Паутина для бозона Наталия Теряева

Когда сто лет назад была открыта радиоактивность, человечество даже не подозревало, что это открытие через каких-нибудь сорок-пятьдесят лет радикально изменит жизнь на планете. Затем скорость прогресса стала увеличиваться с каждым последующим десятилетием. Мы привыкли к тому, что комфорт нашей жизни непрерывно растет, и хотим знать, какие сюрпризы преподнесут нам следующие 10-15 лет.

Как и сто лет назад, эти сюрпризы полностью зависят от достижений самой фундаментальной из наук – физики: ядерной физики и физики элементарных частиц. Именно там, на уровне исследования взаимодействий частиц и ядер рождаются знания, оплодотворяющие развитие других областей фундаментальной науки и наук прикладных – мастерских новых технологий.

Объединенный институт ядерных исследований в подмосковной Дубне работает как раз на границе настоящего с будущим. Теоретики и экспериментаторы самого крупного в России международного научного центра творят это будущее своими руками, и вот какими видятся его горизонты из Дубны, посланцы которой работают в самых крупных физических центрах и научных коллаборациях мира.

Физика высоких энергий – наиболее дорогая наука в мире, потому что ей нужны для исследований самые мощные энергетические установки. Многое на них уже узнали и по-прежнему ждут еще многого. Но если сказать коротко, то смутные очертания картины будущего могут начать вырисовываться, начиная с конца следующего года, когда должны появиться первые результаты экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC – Large Hadron Collider) в Женеве.

Конечно, все надежды на будущее, причем вполне обоснованные, связаны с экспериментальным подтверждением предсказаний и гипотез физической теории. Это значит, что на Большом адроном коллайдере должна быть обнаружена пока неуловимая частица – бозон Хиггса – и суперсимметрия.

Вот какая штука с этой частицей Хиггса: она точно должна быть, без нее рушится стройная модель взаимодействий в нашем мире, называемая Стандартной моделью, но увидеть частицу пока не удавалось. «Собственно, сама Стандартная модель и есть высшее фундаментальное достижение физики высоких энергий, – объясняет главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ профессор Дмитрий Казаков. – Для ее создания, утверждения и подтверждения с поразительной точностью и понадобились все те ускорители, которые эксплуатировали физики в последние 25-30 лет. Экспериментальные данные не указывают практически никаких отклонений от Стандартной модели. С одной стороны, это хорошо, но начинает казаться, что ничего нового в физике за пределами этой модели нет, а это было бы противоестественно. Косвенные данные с других ускорителей говорят, что он должен быть. А как можно открыть частицу? Либо прямо ее увидеть, либо увидеть ее влияние на другие процессы. Прямо ее пока не увидели, а ее влияние на другие процессы заметно. Если нет именно этой частицы, то обязательно должно быть что-то вместо нее. И значит это «что-то» обязательно должны обнаружить сверхчувствительные детекторы LHC и поймать в свою компьютерную паутину – либо бозон Хиггса, либо то, что действует вместо него. Ну а если механизм взаимодействия другой, то обнаружится этот новый механизм. Так же и с суперсимметрией. Не будут найдены суперпартнеры, значит, будет найдено что-то другое».

То, что будет найдено, и задаст вектор развития физики высоких энергий и математики, считают многие физики-теоретики. Связь с математикой неслучайна, поскольку новые сложнейшие разделы математики появились именно для построения новых моделей в физике высоких энергий – теории струн и суперсимметрии.
Осветить темноту

Впрочем, не только частица Хиггса и суперсимметричные партнеры маячат на картине будущего физики высоких энергий. По словам Дмитрия Казакова, новые данные получены в последнее время в астрофизике, которая сильно сблизилась с физикой частиц. Эти данные говорят о существовании совершенно нового физического объекта – темной энергии и темной материи. Физики пока не знают, что это такое, а узнать нужно непременно, ведь это «темное», как выяснилось, составляет более 90% всей материи Вселенной. Темная материя не вписывается в Стандартную модель. Значит должна быть какая-то новая частица, считают физики-теоретики и надеются ее обнаружить. Может, на LHC в Женеве или на одной из подземных лабораторий мира, где ловят частицы, попадающие на Землю с космическим излучением. А может быть, темная материя откроет свои секреты новой физической установке – Международному линейному коллайдеру, который физики уже проектируют и надеются построить, если правительства всех стран-участниц этого огромного и дорогостоящего проекта согласятся выделить на него средства – 6-8 миллиардов долларов.

