С Валерием Рубаковым, одним из ведущих мировых специалистов в области физики элементарных частиц, беседует Елена Кудрявцева

Наука подошла к своему пределу: что за ним, ученые не знают. По крайней мере, в области физики элементарных частиц. О темной энергии, о бесконечном пространстве и о том, как сказываются на научном сообществе политические санкции, «Огоньку» рассказал академик РАН Валерий Рубаков

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 от 01.10.2018 была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в №39 от 15.10.2018 — с Ильдаром Габитовым.

— Валерий Анатольевич, когда физики говорят сегодня, что человечество стоит на пороге «новой физики», что они имеют в виду?

— В этом очень интересно разобраться. Конечно, в первую очередь речь идет о физике элементарных частиц, то есть о физике микромира. Старая физика никуда не делась, просто сейчас мы пришли к тому замечательному моменту, когда все частицы и взаимодействия, предсказанные в физике микромира теоретиками в ХХ веке, подтвердились. Есть, как известно, Стандартная модель — теория, которая описывает всю известную сегодня физику элементарных частиц. Сколько себя помню, на конференциях говорили, что нужно экспериментально подтвердить все ее предсказания. И вот теперь все элементарные частицы, которые она описывала, открыты. Последним элементом стал бозон Хиггса. Как известно, его открыли в 2012 году в ЦЕРНе. С тех пор бозон Хиггса достаточно изучили, чтобы сказать: он соответствует предсказаниям. Так что эпоха запланированных открытий кончилась, и это потрясающе.

— Это чем-то напоминает конец XIX века, когда молодому Максу Планку советовали не заниматься физикой, так как «почти все открыто». Что же физики будут искать теперь?

— А теперь настает следующая эпоха. Есть очень много разных гипотез, но никто не знает, что на самом деле будет открыто, когда и где. Это нечто и называется «новая физика».

Темный фотон

— Какая из гипотез вам кажется вероятной?

— Сегодня понятно, что Стандартная модель не полна, что есть элементарные частицы, которые в нее не укладываются. Известно, что большая часть материи во Вселенной — это не обычное вещество, а какие-то неизвестные частицы. Физики, которые любят изобретать новые термины, назвали их «темная материя». Про эти частицы известно лишь то, что они, во-первых, имеют массу (хотя величину этой массы никто не знает). Во-вторых, что они нейтральны, то есть не имеют электрического заряда. И в-третьих, что их много. По массе их больше, чем обычного вещества во Вселенной, примерно в пять раз. Это мы надежно знаем из астрономических наблюдений. Частицы темной материи в огромных количествах находятся вокруг нас и легко пролетают сквозь вещество — напрямую через всю Землю. Осталось их открыть и выяснить, что они собой представляют, но пока все эксперименты в этой области провалились.

— О том, что Большой адронный коллайдер (БАК) будет «ловить» темную материю, ученые заявили еще в 2016-м, дав понять, что это задача на три Нобелевские премии. Почему же до сих пор ничего не нашли?

— Знаете, перед запуском БАК некоторые горячие головы говорили, что максимум через месяц-два открытия новых частиц будут поставлены на конвейер. Но оказалась, что природа устроена более скрытно. Поиск частиц темной материи остается одним из приоритетов для БАК, в этой области ведется много экспериментов. Но поскольку про них мало известно, мы не знаем, хватит ли энергии коллайдера для их рождения в принципе. Возможно, правда, что они легкие, тогда коллайдер тут ни при чем, они могут рождаться в ходе совсем других процессов, где образуются легкие, слабо взаимодействующие частицы. Они, кстати, могут не так уж слабо взаимодействовать между собой, излучать аналоги наших фотонов. Но для нас их «фотоны» будут темными, мы их не увидим.

— Какие проекты планируется запустить в этой области?

— Сейчас в ЦЕРНе идет эксперимент NA64, а через несколько лет стартует, надо надеяться, эксперимент SHiP (Search for Hidden Particles). Они как раз и нацелены на поиск новых легких частиц, очень редко рождающихся в столкновениях известных частиц. В Троицке в моем Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) начинается эксперимент по поиску другого типа легких частиц, так называемых стерильных нейтрино, образующихся в распадах трития. Есть и другие эксперименты: гипотетических кандидатов в частицы темной материи много и разные эксперименты ищут разных кандидатов.

