Новые приключения неуловимых частиц

Ирина Лагунина: 2011 год стал первым полноценным годом научной работы Большого адронного коллайдера и последним годом работы прежнего рекордсмена по энергии — американского Теватрона. А еще весь научный мир взбудоражили новости об открытии нейтрино, движущихся со сверхсветовой скоростью. Итоги года в области физики элементарных частиц подводит научный обозреватель Радио Свобода Александр Сергеев в беседе с заведующим сектором физики нейтрино в Объединенном институте ядерных исследований Дмитрием Наумовым.

Александр Сергеев: 16 декабря журнал Nature опубликовал рейтинг научных новостей года, составленный его читателями. Дважды в первую десятку попали сообщения с нейтринного детектора OPERA в итальянской национальной лаборатории Гран-Сассо, где как будто бы обнаружены сверхсветовые частицы. Согласно опубликованным данным, физики обнаружили нейтрино, движущиеся быстрее света, хотя и совсем ненамного. Однако с этим выводом согласны далеко не все, даже внутри самой коллаборации OPERA. Рассказывает участник эксперимента кандидат физико-математических наук Дмитрий Наумов, который в итоге не стал подписывать сенсационную публикацию:

Дмитрий Наумов: Действительно, я думаю, это совершенно оправданное место в топ-новостях Nature. Дело в том, что специальная теория относительности, которая утверждает, что максимальная скорость, с которой можно передавать сигнал – это скорость света, настолько прочно вошла в нашу жизнь и в повседневную жизнь, и в физике, нет до сих пор ни одного указания, кроме этого результата OPERA, на то, чтобы это нарушалось. Если такой результат действительно имеет место, то тогда это, вообще говоря, переворот всей физики, всех основ. Даже непонятно, с какой стороны можно было бы подобраться к созданию такой теории, которая позволила бы иметь частицу со скоростью больше скорости света, при этом все было бы согласовано с другими результатами. Поэтому интерес вполне обоснован.

Александр Сергеев: Если бы вдруг обнаружилась сверхсветовая частица, то это было бы возможно путешествие во времени?

Дмитрий Наумов: Какие угодно могут быть фантазии, спекуляции. Можно тогда причинно не связанные события причинно связывать и так далее.

Александр Сергеев: До сих пор ни одного надежного свидетельства такого рода не было - это первый раз, когда серьезная международная коллаборация ученых заявила, что она не может объяснить наблюдаемое, иначе как сверхзвуковой скоростью. Я правильно понимаю?

Дмитрий Наумов: Да, вы правильно понимаете. Только я хочу расставить акценты. То, что читатели журнала Nature выставили это в качестве одной из главных новостей уходящего года – это абсолютно обоснованно, потому что это подрывает все основы физики. Другой вопрос, правильный ли это результат? Это предстоит разобраться в ближайшее время.

Александр Сергеев: А что, собственно, было зафиксировано на детекторе OPERA, в чем состоит экспериментальный результат, который имеется на данный момент?

Дмитрий Наумов: Само по себе измерение принципиально оно достаточно простое. С очень хорошей точностью нужно вам измерить расстояние между точкой рождения нейтрино, которой является ЦЕРН, лаборатория в Женеве, и точкой детектирования – это лаборатория Гранд-Сассо в Италии. Расстояние между двумя точками примерно 730 километров, и оно было измерено двумя институтами, независимо друг от друга, с точностью до 20 сантиметров. Второе, что нужно сделать – это синхронизовать часы между ЦЕРНом и Гранд-Сассо с точностью до нескольких наносекунд, и тогда можно измерить скорость нейтрино, разделив расстояние 730 километров на разницу времен между точкой рождения и точкой детектирования. То есть принципиально эксперимент достаточно простой. И когда это было промерено все, то оказалось, что распределение событий в эксперименте OPERA такое, что оно приходит чуть-чуть раньше, на 60 наносекунд, чем можно было бы ожидать, если бы они двигались даже со скоростью света. А это можно интерпретировать как то, что у нейтрино скорость чуть больше, чем скорость света. Это "чуть" – это величина примерно 2,5 стотысячных от скорости света.

Александр Сергеев: Это крошечное превышение зарегистрировано. И в чем же может быть причина, которая может поставить под сомнение этот результат, если это простое измерение?

