В этом году произошло два важных события, которые могут определить
развитие физики элементарных частиц на следующие два десятилетия.
Во-первых, в марте был опубликован Технический проект линейного
e+e-коллайдера TESLA на энергию 500-800 ГэВ.
Во-вторых, в июле в Snowmass (США) прошло трехнедельное совещание
``Будущее физики элементарных частиц'', на котором американские физики
совместно с представителями других стран пришли к заключению, что
следующим большим проектом по физике частиц (для США) должен быть
линейный коллайдер на энергию 500 ГэВ.
Такую же рекомендацию (немного раньше) дал Европейский комитет по
будущим ускорителям. Японские физики, совместно с соседними странами,
также нацелены на линейный коллайдер. Так что вс╦ идет к тому, что к
концу этого десятилетия появится новый, очень мощный и долгожданный
инструмент для изучения свойств материи. Сколько будет линейных
коллайдеров и где - пока неясно. Это сложный политический вопрос.
Сначала несколько слов о состоянии и основных проблемах физики
элементарных частиц, как научных так и политических. Сейчас
подразумевается, что сюда входит физика на ускорителях и космических
частицах, фундаментальная астрофизика и все другие разделы науки
направленные на изучение материи, строения вселенной, и пытающиеся
найти ответ на вопрос ``как устроен мир, и почему так, а не иначе''.
Следует заметить, что в конце 19 века физики были более уверены в
своем знании законов природы. В конце 20 века можно констатировать,
что за 100 лет сделан громадный шаг: теория относительности, квантовая
механика, атом - ядро - кварки (лептоны, бозоны) - стандартная модель,
большой взрыв - расширяющаяся вселенная ... Однако, все это породило
еще больше вопросов.
Все это даже было бы хорошо - интересная жизнь. Однако, сложность и
стоимость экспериментов в этой области приблизилась к предельной
величине порядка десяти миллиардов долларов, на которые уже не
решаются пойти отдельные страны и даже регионы. Мир еще долго будет
помнить закрытие SSС. Состояние растерянности среди физиков еще не
прошло.
Современная жизнь (мировое устройство и качество жизни) сейчас в
большой степени определяется достижениями физики. Однако, обыватели
(да и политики) об этом не очень-то задумываются и говорят, что то что
мы делаем обществу не очень-то нужно. Поэтому, приходится тратить
много сил на разъяснение того что наши фундаментальные исследования
нужны и представляют большой интерес для всех, поскольку люди всегда
интересовались вопросами мироздания. В этом деле газеты, телевидение
уже играют даде большую роль, чем научные журналы. Особенно в этом
преуспела HАСА. Благодаря прекрасным снимкам с телескопов (для публики
их специально отбирают и подбирают лучшее сочетание цветов) астрономы
сейчас живут весьма хорошо и слегка иронизируют над физиками
изучающими микромир говоря, что у них есть черные дыры, а у нас нет, с
этим и связаны наши проблемы''.
Действительно, астрофизика сейчас переживает золотой век.
Современные телескопы позволяют увидеть большую часть истории
вселенной почти во всем диапазоне электромагнитной шкалы.
Обнаружено, что во вселенной, как и во всех галактиках, обычная
барионная материя составляет незначительную часть полной массы,
остальная часть - какая-то невидимая форма материи, ``темная
материя''.
Открыто реликтовое излучения (оставшееся после Большого взрыва) и
его угловые вариаций, детальное изучение которых обещает получение
всех параметров вселенной (количество обычной и темной материи,
плотность энергии вакуума, кривизну пространства и др.).
В конце 1998 года при изучении расширения вселенной по вспышкам
сверхновых было обнаружено, что вместо ожидаемого замедления
расширения вселенной (за счет гравитационного притяжения) наблюдается
ускорение разлета! Это означало бы грандиозное открытие, и сейчас
ведется более тщательная проверка. Такое поведение можно объяснить
введением энергии (и давления) вакуума. Чтобы не войти в противоречие
с Теорией относительности давление вакуума должно равняться плотности
энергии с обратным знаком. В результате получается, что вакуум
расталкивает обычную материю. Из изменений следует, что в настоящий
момент плотность энергии вакуума превосходит плотность
материи. Конечно, пока это лишь гипотеза.
Среди других крупных открытий следует назвать наблюдение мощных
гамма-источников. Они имеют равномерное по небу распределение и
расположены явно не в нашей Галактике. Из измерения красного смещения
их остатков следует, что вспышки происходят на космологических
расстояниях (миллиарды световых лет). Оценка энергии вспышки дает
величину в районе 10^{54} эрг (столько излучит 1000 солнц за время
жизни вселенной (10^{10} лет). Адекватного объяснения пока не найдено.
Еще одно яркое открытие - это обнаружение сверхмассивных черных дыр
в центрах чуть ли не большинства галактик. В центре нашей галактики
находится невидимый объект с массой в миллион солнечных масс. А есть
галактики, в которых черные дыры в миллиард раз тяжелее Солнца.
Hаконец, недавно, при изучении атмосферных и солнечных нейтрино было
открыто сначала исчезновение, а затем взаимопревращение нейтрино
одного типа в другой.
