На базе ТГУ прошло совещание международной коллаборации SPD, работающей над подготовкой эксперимента Spin Physics Detector на коллайдере NICA. Руководитель проекта Алексей Гуськов рассказал в интервью пресс-службе ТГУ, чем российский суперколлайдер отличается от Большого адронного коллайдера, что такое кризис спина протона и почему важно разгадать эту загадку.

Для справки:

Спин – это собственный момент импульса элементарной частицы, который не связан с её вращением. Он является внутренней, неотъемлемой квантовой характеристикой частицы наряду с массой и зарядом и не имеет классического аналога. Именно спины электронов и ядер определяют структуру электронных оболочек атомов, а в итоге – магнитные свойства вещества. Благодаря спину мы имеем магнитно-резонансную томографию, квантовые компьютеры и радиоастрономию на длине волны 21 см.

Больше – не значит лучше

– Алексей Вячеславович, многие люди знают, что такое Большой адронный коллайдер (БАК), но далеко не многие даже в нашей стране знают про коллайдер NICA. Иногда журналисты называют его младшим братом БАКа. Так ли это? Если нет, то в чём разница между этими двумя установками?

– Давайте начнём совсем издалека, чтобы понимать, что вообще представляет собой коллайдер. Физика частиц изучает взаимодействие частиц. Заставить их взаимодействовать – это первое, с чего начинается любой эксперимент. Физика частиц на этапе становления изучала взаимодействие космических лучей в атмосфере. Это была такая природная лаборатория. Первые частицы – каоны, мюоны, пи-мезоны – были открыты именно там.

С конца сороковых – начала пятидесятых годов XX века появляется новый инструмент – ускоритель, где пучок частиц ускоряется до достаточно высоких энергий и ударяется в мишень, и изучается, что при этом происходит. Это никуда не делось, этот метод живёт и сегодня, у него даже есть свои преимущества.

Потом появился второй метод. Кстати, ИЯФ СО РАН (Новосибирск) был одним из первых, кто создал коллайдер, то есть ускоритель, где два пучка крутятся навстречу друг другу и в некоторой точке сталкиваются. То есть взаимодействует не пучок с мишенью, а пучок с пучком.

При столкновениях «пучок – мишень» центр масс системы движется, и в силу законов сохранения энергия движения центра масс не может быть превращена в энергию рождения новых частиц.

В коллайдерах же, при симметричном столкновении двух встречных пучков одинаковых частиц, центр масс неподвижен, и энергия, доступная для рождения новых частиц, значительно больше. Коллайдеры ценят за то, что они позволяют достигать гораздо более высокой энергии столкновений при тех же энергиях пучков.

Например, для БАК при энергии пучка 7 ГэВ, если этот пучок просто выводить на неподвижную мишень, то энергия, доступная для рождения новых частиц, составит 115 ГэВ. Если два пучка столкнуть, будет получена энергия в 14 ТэВ – это почти в 130 раз выше. Коллайдеры ценят именно за это. Этих установок в мире довольно много. И в России NICA тоже далеко не первый коллайдер, как я ранее сказал, начиналось это всё в Новосибирске.

При этом нельзя сказать, что Большой адронный коллайдер хороший, а установки с низкой энергией плохие. Каждый коллайдер делается под свои задачи. К примеру, электрон-позитронные коллайдеры заполняют свою нишу. На них тоже делаются открытия, но они очень удобны именно для проведения точных измерений уже известных явлений.

Адронные машины – это, скорее, машины открытий. На них можно впервые пронаблюдать что-то новое, а изучать его уже либо на следующем поколении машин, либо на электронно-позитронных установках.

Если говорить про Большой адронный коллайдер, это классическая машина, которая была нацелена на то, чтобы шагнуть вперёд по энергии. Наша современная физика частиц развивается так, что мы ищем новое, в основном, двигаясь в двух направлениях: либо уходим во всё бóльшие энергии и пытаемся рождать частицы, которые при более низких энергиях просто невозможно наблюдать, либо ищем всё более редкие процессы.

Для этого человечество строит гиперчувствительные установки. Они позволяют изучать какие-нибудь редкие распады. Например, распад протона, который на несколько порядков превышает время жизни Вселенной.

Большой адронный коллайдер в этом подходе занимает особое место. Существует так называемая Стандартная модель физики частиц, успешно описывающая три взаимодействия, с которыми мы на микроуровне сталкиваемся, – электромагнитное, сильное и слабое. Она построена, она работает. Она всем не нравится, потому что некрасива и имеет много свободных параметров. Основная цель БАК заключалась в том, чтобы выйти на физику за пределами этой Стандартной модели. Бозон Хиггса искали как подтверждение, заключительный штришок Стандартной модели, и с этим учёные успешно справились. А вот физики за её пределами пока никто не видит.