Дмитрий Наумов: Причин на самом деле может быть масса. Только в электронной библиотеке, которой пользуются все физики, уже на сегодняшний день зарегистрировано больше 170 статей, которые пытаются объяснить этот результат или приводят аргументы, почему этот результат неправильный, основываясь на самых разных гипотезах. Там есть гипотезы, связанные с неправильной синхронизацией времени, которые осуществляются при помощи GPS, и более экзотические вещи, связанные с дополнительными изменениями пространства, времени, что нейтрино проходит часть своего пути в другом пространственном измерении и поэтому приходит чуть-чуть быстрее. Масса гипотез, конечно, перечислить их невозможно. Представляете, 170 разных статей, плюс еще очень много было писем электронных.

Александр Сергеев: То есть среди сотрудников коллаборации OPERA нет пока единства и нет пока понимания, как можно объяснить этот результат?

Дмитрий Наумов: Скажем так, большая часть коллаборации OPERA подписала статью с этим результатом. Есть небольшая группа людей, которая по разным причинам не подписала, я в том числе. Но я думаю, что это у каждого могут быть собственные сомнения по тому или иному поводу.

Александр Сергеев: Например, если про вас говорить, у вас какие сомнения, почему вы отказываетесь подписать эту статью?

Дмитрий Наумов: Я лично не был вовлечен в сам этот анализ настолько глубоко, чтобы быть уверенным, что я полностью контролирую каждый шаг проверок, который был сделан. Некоторые проверки, которые были сделаны, которые внутри коллаборации рассказывались, меня лично не убедили, поскольку они могут носить эффект, который бы полностью перекрыл заявленный эффект, то я в конечном итоге решил эту статью не подписывать, но, повторюсь, это лишь мое частное мнение, я могу ошибаться.

Александр Сергеев: Наверное, для того, чтобы окончательно поставить какую-то точку, наверное, есть один способ – это поставить еще один эксперимент и, наверное, не на детекторе OPERA?

Дмитрий Наумов: Абсолютно верно. Наверное, будет этот результат проверяться на детекторе OPERA, и будет проверяться другими экспериментами, что очень важно, совершенно независимыми, с независимыми детекторами и независимыми пучками нейтрино. Один эксперимент будет, который находится рядом с OPERA в одном и том же зале, тоже лаборатория Гранд-Сассо, он будет использовать тот же пучок, но свою собственную электронику и свой собственный анализ этих событий. И будет еще два эксперимента проверять, один в США, который, соответственно, имеет свой собственный пучок и полностью свой собственный детектор, у них на самом деле два детектора, есть ближний и дальний, то есть они смогут сделать даже лучше, чем в OPERA. И еще один эксперимент в Японии, они тоже планируют этот результат перепроверить у себя. Так что рано или поздно, я думаю, что мы узнаем правду. Думаю, что это произойдет в течение ближайшего года-полтора.

Александр Сергеев: «Сверхсветовые нейтрино» — лишь один из результатов в области физики элементарных частиц, сделавших заголовки новостей в 2011 году. Другим долгожданным событием, был отчет ЦЕРНа о поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере. Там сенсации не случилось, бозон пока не нашли, но есть весьма обнадеживающие признаки его существования. Мы попросили кандидата физико-математических наук Дмитрия Наумова из Объединенного института ядерных исследований объяснить, что представляет собой бозон Хиггса, и как получается, что исследователи не могут сказать точно, видят они эту частицу или нет?

Дмитрий Наумов: Какая теория у нас на сегодняшний день описывает всю физику элементарных частиц? Эта теория называется "стандартная модель". Она очень успешная и описывает практически 99% всех экспериментальных данных. Но у этой теории есть особенность, что если исключить хиггсовский бозон, то все частицы были бы безмассовыми, чего, конечно, в природе не наблюдается. То есть хиггсовский бозон обязан существовать.

Александр Сергеев: То есть это такая воображаемая частица, придуманная физиками для того, чтобы их теория сошлась с экспериментами на данный момент, но никто этой частицы не видел.

Дмитрий Наумов: Я бы не сказал, что она воображаемая, то есть эта частица ничуть не хуже всех остальных. Но у нее есть такая особенность, что масса всех частиц происходит из-за того, что эта частица, точнее, ее поле заполняет собой всю Вселенную. И при движении обычных частиц через это поле эти частицы приобретают массу.

Александр Сергеев: Если эта частица, которая заполняет своим полем всю Вселенную, если с ней взаимодействуют все другие частицы, что же мешает ее пронаблюдать давным-давно?

Дмитрий Наумов: Дело в том, что она может быть тяжелой. Раньше не были доступны экспериментаторам такие установки, в которых энергии были бы велики для того, чтобы просто эту частицу родить. То есть это стало возможным только с введением таких установок как БАК – Большой Андронный коллайдер.

Александр Сергеев: Вроде бы американский ускоритель, который в этом году вывели из эксплуатации - тоже одно из важных событий в физике элементарных частиц, его энергии должно было хватать для рождения бозона Хиггса?