Все это, несомненно, впечатляет.
А что же ускорительная (лабораторная) физика элементарных частиц?
Похоже нам стоит поучиться у астрофизиков в популяризации своих
достижений, ибо, на самом деле, то что сделано и делается здесь
превосходит воображение обычного человека. В этом состоит одна из
проблем физики элементарных частиц. Поэтому нужно искать правильные
слова для объяснения того, что мы делаем.
Если задуматься только, в лаборатории мы ``запросто'' рождаем разные
виды материю из ничего, точнее черпая энергию из электрической
розетки. За последние 30 лет произошла настоящая революция в
понимании строения материи. Hа смену атомам, ядрам, протонам,
нейтронам пришли кварки, лептоны, бозоны - теперь это основные
элементы мироздания (на текущий момент). Самый тяжелый кварк в 200 раз
тяжелее протона, а размеры этих частиц менее 10^{-17} см. Hа основе
экспериментальных данный удалось создать теорию (Стандартная модель),
которая с огромной точность описывает взаимодействия и
взаимопревращения этих частиц. Обнаружены процессы приводящие к
асимметрии материи и антиматерии, что может позволит в будущем
объяснить почему наша вселенная состоит в основном из материи.
Какие сейчас стоят основные физические задачи, которые могут убедить
парламенты в необходимости финансирования очередного ускорительного
проекта (линейного коллайдера)? Следует заметить, что, аргументы типа,
что чем выше энергия, тем лучше (больше массы, меньше расстояния) уже
не проходят, слишком дорогие проекты.
Во-первых, это проблема возникновения масс частиц. Стандартная
модель основана на теории калибровочных полей следующей из локальной
инвариантности. По этой теории кванты полей получаются безмассовыми, а
в реальности W и Z бозоны примерно в 100 раз тяжелее протона. Для
разрешения противоречия в Стандарной модели предполагается, что эти
массы возникли в результате спонтанного нарушения симметрии, в
результате взаимодействия исходных частиц с неким скалярным полем
заполняющим все пространство (вакуум). Это поле придает массы не
только W и Z бозонам, но и всем другим частицам (лептонам, кваркам).
Если это так, то должен существовать квант этого поля, Хиггсовский
бозон (по имени Питера Хиггса предложившего этот механизм), константа
связи которого с частицами пропорциональна массам частиц. В
Стандартной модели значение массы Хиггсовского бозона не
предсказывается, но из измерений (прямых и косвенных) на ускорителе
LEP (ЦЕРH) (также SLC и TEVATRON) следует, что его масса лежит в
области 115-200 ГэВ. Перед самым закрытием LEP в конце 2000 года даже
было заявлено, что при самых максимальных энергиях LEP видны события
похожие на Хиггсовский бозон. Однако, поскольку достоверность была
невелика, а продолжение измерений срывало планы строительства
протонного коллайдера LHC в том же кольце, то LEP все же закрыли. Hа
LHC, который заработает в 2006 году, Хиггсовский бозон, если он есть,
будет открыт. Однако, детально понять их природу можно будет только на
линейном (е+е-, гамма-гамма) коллайдере. Здесь их будут рождаться
десятки тысяч.
Другая, не менее интересная проблема - это возможное существование
суперсимметричных частиц, суперсимметричного мира, в котором мы
возможно живем не зная об этом. В теории при вычислениях возникают
расходимости, которые можно устранить, если предположить, что у
каждого фермиона(бозона) со спином 1/2 (1) есть партнер со спином 0
(1/2). Так электрону соответствует сэлектрон, фотону - фотино
и.т.д.. Из того что их пока не обнаружено следует, что эти частицы
достаточно тяжелые. Большинство вариантов теории суперсимметрии, SUSY,
предсказывают массы суперсимметричных частиц в районе нескольких сот
ГэВ. Такие частицы являются одним из основных кандидатов на роль
темной материи (см. выше). Это может быть самая легкая
суперсимметричная частица, которая стабильная, нейтральная и очень
слабо взаимодействует с обычным веществом. Сейчас предпринимаются
всевозможные попытки зарегистрировать частицы темной материи≥
напрямую. Скорее всего, через несколько лет это удастся сделать. Hа
новом поколении ускорителей их будет рождаться десятки тысяч, притом
всех типов, нейтральных и заряженных. Таким образом, мы находимся на
пороге величайших открытий - обнаружения и получения совершенно нового
вида материи, составляющей большую часть массы вселенной!
Есть еще множество предсказаний, но, по-моему, названных выше уже
достаточно, чтобы убедиться, что физика вовсе не собирается уступать
роль лидера в науке.
Теперь несколько слов о главном инструменте физики частиц
-ускорителях. Сейчас строится протон-протонный коллайдер LHC на
энергию 14 ТэВ, который заработает в 2005 году. Следующим, как уже
говорилось, будут линейные коллайдеры на энергию от 100 до 500 ГэВ с
дальнейшим продвижением до порядка 5 ТэВ (больше не позволяют эффекты
встречи).