Теперь вернёмся к коллайдеру NICA. Эта машина совсем для других целей. Одна из его главных задач – разгадать загадку кризиса спина протона.

– В чём она заключается?

– Протон состоит из трёх кварков и связывающих их глюонов. Спин кварков частиц известен. Ранее предполагалось, что спин протона равен сумме спинов трёх кварков. Но когда появились технологии более-менее точно измерить спин протона, выяснилось, что вклад кварков в эту величину составляет всего 30 процентов. А что входит в остальные 70 процентов? Спин глюонов и вращение кварк-глюонной материи внутри протона. Но как и почему вращается протон, мы не вполне понимаем. Мы и другие свойства протона понимаем очень условно: почему у него именно такой размер, масса, магнитный момент, и не можем вывести их из первых принципов теории сильного взаимодействия.

NICA – это машина, которая полностью нацелена на изучение свойств сильного взаимодействия. Помимо изучения структуры спина протона, её задачей является изучение поведения ядерной материи в условиях экстремальной температуры и плотности при столкновениях тяжёлых ядер. У этого коллайдера не очень высокая энергия, но именно такая энергия и требуется.

– Алексей Вячеславович, почему очень высокая энергия, как у БАК, в данном случае не плюс, а минус? И что, в отличие от Большого адронного коллайдера, может NICA?

– Кварки и глюоны в обычном состоянии заключены в так называемых адронах, сильно взаимодействующих частицах – это те же протоны и нейтроны. Но при достаточно высоких энергиях и температурах, которые достигаются при столкновении тяжёлых ядер, все эти протоны и нейтроны не просто перемешиваются, они фактически плавятся в единую массу, которую мы называем кварк-глюонной плазмой.

Какие-то свойства этого состояния вещества на коллайдере с высокой энергией можно исследовать, но практически невозможно изучать фазовый переход обычной адронной материи в кварк-глюонную плазму. В данном случае высокие энергии – не преимущество, а помеха. Спиновые эффекты в сильном взаимодействии тоже становятся менее заметными при росте энергии.

Познать себя и Вселенную

– Почему для человечества настолько важно разгадать загадку протона?

– Потому, что протон – это составляющая любого ядра, мы все состоим из атомов, внутри которых ядра. Разгадка спинового кризиса может привести к глобальному изменению представления о Вселенной и о Земле. Такое уже случалось в истории человечества. В XIX веке классическая физика неплохо развивалась, она могла описать практически всё.

Из непознанного оставались совсем мало, например, ультрафиолетовая катастрофа – физики не могли описать спектр излучения абсолютно чёрного тела потому, что где-то как-то у них интеграл не сходился, получалось, что там мощность излучения должна быть бесконечной. И еще одна загвоздка – орбита Меркурия прецессировала не так, как должна была бы. В итоге первое непонятное привело привело к появлению гипотезы о световых квантах, о порционном излучении энергии, а через 20 лет всё это привело к рождению квантовой механики.

А вот «игры» с орбитой Меркурия к общей теории относительности, которые, конечно, перевернули всю картину мира, фактически отменили предыдущую физику. Аномальное смещение орбиты Меркурия стало первым в истории наблюдением, которое не удавалось объяснить с помощью классической механики Исаака Ньютона. Этот парадокс заставил физиков пересмотреть природу гравитации и привел к созданию Альбертом Эйнштейном Общей теории относительности.

Кто этого мог предсказать? Никто. И мы пока не знаем, куда нас приведет наш эксперимент. Может быть, мы получим тот результат, на который нацелены, или произойдёт какой-то скачок не в нашей физике, а в смежной области, к примеру, будет освоен какой-то новый, намного более дешёвый метод ускорения частиц.

Возможно, то, что сейчас мы исследуем, новые фундаментальные знания быстро переместятся в технологии. В каком-то смысле физики частиц мы это видим, если те частицы, те распады, за которые десятилетия назад давались Нобелевские премии, сейчас это просто калибровочный сигнал, чуть ли не студенты про это диплом пишут.

Будущее непредсказуемо. В том, что касается нашего эксперимента, мы пока даже не можем предположить, что там за углом.

– Если загадка спинового кризиса будет раскрыта – это открытие  Нобелевского уровня или нет?

