференции, по насыщенности программы NANP-99 не уступал, а чем-то и превосходил другие аналогичные конференции. И в этой связи нельзя не отметить ту решающую роль, которую играют при проведении конференций такого уровня структуры и службы ОИЯИ. В других институтах многое из того, что удалось сделать, было бы просто невозможно.

Надежда КАВАЛЕРОВА

(Окончание в следующем номере)

Как, на ваш взгляд, будет развиваться экспериментальная физика в 21-м веке? С таким вопросом я обратилась к некоторым участникам конференции.

Ю. В. Гапонов (РНЦ “Курчатовский институт):

Во-первых отмечу, что эксперименты в физике элементарных частиц становятся все более дорогими. С другой стороны есть, к сожалению, явная тенденция к сокращению расходов на науку. Однако физики научились преодолевать связанные с этим трудности. Для проведения серьезного эксперимента они объединяются и создают команды по несколько сотен человек. Как правило, это физики из разных стран. В результате удается привлечь немалые средства – и поставленная научная цель, как правило, достигается. Научный поиск нельзя остановить.

Во-вторых, во многих экспериментальных установках используются очень дорогие вещества, изотопы. В частности, в эксперименте NEMO, в котором участвует группа, возглавляемая Бруданиным, проводятся исследования по двойному бета-распаду различных изотопов. Это очень редкий процесс. Характерные времена распада атомного ядра по этому каналу примерно 10²⁴ лет. Такого рода эксперименты сейчас чрезвычайно интересны для физики. И чтобы реализовать такой эксперимент, надо иметь очень чистый изотоп. Это большая проблема, потому что в природе все существует в смешанном состоянии. Технологии выделения конкретного изотопа невероятно сложны и дорогостоящи. Многие, вероятно, знают или слышали о проблеме выделения чистого урана. С другими изотопами дело обстоит еще сложнее. Все это составляет проблему разделения изотопов. В химии прошлых столетий разделение химических элементов было той проблемой, без решения которой нельзя было продвинуться в изучении химических законов. Также и в наше время, нужны чистые изотопы данного химического элемента, чтобы изучить некоторые свойства ядерной структуры. Я думаю, сейчас будет активно развиваться такой прикладной раздел, как изотопная физика, потому что те вещества, с которыми нам сейчас приходится работать, изотопически смешаны. Никто не знает, а это, возможно, одна из проблем следующего столетия, какие технологические решения будут возможны на основе не просто химически чистых, но еще и изотопически чистых веществ. Это может привести к совершенно новым и неожиданным техническим находкам. К сожалению, получать изотопы в больших количествах очень сложно. Здесь нужно искать какие-то новые методы и подходы, возможно с применением лазерной техники. В настоящее время Россия является, пожалуй, наиболее технически оснащенной страной в мире в смысле своих возможностей по разделению некоторых изотопов и производства их в значительных количествах. В отличие от других мы умеем это делать дешево и качественно. Конечно, все это благодаря советскому атомному проекту. У американцев метод в 10 – 15 раз дороже. Чистые изотопы – это, так сказать, чисто русское изобретение, здесь мы впереди. Мне приятно сознавать, что это действительно так, и что, несмотря на все проблемы, мы сохранили этот потенциал. Мы сохранили и развили это и многое другое, чем сильна российская наука. Это привлекает к нам зарубежных ученых. А как сейчас важно чтобы приезжали к нам, а не наоборот.

Ф. Авиньон (Южная Каролина):

Я занимаюсь физикой нейтрино 35 лет. В течение более 11 лет я работал с двумя группами российских ученых из ИТЭФ (Москва) и из нейтринной лаборатории в Баксане (ИЯИ, Москва).

В экспериментах, которые я здесь представляю, участвуют США, Россия и Испания.

Мое участие в этой конференции – это уже четвертый приезд в Дубну. Я участвовал в такой же конференции два года назад. Труды конференции, подготовленные РАН, были сделаны более профессионально, чем на большинстве других конференций. Темы распределены отлично благодаря работе наших друзей здесь, в частности, В. Бруданина, С. Коваленко, В. Беднякова. Мне показалось привлекательным принять участие в конференции. Мне предложили войти в состав Международного консультативного комитета, что я рассматриваю как комплимент. Я помог с участием нескольких американских докладчиков. В целом, мне очень понравилась конференция. На ней обсуждались вещи, которые без сомнений будут интересны и в следующем столетии. Я считаю, что для нас, американцев, важно поддерживать очень хорошие научные связи с россиянами, потому что они могут сделать и уже сделали многое, чего мы не сделали, и наоборот. Так что для меня это полезное сотрудничество. И потом, как вы уже, наверное, заметили, у меня здесь много друзей.