Обсуждается возможность построения протонного коллайдера (VLHC) на
энергию 200 ТэВ с периметром 230 км. Однако здесь возникают проблемы
со светимостью. По сравнению с LHC здесь планируется светимость только
вдвое выше, в то время как сечения упадут на два порядка. Hебольшое
повышение светимости еще возможно, но возникают большие проблемы с
фонами в детекторе.
Еще одно перспективное направление - это мюонные коллайдеры. В
последние годы оно активно развивалось. Мюонный коллайдер может
рождать Хигсовский бозон как одиночный очень узкий резонанс. В
остальном в области ниже одного ТэВ он проигрывает линейным e+e-
коллайдерам (меньше светимость, выше фоны). Однако ему нет равных в
достижении максимальный энергий (с учетом того, что в протонный
столкновениях средняя энергия кварков и глюонов составляет примерно
1/6 от энергии протона). Пока здесь есть нереш╦нные технические
проблемы, так что мюонный коллайдер в планах на ближайшие два
десятилетия не рассматривается (хотя все может измениться). Эта задача
хорошо разбивается на несколько стадий: получение больших потоков
мюонов для поиска несохранения лептонных чисел, затем большой интерес
представляет нейтринная фабрика на максимальный поток нейтрино на базе
мюонного накопителя. Хотя, как первая очередь, здесь обсуждается
нейтринная фабрика на основе протонного ускорителя.
Чуть подробнее о проекте линейного коллайдера TESLA на энергию
500-800 ГэВ, в котором я принимал активное участие являясь лидером
работ по фотонному коллайдеру. Это проект разработан в основном
европейской коллаборацией с ведущей ролью DESY(Германия).
В отличие от других проектов (NLC(США), JLC(Япония-Азия),
CLIC(ЦЕРH))коллайдер TESLA является свехпроводящим. Максимальный темп
ускорения в такой структуре около 40 МэВ на метр. В то же время, на
т╦плых структурах достижимый темп составляет выше 100 МэВ (хотя с
реальными длинными секциями есть проблемы и пока на NLC/JLC получено
70 МэВ/м). Однако благодаря сверхпроводимости такой коллайдер имеет
много достоинств. Благодаря большому времени затухания импульс СВЧ
может быть очень длинным, поэтому не требуются источники с очень
высокой пиковой мощностью. При этом также коэффициент преобразования
электрической энергии в энергию пучка получается примерно в 2.5 раза
выше. Кроме того, ввиду более низкой частоты СВЧ (больше радиус
ускоряющих структуры) в TESLA существенно снижены требования на все
точности изготовления и точности выставки.
Для экспериментов очень важно также, что в TESLA электронные пучки в
одном ``поезде'' идут друг от друга на большом расстоянии, 337 нс (в
NLC/JLC через 2.8 нс и в CLIC через 0.7 нс). Это позволяет работать с
меньшими фонами, так как фоны от соседних столкновений пучков не
суммируются. И, наконец, светимость в TESLA, по крайней мере, вдвое
выше, чем в других проектах за счет более высокого КПД.
Полная длина коллайдера TESLA составляет 33 км. Место для
строительства предварительно выбрано рядом с Гамбургом и уже
согласовано с местным населением и властями. Сейчас проект
рассматривается германским правительством и научными
комитетами. Решение должно быть вынесено весной 2002 года.
Этот проект предполагается организовать как Global Accelerator
Network, в котором все страны и институты могут все участвовать за
свои деньги делая определенные части и отвечая за их эксплуатацию. При
этом, предполагается, что управление будет производиться в основном
дистанционно. Хотя опытные экспериментаторы не очень-то верят в такую
возможность поскольку это требует слишком высокую надежность.
Hаконец, мне приятно сообщить, что в этом проекте (как и в других)
предусматривается второе место встречи для фотон-фотонных,
фотон-электронных встречных пучков, где высокоэнергичные фотоны
получаются путем Комптоновского рассеяния света лазера на
электронах. Для этого пришлось очень активно потрудиться как в
разработке всех аспектов коллайдера нового типа, так и его физической
мотивации. А также в создании ядра энтузиастов и убеждения физической
общественности.
Тут я не хотел бы перечислять все достижения, поскольку имею к ним
непосредственное отношение, скажу только, что лишь недавно
почувствовал, что вроде наступает переломный момент, фотонный
коллайдер вписывается в проекты и имеет довольно большую
поддержку. Хотя реальная работа еще впереди.
В следующие 2-3 года необходимо выбрать и разработать оптимальный
вариант лазерной системы. Предстоит сконструировать систему финального
фокуса и вывода пучков, рассмотреть специфические элементы в структуре
детектора. Также нужно продолжать разработку физической программы,
сделать полное моделирование для наиболее интересных процессов и
показать, что действительно здесь можно открывать совершенные явления
или можно получить некоторые результаты, лучше, чем на протонных или
электрон-позитронных коллайдерах.
В заключение, выражаю надежду, что наш институт примет активное
участие в проекте TESLA и тем самым внесет большой вклад в
исследования тайн природы.
30 ноября 2001, Новосибирск