Дмитрий Наумов: Его энергии могло бы хватить для рождения бозона Хиггса, у него не хватило интенсивности для того, чтобы увидеть этот бозон с большой статистикой. Сама по себе частица, когда она попадает к нам в эксперимент, она не несет на себе какой-нибудь бирки, которая говорит: знаете, я хиггсовский бозон. Каким образом мы можем выявить частицу вообще? В основном по ее электромагнитным проявлениям. Она, например, у нас в каких-нибудь детекторах возбуждает электрические токи, мы видим показания детекторов. Таким образом, мы видим все частицы, и электроны, даже нейтрино, которые при своем взаимодействии дают другую заряженную частицу. Точно так же хиггсовский бозон. Он может родиться в эксперименте, если что-нибудь столкнется с достаточной энергией для того, чтобы такая тяжелая частица могла родиться, и потом, анализируя распавшиеся частицы, можно составить массу исходной частицы и увидеть в спектре масс пик превышения количества частиц над неким средним фоном. Если у вас маленькая интенсивность пучков, хиггсовский бозон, если рождается, его превышение над фоном будет очень маленьким.

Александр Сергеев: И сегодня первые признаки этого статистического пика наметились.

Дмитрий Наумов: Да, у них наметились некие статистические превышения над фоном на уровне от 3 до 4 стандартных отклонений. Три стандартных отклонения, вероятность того, что фон структурирует и выдаст такой пик, примерно 0,3%. Соответственно, вероятность того, что это будет истинный сигнал – это 99,7%. 4 превышает этот порядок на 20 раз. Выглядит это на языке статистических отклонений достаточно серьезным результатом. Однако у физиков принято считать, что заявкой на открытие является статистическая значимость примерно в 5 стандартных отклонений.

Александр Сергеев: Значит, на сегодняшний день у нас есть очень обнадеживающий результат, но все-таки еще не окончательный?

Дмитрий Наумов: Да, этот результат далеко от окончания. Дело вот в чем, что есть важный результат, полученный от экспериментов - это то, что область допустимых масс хиггсовского бозона очень сужена. Если раньше она была достаточно большой, примерно от 100 ГэВ до 600 ГэВ, то на сегодняшний день это от 116 до 131 ГэВ.

Александр Сергеев: ГэВ – это гигаэлектронвольт, это примерно одна масса протона. То есть, грубо говоря, одна частица, хиггсовский бозон будет весить примерно, как довольно тяжелый атом. И нужно, чтобы одним махом эта частица родилась, и мы бы ее увидели, и причем, происходило достаточно регулярно, чтобы у нас накопилась статистика. Собственно, этой статистики мы и ждем.

Дмитрий Наумов: Я хочу добавить, что то превышение над фоном, которое сейчас есть, оно действительно обнадеживающее, оно не противоречит тому, что это хиггсовская частица, но пока не доказывает, что это хиггсовская частица. То есть это может быть и другая частица. Для того, чтобы точно сказать, что это хиггсовская частица, надо проверить точно такие же превышения над фоном во всех других каналах распада этой частицы. То есть на сегодняшний день коллаборация АТЛАС проверила превышение над фоном только в определенном канале, когда частица распадается на два фотона и два Z-бозона. Но если действительно это хиггсовсий бозон, то он должен быть виден и в других модах распада, когда распадается на другие частицы. Только тогда, когда это будет проверено и все результаты будут согласованы, только тогда можно будет сказать, что та частица, которая наблюдается, является хиггсовским бозоном. И это займет, я думаю, еще несколько лет.

Александр Сергеев: В 30 годы экспериментировали с первыми ускорителями, а потом получили ядерную энергию. А сейчас что-то подобное в физике элементарных частиц просматривается, какие-то будущие применения?

Дмитрий Наумов: Ответить честно – абсолютно не знаю. Самих исследователей, которые этим занимаются, я думаю, совершенно не волнует, так же, как не волновало тех людей, которые занимались, связанные с радиоактивностью или космическими лучами, то, что в конечном итоге совершенно неожиданно привело к созданию атомной бомбой. Я думаю, что так же и сейчас мало кто из физиков задумывается над технологическим применением стандартной модели. Но сам способ, каким физики сейчас исследуют стандартную модель, он привносит технологическое развитие в нашу цивилизацию. Очень много технологических достижений сейчас было сделано при реализации этих экспериментов, которые в конечном итоге попадают в нашу обыденную жизнь. Опосредованно через это, я думаю, стандартная модель уже оказала или оказывает влияние на нашу жизнь.