МКС и коллайдер: нобелевский лауреат Тинг рассказал о своих экспериментах

Нобелевский лауреат по физике Сэмюэль Тинг (Массачусетский технологический институт, США) посетил Национальный исследовательский ядерный университ «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) и выступил с рассказом о своей научной деятельности, посвященной проверке фундаментальных гипотез строения материи и происхождения Вселенной. Что он считает своим главным достижением в науке? Можно ли ожидать, что эксперименты рано или поздно дадут ответы на главные вопросы современной физики? Об этом профессор Тинг рассказал корреспонденту проекта «Социальный навигатор» МИА «Россия сегодня» Анне Курской.

— Если эксперименты лишь подтвердят правильность Стандартной модели, это станет большой неудачей для нас, поскольку прогресс физики строится на экспериментах, которые противоречат теории, а не подтверждают ее.

Физика – главным образом, экспериментальная наука. Не подтвержденная экспериментом теория бессмысленна, какой бы элегантной она ни была. Теория никогда не сможет опровергнуть эксперимент, а вот эксперимент может опровергнуть теорию, и тогда мы приходим к новой теории.

Вы упомянули мою работу, которая привела к Нобелевской премии в 1976 году.  До этого Стандартная модель утверждала, что существуют три кварка – u, d, s, — и все в это верили, потому что это позволяло хорошо объяснить все известные физические явления.

В 1972 году я задал вопрос: почему кварков только три? И решил поставить очень чувствительный эксперимент для поиска новых явлений. Моя идея не нашла поддержку у сообщества физиков-теоретиков, мне сказали: «Три известных кварка объясняют все». И никто не захотел принять участие в том весьма трудном эксперименте, поскольку я потребовал очень высокой чувствительности. Это все равно как во время дождя среди 10 миллиардов падающих в секунду капель найти одну нужную. 

Но все-таки, через два года, я открыл новую частицу. Позднее было открыто целое семейство частиц со сходными свойствами, с продолжительностью жизни в 10 тысяч раз больше, чем ранее известные частицы. Это открытие изменило взгляды ученых, и так я получил Нобелевскую премию.

Сегодня Стандартная модель насчитывает 6 кварков. Конечно, с ее помощью можно объяснить все существующие явления, и до сих пор эксперимент не нашел противоречия. Но это не означает, что модель правильная. Лет через сто будут построены более крупные ускорители и отклонения будут найдены.

— Я выполнил несколько экспериментов, и первый из них был посвящен измерению размера электрона. 

В 1948 году Ричард Фейнман, Юлиан Швингер и Синъитиро Томонага создали теорию квантовой электродинамики, согласно которой, электрон не должен иметь измеримого размера. Их теория была признана верной, авторы получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Тогда я был довольно молод и только что получил степень. Я разработал метод, который подтвердил, что электрон не имеет измеримого размера.

После этого я провел другой интересный эксперимент. Вы знаете, что световые волны не имеют массы. И есть три частицы (ро, омега, фи) с массой 1 миллиард электронвольт и размером с протон. Их спин и другие квантовые числа в точности такие же, как у фотона. От фотона их отличает ненулевая масса, близкая к массе протона.

Возник вопрос: могут ли фотоны переходить в эти частицы, а эти частицы — обратно в фотоны или нет? Масса не должна быть важна. Это был трудный эксперимент. И мне удалось показать, что да, фотон иногда, с шансом один на миллион, может быть как массивная частица.

Российский коллайдер: как ученые готовят «большой взрыв» в Дубне

NICA – комплекс, с помощью которого станет возможным изучение свойств материи, из которой «сделана» наша Вселенная.

На фото: схема строящегося комплекса NICA.

В рамках строительства комплекса в Дубне создается многоцелевой детектор — MPD. Он будет расположен в точке столкновения пучков коллайдера NICA.

На фото: физический макет установки Multi-Purpose Detector (MPD).

MPD — уникальная экспериментальная установка, сравнимая с детекторами на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Она призвана помочь разгадать загадки экстремальных плотностей и температур, физики адронов, ядерной и атомной физики, биофизики и астрофизики.