— Многие считают более перспективным поиск частиц темной материи с помощью детекторов. Насколько это верно?

— С помощью детекторов частицы темной материи, которые летают повсюду, пытаются уловить довольно давно, но тоже пока безуспешно. Для этого необходимы специальные условия: подземные лаборатории, где исключено воздействие радиоактивности и других фоновых излучений. Самый мощный детектор по поиску частиц темной материи — XENON1T — располагается глубоко под горой Гран Сассо в Италии. Он представляет собой цилиндрическую емкость, в которой находится около 3,5 тонны жидкого и газообразного ксенона.

Другой эксперимент — SuperCDMS SNOLAB — должен стартовать в 2020-м. Его особенность — сверхнизкие температуры детекторов. Датчики расположат на глубине более 2 километров в помещении бывшей никелевой шахты неподалеку от Садбери в Канаде, где до этого была лаборатория по «ловле» нейтрино.

Еще один путь — поиск нейтрино высоких энергий, образующихся при аннигиляции частиц темной материи в недрах Земли или Солнца. По этому пути идут физики, использующие детектор IceCube (нейтринная обсерватория, в которой детектором является куб льда толщиной в километр.— «О») на Южном полюсе и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп, который вскоре будет иметь примерно такой же объем.

— Между тем пару недель назад научные СМИ написали, что через Солнечную систему прошел «ветер» темной материи со скоростью 500 километров в секунду. Как ученые его опознали?

— А вот это неправильная интерпретация теоретической работы, опубликованной в ноябре. Никакого экспериментального открытия пока не сделано. Теоретики же дали новую оценку (на мой взгляд, не очень убедительную) скорости частиц темной материи в окрестности Солнца. До сих пор считалось, что она примерно вдвое меньше и более или менее совпадает со скоростью вращения Солнца вокруг центра нашей Галактики.

— Гравитон — гипотетическая частица, которая переносит гравитацию, тоже относится к «новой физике»?

— Гравитон как частицу никто никогда не откроет. Дело в том, что электромагнитное излучение, то есть свет, изучено очень хорошо, и мы с первой половины прошлого века знаем, что он состоит из фотонов, которые могут излучаться поодиночке. Гравитационные волны зарегистрировать гораздо сложнее, чем свет. Но недавно все же состоялось открытие гравитационных волн, излучаемых при вращении черных дыр или нейтронных звезд друг вокруг друга. А поодиночке гравитоны излучать и регистрировать невозможно.

— Хорошо, тогда давайте поговорим о темной энергии. Что это такое и насколько перспективно ее изучение?

— С темной энергией беда. Это, пожалуй, самое непонятное, что нас окружает. Это совершенно другая сущность, некоторая неизвестная форма энергии.

Например, из школы мы помним формулу энергии: E = mc2, то есть энергия — это масса. Но в данном случае все не так — никакой массы у этой темной энергии нет. Есть только плотность, равномерно «размазанная» по нашей Вселенной. Здесь, в этой комнате, ее столько же, сколько совсем далеко в межгалактическом пространстве. Что это такое? Может, фундаментальная константа, которую когда-то Эйнштейн ввел как космологическую постоянную?

Изучать темную энергию очень важно, потому что обычное вещество, темная материя и темная энергия заставляют Вселенную расширяться. И удивительное дело: оказывается, что темп расширения Вселенной растет. Хотя обычно гравитационное взаимодействие замедляет разбег вещества: если у вас произошел взрыв, то со временем вещество будет разлетаться все медленнее. Ускоренное расширение Вселенной можно объяснить, если предположить, что существует вот эта новая форма энергии.

— Каким образом это возможно изучать?