– Нет. Этот эксперимент, он не про открытие, он – про детальное изучение. Если, «всплывёт» что-то принципиально новое, и оно к чему-то приведёт, к какой-то технической революции, тогда да. А так, думаю, что Нобелевскую премию за это не дадут.

Более того, в случае изучении спиновой структуры, да и вообще структуры любых частиц и свойств сильного взаимодействия, часто бывает так, что один отдельно взятый эксперимент не решает ничего. Но он добавляет данные в общую совокупность знаний.

Потом на основе квантовой хромодинамики, теории сильного взаимодействия, на основе всей совокупности знаний, делается обобщение, то есть все экспериментальные данные сводятся воедино, уточняются параметры теории и т.д.

При этом между научными группами нет конкуренции, как, к примеру, в бизнесе, где каждый старается создать какой-то продукт или технологию вперед другого, и желательно, чтобы конкурент не смог сделать тоже самое. В нашей области, если коллективы проводят измерения на разных энергиях, в разных реакциях, это только в плюс. Чем больше независимых измерений, тем надёжнее итоговые результаты.

– Алексей Вячеславович, над подготовкой эксперимента работает большая команда – более 300 специалистов из 40 российских и зарубежных научных центров. Как собирается команда под такие масштабные проекты и как происходит распределение ролей?

– Действительно, в разработке «железа», электроники, программного обеспечения работают ученые из разных стран, в том числе из Китае, Беларуси, Армении, Кубы, Египта и других. Головной организацией выступает Объединенный институт ядерных исследований – международная межправительственная организация, расположенная в Дубне, в составе которого также много специалистов из других государств.

В формировании команды никаких этих новых изобретений нет. Уже достаточно давно ученые пришли к выводу, что отдельно взятой группе отдельно взятого института исследования такого масштаба, они просто не по силам – и финансово, и технологически, и по вот ширине необходимых компетенций.

Поэтому уже давно появилось такое понятие, как международная коллаборация, которая по характеру своего внутреннего устройства и функционирования отличается от всего нам известного и привычного стиля, когда есть некая законодательно установленная иерархия. То есть внутри института директор говорит: «Надо делать вот это», и все делают. Правильно-неправильно, но выполняют. Академия наук говорит: «Вот этот институт делает это, а вот этот – это». Тоже всё понятно. Но когда вы выходите на международный уровень, это правило больше не работает.

У вас никого нет сверху. Поэтому такая приказная система не работает, единственное, что вы можете – это договариваться. Поэтому при создании коллаборации пишется конституция, то есть правила функционирования, кто кому чего должен, на каких условиях.  Этот документ подписывается, как правило, головным институтом, самой коллаборацией и тем институтом, где будут проводиться исследования. В данном случае это ОИЯИ (Дубна).

Вход в коллаборацию свободный, выход тоже. Работа с данными – это привилегия, за которую участники платят деньгами и работой. Каждая научная группа – она, скажем так, не обязуется, а определяет область своих интересов, и какой вклад в общее дело она готова сделать. То есть любой институт может прийти и сказать: «Мы умеем делать детекторы». Мы говорим: «Хорошо, эти детекторы нам очень нужны, они полезные. Добро пожаловать. Если вы согласны вот с нашими этими основными документами, то давайте работать». А если кто-то приходит и говорит: «А мы вот кроликов разводить умеем». Мы говорим: «А зачем нам?». То есть исследовательская коллаборация – это всегда вопрос свободной договорённости.

– Что дают колаборации университеты, в том числе ТГУ?

– В первую очередь кадры. Постсоветская система науки хоть и менялась, в целом не сильно изменилась: у нас большая наука по прежнему делается исследовательскими организациями, а образование часто идёт отдельно. В Европе чаще наоборот – там царит университетская наука. У каждого подхода свои плюсы и минусы.

Профессиональная наука постоянно сталкивается с проблемой кадров: в советское время это решалось распределением и высокой популярностью фундаментальной науки, сейчас же кадровый вопрос стал чем то вроде товара – мы получаем от университетов специалистов, а университеты получают современный образовательный процесс через участие в проектах. Обычно это устраивает обе стороны. При этом у нас нет практики «выкачивать» из участвующих организаций всех их сотрудников к нам, хотя иногда такие попытки бывают.

Нам выгодно, чтобы у партнёров развивались собственные научные школы. Сейчас это действительно работает для многих университетов: участие в проектах помогает им понять, к чему готовить студентов. Не обязательно, что они пойдут в науку, но наши современные методы и технологии востребованы и в промышленности, так что сотрудничество обычно выгодно обеим сторонам.