На фото: физический макет установки Multi-Purpose Detector (MPD).

Часть комплекса NICA уже готова и функционирует: детектор BM@N (барионная материя на «Нуклотроне») запущен в начале 2018 года. С помощью BM@N исследуют взаимодействие составляющих атомного ядра.

На фото: горизонтальный фокусирующий магнит СП-57 и ионопровод BM@N.

В проекте NICA участвуют ученые более 300 ученых из 70 институтов 32 стран мира. С вводом в строй новых элементов ускорительного комплекса NICA число участников проекта возрастет в несколько раз.

На фото: участок сборки и испытаний сверхпроводящих магнитов.

Воссоздать в лаборатории процессы, происходившие во Вселенной на разных стадиях ее эволюции, ученые смогут при помощи современных ускорителей.

На фото: подготовка к электрическим испытаниям магнита.

После того, как NICA будет запущен, ученые планируют выяснить, как происходило образование протонов и нейтронов во время Большого взрыва, а также больше узнать о поведении вещества в области сверхвысоких энергий.

На фото: криостат сверхпроводящего магнита типа «Нуклотрон».

Учёные смогут воссоздать в лабораторных условиях кварк-глюонную плазму — особое состояние, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого взрыва.

На фото: квадрупольный магнит типа «Нуклотрон».

В перспективе это знание может дать человечеству новый вид энергии, который составит серьезную конкуренцию ядерной энергетике.

На фото: cлева – времяпролетная система ToF-700, справа – одна из двух дрейфовых камер установки BM@N.

После шлифовки стен здесь будет установлен коллайдер. / Еще одну интересную вещь мы сделали вместе с Андрем Куниным, Виталием Чутко и другими российскими учеными из Института теоретической и экспериментальной физики РАН и Курчатовского института. На протяжении 20 лет мы проводили эксперимент в ЦЕРНе на 27-километровом электрон-позитронном коллайдере и сталкивали электроны и позитроны с энергией в 100 миллиардов электронвольт. Образуется  свет c энергией в  миллиарды электронвольт, яркий и горячий.

В этом эксперименте мы сделали попытку воссоздать возникновение Вселенной, так мы интерпретировали это. Затем мы спросили себя: сколько там кварков, электронов, имеют ли электроны размер? Выполняется ли Стандартная модель?

Спустя 20 лет мы пришли к выводу, что при имеющихся энергиях есть только три типа электронов: те, что приходят извне по проводам, те, которые приходят из космоса (они в 200 раз тяжелее) и те, что существуют в ядрах (они в 4 000 раз тяжелее) [имеются ввиду три типа лептонов – электроны, мюоны и тау- частицы – прим. Ред.]. 

И электрон не имеет размера. Размер меньше, чем 10-17 см — это очень маленькая величина. Я провел довольно значительную часть своей жизни в поисках размера электрона и так не сумел определить, насколько он мал.

К сожалению, результаты этих 20 лет эксперимента находятся в согласии со Стандартной моделью. Выходит, что мы так и не научились ничему новому.

— На конференции в НИЯУ МИФИ вы рассказали о результатах эксперимента AMS (AMS — альфа-магнитный спектрометр) по измерению заряда космических лучей, который проходит на Международной космической станции. Какова цель этого исследования?

— Существует два типа космических лучей. Лучи первого типа — световые волны и нейтрино – не несут массы, они был исчерпывающе изучены за последние сто лет. 

Лучи второго типа – это заряженные частицы — электроны, позитроны, протоны, антипротоны и элементы таблицы Менделеева. Каковы их свойства? До сих пор у нас не было ответа на этот вопрос. 

Дело в том, что мы живем под километровым слоем атмосферы, и заряженные частицы из космоса поглощаются или рассеиваются атмосферой, поэтому мы не можем определить их происхождение или свойства. 

Чтобы сделать это, необходимо подняться в космос. А так как одни частицы имеют положительный заряд, а другие – отрицательный, чтобы различить их, мы должны использовать магнит, ведь заряды разделяются в магнитном поле.