— Пока единственный способ изучить ее свойства — измерить темп расширения Вселенной. Глядя на удаленные объекты, мы можем увидеть, как Вселенная расширялась вчера, позавчера и в разные времена в прошлом. Как известно, чем дальше у вас объект — звезда, галактика или скопление галактик, тем дольше свет от них летит к нам. Значит, тем в более далеком прошлом вы их видите. По тому, сколько и какого света вы от них видите, можно понять, как менялся темп расширения со временем. Сегодняшние наблюдения говорят нам, что было такое время, когда Вселенная замедляла свое расширение, а потом — раз! Пошла разгоняться. И до сих пор расширяется с возрастающей скоростью. Это доказанный экспериментальный факт.

— Предсказать, до какого предела она будет расширяться, мы не можем?

— Это хороший вопрос, ответ на который неизвестен. Потому что все зависит от того, как эта темная энергия меняется со временем. Если ее плотность постоянна, тогда Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность падает со временем, расширение будет замедляться. Если же плотность темной энергии дойдет до нуля, то расширение остановится и начнется сжатие. Единственное, в чем мы уверены, что картину Вселенной, которую мы видим сегодня, можно надежно экстраполировать, по крайней мере, примерно на 20 млрд лет вперед. Так что у нас есть время, чтобы разобраться в том, что происходит.

Большой взрыв, которого не было

— Сегодня ученые довольно хорошо могут рассказать о ранних этапах развития Вселенной. А что было до того, как она начала расширяться?

— Мы знаем, что существовала эпоха, когда Вселенная была горячая. Речь идет о гигантских температурах в 10 млрд градусов и наверняка выше. Она быстро развивалась, быстро остывала и очень быстро расширялась. Эту стадию называют эпохой горячего Большого взрыва.

Но это не было началом развития нашей Вселенной. До этой горячей стадии была другая. Это ясно благодаря изучению свойств реликтового излучения, которые известны с конца 1990-х, а сегодня лучше всего измерены с помощью космической обсерватории «Планк». Мы знаем, что современные галактики и скопления галактик возникли из неоднородностей распределения обычной и темной материи в пространстве. Эта мелкая рябь, скорее всего, исходно была вакуумными квантовыми флуктуациями. Еще до горячей стадии они усилились и уже сравнительно недавно превратились в галактики, в планеты, в конце концов — в нас с вами.

— Так что же все-таки было до Большого взрыва?

— Сам термин «Большой взрыв» в каком-то смысле неправилен, потому что он предполагает некое разлетание из определенной точки. А Вселенная, по крайней мере та часть, которую мы видим, была всегда и везде. Представьте себе воздушный шар, который из небольшого вдруг начал раздуваться, и сегодня он такой огромный, что мы видим лишь его довольно небольшую современную часть. Мы даже не знаем, каков полный размер Вселенной.

В мире сейчас популярна инфляционная теория, согласно которой до горячей стадии во Вселенной было что-то похожее на современную темную энергию, только она имела огромную плотность, и это приводило к расширению с гигантским ускорением. Чтобы ее окончательно подтвердить, нужно обнаружить реликтовые гравитационные волны — своеобразное эхо ранней Вселенной, родившееся еще до горячей стадии. Пока это сделать не удалось. Сенсация 2014 года, когда говорилось об обнаружении реликтовых гравитационных волн детектором в Антарктиде, оказалась дутой.

— Какие есть альтернативные версии?

— Вселенная могла стартовать, наоборот, большой, рыхлой, пустой, но сжимающейся. Она сжималась, становилась все более плотной и горячей, потом остановилась и пошла дальше расширяться.

Человек-бозон

— Есть ли в современной физике свои гуру? Кто у нас главный специалист, предположим, по темной энергии?

— Если говорить про теоретиков, то очень редко человек занимается темной энергией постоянно. Вряд ли кто-то приходит на работу и целый день размышляет про темную энергию. Так можно потихоньку свихнуться. Чаще всего ученому приходит в голову какая-то идея, он пытается ее разработать, сверить с экспериментальными данными. Потом проходит еще много лет, прежде чем он придумает что-то новое.

