Иван Борисович Логашенко, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, доктор физико-математических наук, недавно выступил на Общем собрании СО РАН с докладом о работе на ВЭПП-2000 и достигнутых результатах. А его коллеги из ИЯФ 18 декабря 2024 провели пучок из источника электронов СКИФ сквозь структуру линейного ускорителя (25 м) и достигли проектных параметров. Мы побеседовали с Иваном Борисовичем об этой очень интересной и загадочной области современной физики. Думаем, что вам, дорогие читатели, тоже будет интересно узнать о темной материи, темной энергии, о том, что представляет из себя СКИФ на самом деле и о многом другом.
– Иван Борисович, расскажите немного о себе.
– Я физик и всю жизнь занимался физикой. Закончил сначала ФМШ, потом НГУ. Сам приехал из Южно-Сахалинска, где жил и учился до ФМШ. И со времен НГУ работал в ИЯФе, потихонечку проходя через все стадии научной карьеры.
– Сильно отличается направление, которым вы сейчас занимаетесь от того, что было в начале научной деятельности?
– Нет, мне всегда была интересна физика частиц и я пришел изначально именно в эту область науки. И часть моей работы – продолжение того, чем я занимался еще со времен диплома. Но только часть, конечно. С тех пор все развивалось, по ходу дела я участвовал и в других экспериментах.
– А насколько физика, особенно в вашей области, шагнула вперед за какие-нибудь 20–30 лет?
– Я был студентом в начале 90-х годов, и с тех пор появилось несколько новых вещей, о которых ученые тогда еще не знали. Они, правда, в основном все пришли к нам из астрофизики. Темную материю тогда уже знали, темная энергия была только в виде теоретической идеи. Открыли ее значительно позже. Физика развивается, и достаточно интенсивно.
– Чем темная материя отличается от темной энергии? Это же все вещи, насколько я понимаю, гипотетические, их не увидеть, не пощупать нельзя?
– Да, темная она – потому что мы ее не видим, но темная материя, хотя мы ее и не видим, ведет себя именно как материя, которая практически никак не взаимодействует, только гравитационно. Но это можно понять. А темная энергия… мы не понимаем, что это такое, она ведет себя совершенно не так, как что-либо другое, и совершенно непонятно, оно вообще есть, это что-то, или это просто свойство самого пространства.
– Так она есть или это только гипотеза?
– Есть, потому что мы видим ее проявления, Вселенная расширяется, и расширяется ускоренно, со все большей и большей скоростью, и что-то Вселенную расталкивает. Мы называем это что-то темная энергия, но природа ее для нас остаётся тайной.
– Вообще в физике много загадок осталось? Или – чем дальше в лес…
– В принципе, мы понимаем, как мир устроен, до тех масштабов, до которых дотянулись, то есть до тех энергий, на которых работает Большой адронный коллайдер. Но понимаем именно в принципе, а дальше есть много интересных деталей, нюансов, которые не меняют принцип, но сами эти проявления столь многообразны, что в них есть много чего непонятного.
Это история обычная, вся химия, которую мы знаем, это одно уравнение, которое было написано давным-давно. Химия как эмпирическая наука появилась раньше, а потом в рамках физики она была объяснена. Но знание этого уравнения нам совершенно не помогает узнать свойства всех элементов. Потому что поведение сложных систем, состоящих из многих элементов, которые подчиняются этим уравнениям, это отдельная сложная научная задача. И в физике частиц такие вопросы тоже есть. Например, мы знаем самые простые системы из кварков – мезоны, барионы, самые известные – протон и нейтрон, из которых состоят все ядра, но когда этих кварков становится больше или возникает система из нескольких мезонов-барионов, то появляется та физика, которую мы только-только начали видеть и понимать.
– Такие красивые поэтические названия – мюон, пион, барион. Их недавно открыли, на ускорителях?
– Нет. Мюон открыли давно, около 100 лет назад, в космических лучах. Первые эксперименты проводились с помощью источников радиации, которые выдавали альфа-частицы или другие виды радиации. Но у них энергия маленькая. А потом ученые научились делать детекторы, чтобы регистрировать космические лучи. И в космических лучах открыли множество частиц. Но этой энергии не хватало, кроме того, они летят в случайный момент времени, их не так много, поэтому научились делать сначала ускорители, а затем и коллайдеры, и только тогда уже дошли до очень больших энергий и систематической работы с частицами.
– Вы же сейчас с ВЭПП-2000 работаете. Какие в процессе были интересные моменты, открытия?
– Самое яркое, это то, о чем я рассказывал в докладе – измерение формфактора заряженного пи-мезона. Это самая простая частица, которая состоит из кварков. Она самая легкая. Протон и нейтрон, например, состоят из трех. По два, они называются u и d, «верхний» и «нижний», их так назвали, чтобы в табличке разместить. Пи-мезон состоит из двух кварков, которые участвуют в сильных взаимодействиях. Этот кирпичик очень важен во всей пирамиде науки, которую мы строим. И важен для других применений, для проверки Стандартной модели в целом.
ВЭПП-2000 – это электрон-позитронный коллайдер. Коллайдеры бывают разные, можно сталкивать электрон и позитрон, а можно – протон и антипротон или протон с протоном например. Электрон-позитронные – самые понятные с точки зрения того, что есть в начале. Электрон с позитроном аннигилируют и получается чистая энергия. Из нее рождаются другие частицы, и мы понимаем изначальное состояние, из которого рождаются новые частицы.
– А в СКИФе что будет, это же тоже коллайдер?