Кстати, у России есть хорошие возможности осуществить этот проект в Дубне, где уже 50 лет существует самый успешный международный научный проект России – Объединенный институт ядерных исследований, а значит, есть необходимые опыт и условия для создания новой физической машины. Дело за малым – согласием российского правительства на этот отнюдь не безумный шаг, несмотря на огромные финансовые расходы. И все же это дело более отдаленного будущего. Решение о строительстве Международного линейного коллайдера ожидают к концу 2010 года, а реальное строительство в случае положительного решения государств может завершиться к 2020-25 году.

Между тем, в Дубне уже начато осуществление другого перспективного научного проекта под названием NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility – коллайдер, базирующийся на нуклотроне), который нацелен на иные загадки Вселенной – существование фазовых переходов в кварк-глюонной плазме. Кварк-глюонная плазма – раскаленный до невообразимой степени коктейль из взаимодействующих кварков и глюонов – пока так же неуловима, как и бозон Хиггса. Она должна существовать, потому что из нее в процессе рождения Вселенной образовались все частицы, а из них – все сущее и мы. Но пока никому не удавалось увидеть отдельно путешествующий кварк: кварки и глюоны загадочным образом удерживаются внутри протонов и нейтронов, как в клетках. Обнаружить тот момент, когда кварки и глюоны вдруг высвобождаются из своих клеток, и собираются ученые на коллайдере NICA, который будет ускорять и сталкивать тяжелые ионы – радиоактивные ядра тяжелых элементов. Сначала ядра «обдерут» от электронов, потом пошлют их в каскад ускорителей, где пучок ядер разгонят до нужной энергии. И только после этого два ускоренных пучка попадут в два кольца коллайдера, где они будут мчаться навстречу друг другу и сталкиваться, образуя в точке столкновения новое состояние ядерной материи. Одним из разгоняющих ускорителей коллайдера NICA послужит нуклотрон – уникальная машина, построенная физиками Дубны в тяжелые 90-е годы.

Первый этап создания установки NICA – коренная модернизация нуклотрона – уже идет и должен завершиться через год-полтора. Если финансирование не подкачает, то к 2012-13 году новый ускорительный комплекс может быть запущен в дело.
Невод с технологиями

Что сулят простому обывателю успехи физики высоких энергий? Физики забрасывают сети в область фундаментального знания, а попутно «выдают на гора» совершенно неожиданные возможности для производства новых технологий. «Например, колоссальные энергии на Большом адроном коллайдере достигаются с помощью сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются почти до абсолютного нуля, – рассказывает профессор Дмитрий Казаков. – В процессе создания этих магнитов жизнь заставила физиков и инженеров разработать новые способы не только охлаждения, но и отвода огромного количества тепла, которое образуется мгновенно при столкновении пучка с мишенью. Эти новые решения потребовали в свою очередь создания новых суперпрочных материалов и электроники, а для обработки сигналов о столкновениях – новых компьютерных и информационных технологий. Или возьмем нанотехнологии.

Конечно, ускоритель не производитвыпускаемые сегодня уже миллионными партиями наночипы, каждый из которых заменяет 50 млн транзисторов. Но он является грандиозным потребителем продуктов наноиндустрии. Потому что потребность физиков во все возрастающей точности измерений, а значит, в еще более возрастающем количестве разного рода детектирующих элементов требует все большей миниатюризации аппаратуры и тем самым стимулирует развитие техники наномасштабов. То есть новые технологии рождаются из потребностей переднего края науки. Наука задает вектор их развития. Развивается и интеллектуальный потенциал общества – физика высоких энергий производит высококлассных специалистов, потребляемых промышленностью и другими прогрессивными областями человеческой деятельности».
Короткоживущие для долгой жизни

Нарисовав эскиз развития физики высоких энергий, посмотрим на другие области картины будущего физической науки. Как поживает и будет поживать ядерная физика в десятилетней перспективе?