Вообще, признанный лидер в этом направлении — наш соотечественник академик Алексей Старобинский, который сделал важнейшие теоретические работы на эту тему. Не так давно он предложил новое описание космологической постоянной, она же темная энергия. Но если говорить об экспериментальной части, то, конечно, здесь сильны американские и европейские лаборатории по наблюдательной астрономии. А выделить кого-то одного, наверное, вообще невозможно.

— То есть сегодня вся слава первооткрывателей принадлежит теоретикам?

— Теоретики сегодня тоже частенько пишут работы в составе небольших рабочих групп. А в эксперименте, как правило, действительно участвуют минимум несколько сотен человек. И сегодня это большая проблема для Нобелевского комитета. Например, долго думали, кому дать Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса. С теоретиками все более или менее понятно: там было три человека, один умер, значит, дали двоим. А экспериментаторам, которые, собственно, сделали столь капитальное открытие, вроде бы тоже нужно дать премию? Но это две команды по 3 тысячи человек. Были разговоры, что Нобелевскую премию нужно давать всем. Но тогда сам смысл премии, подразумевающий личный вклад, размывается.

— Доводилось ли вам общаться с Питером Хиггсом?

— Хиггса я знаю немного, зато хорошо знаю Франсуа Энглера — второго Нобелевского лауреата, который написал статью с Робертом Браутом еще раньше, чем Хиггс. Там была забавная история. Браут и Энглер работали в Бельгии и еще в 1964-м написали статью о том, как можно решить проблему обеспечения массы неких частиц, и опубликовали ее в журнале Physics Letters. Потом Хиггс дошел до этого же результата, видимо, своим умом, и отослал статью в тот же самый журнал. Рецензенты ответили, что вообще это явление уже известно. Он подумал и сообразил, что из этой теории можно вывести новую частицу. В итоге теперь частица называется его именем, а теория носит имя Энглера — Браута — Хиггса. Энглер — очень симпатичный дядька, он до сих пор жив и в свои 86 продолжает заниматься наукой. А Хиггс, что интересно, после 1964 года уже ничего в науке не сделал. Писал статьи под названием типа «Моя жизнь как бозона».

Наука с русским акцентом

— Есть версия, что при строительстве БАК большую роль сыграла наша оборонка: для детектора CMS требовалось много латунных пластин, которые нашли на российских военно-морских предприятиях: переплавили из стреляных гильз. А сейчас роль России в научном ЦЕРН-комьюнити ощутима?

— Историю про стреляные гильзы я не слышал, но, безусловно, российские ученые очень заметны. В ЦЕРНе присутствуют все наши ядерно-физические центры, университеты и институты, которые хоть что-то понимают в этой физике. В крупном эксперименте, где обычно работают примерно 3 тысячи человек, 150–200 — ученые из российских институтов. Они обрабатывают данные, участвуют в обновлении детекторов, в создании которых когда-то принимали участие. Сейчас в ЦЕРНе проходит большая программа модернизации.

— Наука идет по пути постепенного наращивания мощности коллайдеров. Есть ли предел этому процессу, после чего эксперименты станут небезопасными?

— Опасности тут нет, вопрос в размерах и стоимости. Большой адронный коллайдер — это кольцо диаметром 27 километров, заполненное сверхпроводящими магнитами и другим хай-тек-оборудованием. Стоит это порядка десятка миллиардов евро. Следующие машины с энергией 100 Гэв, которые сегодня обсуждаются, будут иметь кольцо километров 80. Нечто похожее собираются построить, например, в Китае, да и в ЦЕРНе идет работа по подготовке такого проекта. Есть ли предел? Есть, потому что если двигаться таким экстенсивным образом, то еще 4–5 поколений исследователей — и коллайдер будет размером с Землю, а больше уже не сделаешь.

Поэтому сейчас довольно активно идут поиски новых способов ускорения. А для некоторых задач полезны не кольцевые, а линейные машины. Создание подобного ускорителя стоит на повестке у японцев.

— В России одобрено строительство шести mega-science установок, часть из которых имеет отношение к физике элементарных частиц. Насколько они важны?