Некоторые считают, что время ускорителей закончится в ближайшие 15 - 20 лет. Так что тема этой конференции приобретает еще большую важность, потому что уже совершенно ясно, что астрофизика, космология, процессы взаимодействия в звездах имеют дело с исключительно высокими энергиями. Неускорительные эксперименты способны проникнуть на столь малые расстояния, которые никогда не будут доступны для ускорителей. В США мы уже устали финансировать ускорительную физику. А тем временем в Европе и в России, везде за пределами США, неускорительная физика стала более популярной. Я думаю, она будет играть все более важную роль.

Л. Б. Безруков (заместитель директора ИЯИ РАН):

По моему мнению, и это подтверждают результаты, представленные на конференции, неускорительная физика уже сейчас развивается наравне с ускорительной. Думаю, что с начала 21 века начнется еще более бурное развитие неускорительной физики частиц. В ее основе лежат, в первую очередь, подземные и глубоководные эксперименты.

Например, на этой конференции обсуждались эксперименты по регистрации и исследованию наиболее энергичных частиц, встречающихся в природе, которые прилетают на Землю из далекого (как в пространстве, так и во времени) космоса. Проекты таких гигантских установок по исследованию космических лучей, как, например, установка ОЖЕ (руководитель проекта – лауреат Нобелевской премии профессор Кронин) – характерная черта для физики 21-го века. И осуществление таких проектов будет возможно только в рамках очень крупных международных коллабораций, объединяющих сотни ученых, десятки стран.

Так, в России и раньше проводились исследования космических лучей на установках большой площади (например, в Якутии) под руководством академика Г. Б. Христиансона. И даже раньше вышеупомянутой установки ОЖЕ в России обсуждался и разрабатывался проект установки подобного масштаба ШАЛ-2000.

К сожалению, в связи с финансовыми проблемами, работы по созданию этой установки у нас в стране задерживаются, в то время как проект ОЖЕ в Бразилии уже начал осуществляться.

Из глубоководных установок хотел бы отметить проект “Байкал”, о первых результатах и перспективах которой докладывалось на данной конференции. В Байкальском эксперименте активно участвуют ученые ИЯИ РАН и ОИЯИ при содействии зарубежных ученых, в частности, из Германии. Но и здесь снова приходится говорить о финансовых ограничениях, так как для того, чтобы установка “Байкал” начала играть действительно ведущую роль в неускорительной физике, необходимо значительно увеличить количество фотоумножителей, “просматривающих” байкальскую воду, т.е. увеличивать эффективный объем установки.

Эта конференция показала, какие огромные неускорительные установки уже работают и планируются в ближайшем будущем. Так, в первый день конференции докладывались результаты, полученные на установке “Супер Камиоканде”, которая представляет собой огромный бак с 50 000 тонн чистой водой, расположенный глубоко под землей в Японии. Он просматривается десятью тысячами фотоумножителей, каждый диаметром полметра. Совершенно грандиозная установка, в которой каждый канал работает четко и надежно. И это дало уже очень важный и интригующий научный результат – впервые заявлено об обнаружении нейтринных осцилляций, которые возможны при наличии у нейтрино пусть совсем незначительной, но все же ненулевой массы покоя. Такое явление теоретически предсказывалось (впервые на его возможность указывал еще Б. М. Понтекорво), затем оно всесторонне обсуждалось в рамках различных теоретических моделей в связи с проблемой “дефицита солнечных нейтрино”. Конечно, такое фундаментальное открытие должно быть многократно проверено и подтверждено другими экспериментами. В частности, в скором времени должна заработать другая крупномасштабная подземная установка SNO в Канаде. Если это открытие подтвердится, это будет означать, что нейтрино имеет массу покоя, а это должно иметь не только чисто научное значение, но и большие физико-технологические последствия.

Символично, что на этой конференции были представлены большие проекты 21-го века, представляющие собой слияние ускорительной (реакторной) и неускорительной физики. Источниками потоков нейтрино в таких проектах являются наземные реакторы, а детектировать эти “рукотворные” нейтрино будут подземные детекторы, удаленные на сотни, а то и тысячи километров. К таким проектам относятся Камланд, Окланд и др.

Конференции такого класса очень полезны, они позволяют совместно обсуждать идеи, находить точки соприкосновения, помогать друг другу создавать новые коллаборации. Нам, российским ученым, это особенно важно, когда мы почувствовали ограничение финансирования, найти свое место в мире, чтобы вырастить молодежь, сохранить школы, они в России очень сильные – ведь недаром сюда приезжает так много иностранцев. Россия привлекает своими талантами.

Материал подготовила Надежда Кавалерова