Что касается Объединенного института ядерных исследований, то его физики-ядерщики работают сразу в нескольких проектах. Многообещающие результаты в области синтеза новых сверхтяжелых элементов, которыми прославилась Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ во главе со своим научным руководителем академиком Юрием Оганесяном, ожидаются в ближайшие два-три года от новых экспериментов на «домашней» установке ОИЯИ под названием DRIB’s (Dubna Radioactive Ion Beams – пучки радиоактивных ионов). Задачи теоретиков и экспериментаторов так же фундаментальны, как и в физике частиц – понять, как создавалась Вселенная, звезды, ядерное вещество.

«Сейчас ясно, что элементы, тяжелее железа, возникают при взрыве сверхновых, – говорит директор Лаборатории теоретической физики ОИЯИ профессор Виктор Воронов. – За столетие взрываются примерно три сверхновых (от них регистрируют нейтрино). Цепочка ядерных реакций проходит через короткоживущие ядра, которые в земных условиях не наблюдаются. Попытка создать такие короткоживущие ядра, успеть измерить их характеристики и изучать их, чтобы узнать, как происходит нуклеосинтез во Вселенной – одна из задач ядерной физики. Сегодня это стало возможно лишь благодаря развитию современной вычислительной техники и детекторов».

Короткоживущие изотопы могут жить секунды, минуты, дни, годы. Радиоактивные ядра широко используются медициной для лечения и диагностики заболеваний. Чем меньше они живут, тем безопаснее для человеческого организма. Найти оптимум безопасности для человека и удобства диагностики – совместная задача физиков-ядерщиков и медиков. Кстати, производство изотопов – одна из коммерческих задач научных ядерных центров, в том числе и ОИЯИ. А еще одна коммерческая задача ядерщиков – использовать уникальный потенциал установок ОИЯИ для наработки методик, которые можно использовать на миниатюрных ускорителях, чтобы применять их для чисто практических целей, например, протонной и углеродной терапии онкологических заболеваний. В десятилетней перспективе появления таких миниатюрных ускорителей можно ожидать в медицинских центрах России.

Ну и, конечно, без новых знаний и достижений ядерной физики невозможен прогресс нанотехнологий. Не зря именно в Дубне на базе ОИЯИ в рамках особой экономической зоны планируется строительство суперсовременного Центра нанотехнологий для стран СНГ.

«Нанофизика развивается вслед за экспериментом, – утверждает заместитель директора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, заведующий кафедрой «Нанотехнологии и новые материалы» Дубненского университета профессор Владимир Осипов. – Именно экспериментальная база является локомотивом развития нанофизики – нельзя придумывать просто так какие-то новые вещи, если не знаешь, как на этом уровне устроена природа». Поэтому, во-первых – неминуемый прогресс в компьютерной технике. Уже сейчас требуются огромные расчетно-компьютерные мощности для расчета наноструктур с заданными свойствами. В ОИЯИ разворачивается специальная сеть, образующая среду распределенных вычислений под названием «наногрид». Во-вторых, потребуются квантово-химические расчеты, а значит следует ждать бурного развития квантовой химии. Третий пункт очень серьезен: одновременно с развитием наномедицины развивается и будет развиваться нанотоксикология, потому что токсичность наносенсоров для организма требует тщательного изучения – диагностика не должна наносить вред организму. Ведь, кто знает, развитие бионаноматериалов может привести к возникновению какого-нибудь вируса, вроде ВИЧ, с которым человечеству придется еще 100 лет бороться.
От физики до экономики – один шаг

Будущее науки сильно зависит от экономического процветания мира. А экономическое процветание, как это ни удивительно, – от достижений статистической физики исследующей поведение систем из большого числа частиц. Дело в том, что в таких системах могут происходить критические процессы, которые очень характерны для всех живых и социальных систем. Поэтому модели, созданные статистической физикой для систем многих частиц можно успешно применять ко всяким подобным системам, содержащим много объектов, в том числе и к экономике.

Например, поведение биржи и поведение кучи сухого песка подчиняются сходным закономерностям. Когда песок осыпается, возникают лавины. А лавины возникают, потому что в системе появляются напряжения, которые очень чувствительны к малым возмущениям. То есть малая щепотка песка может спровоцировать большой обвал. Точно предсказать, когда этот «кризис» произойдет, невозможно, потому что невозможно предсказать, какое именно малое возмущение его спровоцирует. Но можно оценить величину напряжений и место, где обвал может случиться. В результате можно обнаружить, что вероятность обвала обратно пропорциональна его размеру, возведенному в некоторую степень. Эта степень называется критическим показателем.