— Реально строятся всего две установки. Одна из них — NICA в Дубне, коллайдер с кольцом порядка 500 метров. Это интересная машина, которая будет сталкивать тяжелые ионы друг с другом при не очень высоких энергиях, но с хорошей интенсивностью. Это физика нового состояния вещества — кварк-глюонной среды. На ранних этапах наша Вселенная была заполнена именно кварк-глюонной плазмой. Она была в сотни тысяч раз горячее Солнца и содержала в равных количествах частицы вещества и антивещества. Потом при остывании она превратилась в обычную материю — протоны и нейтроны. NICA и будет изучать, как устроена кварк-гюонная среда.

Похожие процессы изучаются в США на коллайдере RHIC. В ЦЕРНе тоже есть программа по столкновению тяжелых ионов, но при очень высоких энергиях. А на NICA будут не очень высокие энергии, но большие плотности. Это должно быть очень интересно. На закладку первого камня приезжал нобелевский лауреат, американский физик Дэвид Гросс. Его работы в числе прочих легли в основу исследований, которые будут проводиться на установке.

— А чем отличается машина, которую планируют строить в Новосибирске на базе Института ядерной физики им. Будкера?

— В Новосибирске хотят построить электрон-позитронный коллайдер, чтобы изучать редкие явления. Чтобы это получалось, нужно иметь очень много столкновений частиц, большую интенсивность, или, как говорят физики, светимость. В Новосибирске хотят сделать рекордную светимость при не очень большой энергии. Там есть свой круг интересных задач. Они будут изучать рождение и распады довольно экзотических частиц — тау-лептонов и с-кварков. Проект называется «Супер чарм-тау фабрика». Фабрика — не потому что там дым идет, а потому что это фабрика столкновений, их там будет огромное количество.

— Строительство коллайдера — грандиозная задача. Что происходит, когда он отрабатывает свой ресурс?

— В мире таких прецедентов не то чтобы много. Большой адронный коллайдер будет работать еще лет 20–25. У нас же в России есть печальный опыт со строительством кольцевого коллайдера около Протвино. Там на глубине 60 метров находится кольцо диаметром 21 километр — больше кольцевой линии московского метро. Уже сделали много магнитов, но тут случился 1991 год: финансирование полностью прекратилось. Сейчас объект охраняется, но коллайдера там нет.

— Как повлияли на международные проекты санкции?

— Что касается Европы, то там я не замечал каких-то негативных проявлений, какой-либо недружелюбности после введения санкций.

— Многие напряглись после того, как Россия вышла из ассоциированного членства в ЦЕРНе.

— Это было сделано, чтобы подписать новое соглашение о долгосрочном сотрудничестве. И это будет довольно скоро. В частности, глава ЦЕРНа сделал некое заявление, что политика не должна влиять на работу ученых.

А вот с США хуже. С университетами работа еще идет, потому что они более автономны. А национальные лаборатории, которые находятся в ведении Министерства энергетики США, если еще не свернули взаимодействие, то постепенно сворачивают, что вообще невероятно близоруко. На мой взгляд, такое поведение — большая ошибка американцев.

— Много проектов пострадало?

— Много, были важные работы на коллайдере RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории для получения кварк-глюонной плазмы. Наши ребята работали в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми — Фермилабе и так далее. Это особенно обидно, потому что научное взаимодействие в области физики высоких энергий не прекращалось даже в очень тяжелых политических условиях советского времени. Генсек Леонид Брежнев с президентом Ричардом Никсоном подписали соглашение об исследовании фундаментальных свойств материи, и оно наполнялось вполне конкретными совместными проектами. Руководители крупных лабораторий университетов СССР и США ежегодно собирались то у нас, то у них, обсуждали планы на год и итоги сотрудничества. Американцы регулярно бывали у нас в Протвино, в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Кавказе, мы ездили к ним в Брукхейвен, Фермилаб и даже в Лос-Аламосскую лабораторию, которая хотя и заточена под атомную науку и технологии, имеет открытую часть. Тогда все понимали, что политика политикой, а наука по расписанию.

— Академик Владимир Захаров утверждает, что каждый десятый математик в США — из России. Можно ли то же самое сказать о физиках?