Правда, поднять мощный магнит в космос – не такая простая задача. Ведь если установить его на ракету или МКС, станция может потерять управление. Но наши российские коллеги нашли решение проблемы, и у нас появился магнитный спектрометр в космосе.

К этому моменту эксперимент AMS проходит на  МКС уже 7 лет и будет продолжаться столько, сколько будет существовать сама станция, до 2024-2028 года. 

— Что вам удалось узнать с помощью этого эксперимента?

Мы исследовали очень большое количество частиц космических лучей с экстремально высокой энергией, 1020  электрон вольт, и узнали три-четыре интересные вещи.

Во-первых, позитрон ведет себя очень необычно в зависимости от энергии. Позитроны с низкой энергией происходят от столкновений космических лучей в межзвездном пространстве, а с высокой энергией – из источника, которым может быть пульсар или темная материя. Мы зарегистрировали два миллиона событий, которые не оставляют сомнений на этот счет.

Во-вторых, что касается электронов, мы наблюдали 28 миллионов событий, и установили, что электроны с низкой и высокой энергией происходят из разных источников. Электроны и позитроны ведут себя совершенно по-разному в космосе. 

В-третьих, мы измерили тяжелые ядра первичных космических лучей, то есть, те, что  приходят из источника без взаимодействий  и регистрируются детектором на космической станции детектором AMS.

Мы изучили первичные космические лучи, состоящие из гелия, кислорода и углерода. Мы установили, что зависимость потоков от импульса на единицу заряда, т.е. от  жесткости, для этих ядер ведет себя совершенно одинаково, несмотря на их различную массу.

И также мы установили, что вторичные космические лучи, которые происходят из взаимодействий первичных космических лучей, — литий, бериллий, бор — имеют совершенно другую зависимость от жесткости. 

То есть, в космосе существует два класса космических лучей – первичные и вторичные — с разными закономерностями, и это, по-своему, интересная вещь

— Вы возглавляете коллаборацию, которая объединяет более 500 физиков из разных стран. Вам приходилось сотрудничать с российскими учеными? Сейчас вы участвуете в конференции, организованной НИЯУ МИФИ, связано ли это с вашими планами?

— Я уже во второй раз приезжаю в МИФИ. Исследователи из этого университета очень хорошие, ранее они принимали участие в важном международном эксперименте PAMELA и внесли значительный вклад в успех этого проекта. Сегодняшний эксперимент AMS гораздо более точный, и я хочу предложить ученым из МИФИ продолжить работать вместе с нами. Я надеюсь, что наше сотрудничество состоится.

Вообще российские ученые внесли большой вклад в физику частиц и физику высоких энергий. Я сотрудничаю с Курчатовским институтом с 1983 года. Там работают ученые очень высокого класса, лучше, чем у нас в MIT.

— Можно ли считать участие в подобных крупных научных группах наиболее перспективным на сегодняшний день методом работы для исследователей?

— На мой взгляд, такое явление связано с тем, что мы недостаточно умны. Поэтому нам нужно много людей. Лучше всего, конечно, работать в одиночку – не нужно ни с кем спорить, обсуждать что-то… 

Когда я начинал свой путь в физике высоких энергий, в моей группе было только четыре человека. Теперь их несколько сотен. Я часто думаю об этой проблеме. Имеет ли смысл молодому ученому вступать в группу из тысячи человек? Ведь среди стольких сильных исследователей очень трудно проявить себя. Меня это беспокоит.

— Какой главный вопрос на сегодня стоит перед фундаментальной физикой? И когда он может быть решен?

— Люди, которые делали подобные предсказания, часто позднее жалели об этом. Я только хочу сказать, что в 1930-х годах японский физик Хидэки Юкава предсказал существование мезона и сильных ядерных сил между нуклонами. В 1949 году, сразу после войны, он получил Нобелевскую премию по физике. Многие физики после этого взялись за изучение этой темы. Тогда думали, что проблема вот-вот будет решена, но это было только начало. И до сегодняшнего дня мы так и не узнали всего. 

Интервью представлено в рамках работы IV Международной конференции по физике частиц и астрофизике, организованной НИЯУ МИФИ.