Как утверждает начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ профессор Вячеслав Приезжев, в экономике пока нет теоретической модели, подобной физической модели кучи песка. «Дело в том, – рассказывает Вячеслав Приезжев, – что сначала нужно ввести в экономических терминах те самые элементарные единицы, которые взаимодействуют между собой подобно песчинкам, и затем описать динамику их поведения. Но большинство экономистов пока к этому не готово. Автором модели кучи песка является известный датский ученый Пер Бак. Он как-то мне говорил, что пытался внедрить в головы экономистов-теоретиков идею использовать модель песка в экономике и послал несколько своих статей в экономические журналы. Сначала эти статьи отвергли, потому что их просто не поняли. Потом его идею, наконец, восприняли, но никто так и не смог перевести ее в экономические термины. Биржевые игроки обязательно хотят знать дату какого-нибудь очередного «черного вторника», чтобы на этот день сделать ставки. Но конкретной даты эта теория как раз дать не может. Между тем, само по себе глубокое понимание динамики финансового рынка способно принести дивиденды, но не немедленные. Вместо этого экономисты ищут простые эмпирические законы, которые дают более или менее гарантированную выгоду, но не хотят строить глобальные модели, потому что строить их гораздо труднее».

Человек, который получит теоретически критический показатель в степенном законе возникновения финансовых кризисов, получит Нобелевскую премию по экономике, считает профессор Приезжев. Однако, говорит он, статистическая физика может своими методами способствовать не только пониманию экономических законов. Например, в биофизике существует проблема свертываемости белка – так называемая проблема фолдинга. Если белок поместить в подходящий растворитель и нагреть, то он разворачивается в длинную цепочку из нескольких миллионов бусинок – аминокислот. Если теперь понизить температуру, то эта цепочка быстро сворачивается, но не как-нибудь, а всегда в строго определенном порядке – цепочка укладывается специальным образом в правильную пространственную плотную структуру. Естественно, это происходит не каким-то таинственным образом, а в соответствии с законами взаимодействия частей этой цепочки. Если дать задачу компьютеру посчитать варианты схлопывания этой цепочки, то оказывается, что современные компьютеры не в состоянии найти тот единственный вариант правильного схлопывания цепочки в плотную структуру. Потому что ошибка, скажем, в двадцатом знаке сбивает нас с единственного правильного пути – белок сворачивается непостижимо быстро и непостижимо точно.

С 2000 года, применяя модели статистической физики, в мире работает крупнейший проект распределенных вычислений Folding@home, использующий домашние компьютеры пользователей, цель которого – найти тот единственный путь свертывания молекулы белка. Пока достигнутые успехи – моделирование 5-10 микросекунд процесса свертывания. Это в тысячи раз больше предыдущих попыток моделирования, но до конца еще далеко. Есть надежда, что с совершенствованием компьютерных технологий в том будущем, куда мы хотим заглянуть, мы откроем и тайну производства белка. И тогда сможем найти средства против диабета, склероза, болезней Альцгеймера, Паркинсона и других опасных болезней.

Некоторые ученые, работающие в области физики высоких энергий, выражают опасения, что если кроме бозона Хиггса в экспериментах на LHC не будет найдено ничего интересного и нового, то физику высоких энергий какое-то время будет штормить, потому что она лишится финансирования. Даже если такое произойдет, другие области физики, такие как нанотехнологии и биофизика, явно будут приобретать все возрастающее значение. А там глядишь – опять упрямые теоретики сделают новое блестящее открытие на шкале высоких энергий, и эта область физики опять оживится.

«Наука хороша тем, что в ней есть самоорганизация, считает директор Лаборатории теоретической физики ОИЯИ профессор Виктор Воронов. – Потому что если все будут шарахаться из одного в другое, блокируя развитие каких-то отдельных направлений, то ничего хорошего это не принесет. Мы все помним историю с генетикой и кибернетикой в советское время. Здравый консерватизм должен сочетаться с трезвым взглядом.

Теперешний американский стиль науки привержен выделению модных направлений, куда устремляется большинство исследователей. Они выпускают тысячи статей, потом происходит охлаждение, а проблема остается нерешенной. Но и сегодня находятся люди, которые копают проблему глубоко. Они-то и двигают науку по-настоящему. И все же многолюдная деятельность тоже нужна: она стимулирует старания одиночек, создает атмосферу, двигает образование».