— Думаю, уже нет, хотя в 1990-е уехало много физиков, особенно теоретиков. Но я бы не сказал, что это потеря для науки в целом. Люди никуда не делись, потому что они работают. Конечно, здесь очень многих не хватает. Раньше можно было поднять трубку, встретиться с замечательным человеком и что-то пообсуждать. Такое живое общение очень важно для науки.

— Вас тоже приглашали, почему же вы не уехали?

— Предложений было достаточно, я оценивал и отказывался. У меня такая психология, что комфорт выражается не в материальных благах, а в чем-то другом. Мне комфортно и хорошо в России, здесь все свои — коллеги, талантливая молодежь.

С межгалактическим приветом

— Что, на ваш взгляд, самое перспективное в физике элементарных частиц? Каких открытий ждать в ближайшее время?

— Очень интересная ситуация с нейтрино. Это элементарные частицы с невероятной проникающей способностью. Пока я говорю эту фразу, через мое тело пролетело 100 трлн нейтрино.

Эти частицы разного происхождения. Некоторые рождаются в атмосфере. Одни из первых нейтрино были зарегистрированы в конце 1970-х у нас в Баксанской нейтринной обсерватории в ущелье в Кабардино-Балкарии. Сегодня они науке не очень интересны. А вот другой вид нейтрино — внегалактического происхождения — чрезвычайно важен. Они, похоже, замечены на установке IceCube в Антарктиде. Эти нейтрино из космоса приходят к нам с сумасшедшими энергиями. Это значит, что где-то там, в космосе, есть гигантские ускорители, которые разгоняют частицы до энергий, недостижимых для человечества. Но у нейтрино есть прекрасное свойство — они ни с чем не взаимодействуют. То есть в буквальном смысле после рождения летят к нам по прямой. И мы сможем, отследив их траекторию, узнать, откуда они прилетели.

— В 2015-м Нобелевскую премию за нейтрино дали Артуру Макдональду и японцу Такааки Кадзите. Хотя первыми были россияне. Почему так произошло?

— Это странная и непонятная история. Речь о нейтринных осцилляциях — превращениях нейтрино одного типа в другой. Решающими работами были три эксперимента, два из них проведены Владимиром Гавриным в Баксанской обсерватории и немцем Кирстеном в Лаборатории Гран Сассо, а поставил точку в этом вопросе как раз Артур Макдональд с коллегами. Он подтвердил данные Гаврина и Кирстена, уточнил кое-какие важные детали. Что касается Такааки Кадзиты, то в своих экспериментах он наблюдал превращение мюонных нейтрино в тау-нейтрино.

Гаврин, который работает в нашем институте, настоящий подвижник. Он смог организовать и провести уникальный эксперимент, в котором задействовано 50 тонн чистого галлия (в Баксанской обсерватории нейтрино «ловит» галлий-германиевый телескоп.— «О») в 1990-е, когда в науке вообще ничего не происходило. 50 тонн — это количество, сопоставимое со всеми запасами галлия в мире. Его специально изготовили для этого эксперимента еще в советские времена на алюминиевых заводах.

— Академик Жорес Алферов говорит, что не бывает фундаментальной науки, что все науки прикладные, разница в сроках. Можно ли такое сказать о физике элементарных частиц?

— С одной стороны, конечно, от открытия новых частиц сколько-нибудь прямого эффекта на человеческую жизнь вроде бы ждать не приходится. Новых объемных телевизоров с помощью механизма Хиггса не сделаешь. С другой стороны, вспомню одну байку: был такой знаменитый физик Роберт Вильсон, он выступал в Конгрессе США и доказывал необходимость строительства ускорителя протонов в Фермилабе. Когда его спросили, какое влияние окажет ускоритель на обороноспособность США, он ответил: «Нам будет что защищать».

Понимаете, все, что мы изучаем сегодня и что узнаем через какое-то время, поднимет общий интеллектуальный уровень человечества, уровень понимания природы и в конечном итоге сделает человека другим.

Беседовала Елена Кудрявцева