– Нет, СКИФ – это не коллайдер, там один пучок летает по кругу и все время создает рентгеновское излучение. Это очень большая, очень яркая рентгеновская трубка, с особыми свойствами, которых нет в обычном рентгеновском аппарате. Она очень яркая, дает очень короткий импульс, что позволит проводить множество исследований. СКИФ, по сути, является микроскопом, который позволяет разглядывать объекты в рентгеновском свете. А в коллайдерах у нас два пучка, которые сталкиваются между собой, и у них совсем другая задача: мы их сталкиваем и в процессе рождается что-то другое, мы это изучаем и понимаем, какие законы работают на очень малых расстояниях. Коллайдеры бывают на разных энергиях, и ВЭПП-2000 – самый маленький коллайдер в мире, рассчитан на самую маленькую область энергии – с энергии, когда частицы из кварков только-только рождаются, до двух гигаэлектронвольт в системе центра масс. Следующая установка по энергии работает в Китае, следующая за ней – в Японии, а на самую большую энергию – в ЦЕРНе.
ИЯФ исторически мировой лидер в области электрон-позитронных коллайдеров. Мы их построили множество, участвовали во всех проектах разных стран мира. Наш ВЭПП-2000 – самый производительный в пересчете на столкновение пары сгустков, все, что можно из пучков выжать, – мы на нем выжимаем.
– Вы говорили о расхождении со Стандартной моделью в докладе. Насколько я понимаю, речь идет как раз о темной энергии и темной материи?
– И это была одна из надежд. На самом деле теорий, которые объясняют расхождения, сотни, а попробуй выбрать из них наилучшую, когда они все равноправны. И все являются фантазиями, пока не подтверждаются экспериментом. А чтобы выбрать ту, что реализуется в природе, нужны экспериментальные данные. И отличие расчетной и наблюдаемой величин аномального магнитного момента мюона давало большую надежду, что здесь может содержаться открытие. Наши новые измерения интересны именно тем, что они скорее подтвердили, что в Стандартной модели все хорошо.
По нашим данным, отличие, о котором мы говорим, оказалось небольшим, согласуется с точностью нашего измерения.
– Что еще нового за последние годы произошло в Институте в вашей области физики?
– В последние пару лет для нас флагманским проектом было строительство СКИФа, это то, куда вложены огромные усилия. ВЭПП-2000 – универсальная машина, которая занимается изучением физики сильного взаимодействия в своей области энергии в разных каналах. Были сделаны интересные измерения в эксперименте СНД (на ВЭПП-2000 у нас два эксперимента), по поиску рождения пар нейтрон-антинейтрон (нейтронов очень много в природе, а антинейтрон – редкая штука). В природе его нет вообще, его можно родить с помощью энергичных пучков, например, на коллайдерах. И у нас они рождаются в состояниях, которых ни у кого почти нет, почти в покое – энергии хватает как раз на то, чтобы они родились, и они почти стоят на месте. Измерение вероятности и механизма их рождения дает информацию о том, как устроен нейтрон внутри себя и как частицы, состоящие из кварков и находящиеся недалеко друг от друга, взаимодействуют между собой. Это очень интересный результат.
Всего у нас опубликовано около 30–40 результатов, в основном они узкоспециальные. В своей научной области ВЭПП-2000 самая производительная установка, и она хорошо известна специалистам.
– А какой следующий шаг? Чего бы хотелось достичь, и не обязательно на этой установке?
– Сейчас мы заканчиваем программу экспериментов как мы их изначально задумывали на ВЭПП-2000. У нас был исходный план, когда мы строили установку – сколько мы хотим набрать экспериментальных данных, мы это все сделали. Но установка работает даже чуть лучше, чем мы планировали, и сейчас планы расширились. Установка эта наиболее производительная в мире и будет оставаться таковой, конкурентов пока не видно в этой области энергии. Поэтому мы хотим обновить детекторы, которые регистрируют вылетающие частицы, их можно сделать лучше. И провести еще один раунд экспериментов на следующем уровне точности.
В институте есть еще один коллайдер – ВЭПП-4М, он гораздо больше и позволяет достичь более высоких энергий. Так как он не лидирующий в мире по производительности, на нем мы проводим такие эксперименты, в которых мы можем использовать наше преимущество, проводить измерения лучше всех в мире.
Так вот, на нем планируется прямо сейчас измерить с самой высокой точностью в мире, массы некоторых элементарных частиц, состоящих из кварков. А эти массы частиц очень важны: они дают реперные точки, которые определяют масштабы в мире частиц. На них потом нормируются результаты, полученные на всех других установках в мире.
В ИЯФ есть еще интересная установка, в которой пучок электронов или позитронов сталкивается с мишенью прямо в вакууме. В ускорителе сверхвысокий вакуум и через него пролетает газовая струя, которая является мишенью. Она не портит вакуум в ускорителе и ее можно локализовать в одном месте, и с этой струей сталкивается пучок электронов и позитронов. Так мы можем изучать структуру протона, нейтрона, такой схемы эксперимента ни у кого нет, это тоже наша уникальная установка, и она тоже регулярно выдает интересные результаты.
– А как вы думаете, в итоге удастся понять устройство Вселенной?
– Да, конечно, но, как всегда, до какой-то степени. Человечество показывает, что мы все время идем глубже и глубже в познании, и методы при этом развиваются. Если во второй половине века основным поставщиком информации были коллайдеры или другие установки такого типа, то сейчас очень много нового приходит из астрофизики. Мы наблюдаем за Вселенной, и там такое многообразие всего, что, правильно понимая увиденное, мы узнаем очень много информации. Так что науки, которые изначально были разными, астрофизика и физика элементарных частиц (мы занимаемся микромиром, а они – космосом) сейчас начали очень сильно перекликаться между собой.
– Но ведь в микромире и заложен космос?
– Да, и сейчас это стало видно напрямую.
Елизавета Садыкова
Обратная связь