И.П.Иванов (по мотивам доклада Дж.Бьеркена на "Международной Конференции по Фундаментальным наукам: Математическая и Теоретическая Физика", Сингапур, 13-17 Марта 2000).

Физика Элементарных Частиц (ФЭЧ) - или, как ее сейчас чаще называют, Физика Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край фундаментальной науки. Исторически ФЭЧ образовалась как наука, изучающая строение вещества на самом глубоком уровне. Однако по мере накопления знаний о структуре материи вопрос "как устроен мир?" сменился вопросом "почему он так устроен?". Такая постановка вопроса - это уже совершенно новый уровень претензии на понимание мира. Возможен ли окончательный и всеохватывающий ответ на этот вопрос? Если да, то скоро ли он будет получен? Если нет, то до каких пределов может развиваться наше знание о фундаментальном устройстве мира? Какие надо преодолеть трудности и какие конкретно шаги надо сделать для их преодоления? Что ждет физику элементарных частиц в будущем? Ответы на эти вопросы попытался дать проф. Джеймс Бьеркен (Стэнфордский Ускорительный Центр, США) в своей вступительной речи на "Международной конференции по Фундаментальным наукам: теоретической и математической физике", проходившей 13-17 марта 2000 года в Сингапуре.

Дж.Бьеркен - знаменитый физик, проработавший в ФЭЧ свыше 40 лет, автор многих открытий. Имея за плечами опыт работы как в теоретической, так и в экспериментальной ФЭЧ, он сделал попытку охватить всю ФЭЧ цельным взглядом, в едином развитии ее трех компонентов - теории, эксперимента и технологии. Ниже, с некоторыми сокращениями и переработкой, приводится этот доклад. Оригинал можно найти в e-print архиве под номером http://ru.arxiv.org/abs/hep-ph/0006180

Фундаментальная физика XX века - цельная картина

Двадцатый век стал свидетелем нескольких замечательных моментов синтеза разнородных областей физики. Синтез термодинамики с электродинамикой Максвелла, проведенный М.Планком в 1900 г., положил начало квантовой теории - совершенно новому взгляду на окружающий мир. За ним быстро последовал синтез классической механики и электродинамики (А.Эйнштейн, 1905 г.), приведший к созданию специальной теории относительности. Далее, в 20-х годах из слияния электродинамики с квантовой теорией была создана квантовая электродинамика (КЭД).

Все это случилось менее чем за 30 лет. Оставшаяся часть 20-го века принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того, что сейчас называется физикой элементарных частиц (ФЭЧ). В это время было открыто большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире. Наконец, к 70-м годам века, картина прояснилась настолько, что стала видна единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория, осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась фундаментом современной Стандартной Модели ФЭЧ. Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов КЭД - так родилась квантовая хромодинамика (КХД), теория, описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов.

Все эти силы, включая и гравитационные, описываются одним и тем же классом фундаментальных теорий - так называемыми калибровочными теориями. Поведение всех этих сил на малых расстояниях описывается одним и тем же законом: 1/r². Единственное отличие между разными силами заключается в том, что они "чувствуют" разные характеристики частиц: электрослабые и сильные взаимодействия чувствуют сохраняющиеся "заряды", а гравитационное взаимодействие - также сохраняющуюся энергию. Поэтому в последние годы все усиливается предчувствие, что все четыре взаимодействия имеют единые корни, поэтому в этом направлении возможен новый синтез - Великое Объединение.

Еще один особый вид синтеза, разворачивающийся в настоящее время, - это объединение физики элементарных частиц и космологии. Астрономия и астрофизика 20-го века имеет и свою богатую историю, однако с появлением космологии Большого Взрыва во второй половине века стало ясно, что ФЭЧ и космология тесно переплетены друг с другом. Их совместное развитие является иллюстрацией того, как тесно связаны физические явления, разворачивающиеся на самых больших расстояниях во Вселенной, с явлениями, происходящими на микроскопически малых расстояниях.

Поэтому, если выкинуть все второстепенное, то единая большая картина современной фундаментальной физики будет выглядеть так, как на рисунке. Ничто из изображенного здесь не существовало сто лет назад. Вся эта картина - результат совершенно уникального прогресса в понимании природы, совершенного за этот век. Этот прогресс базируется на трех китах современной физики: на технологии, эксперименте и теории. В отсутствие какого-либо компонента развитие физики попросту остановилось бы.

Поэтому, чтобы попытаться увидеть будущее ФЭЧ, надо понимать, какие достижения можно ожидать во всех трех областях. Можно ли рассчитывать на дальнейший прогресс в физике? Существуют ли его пределы или принципиальные ограничения?

Технология и эксперимент

Ключевое слово в ФЭЧ - это энергия. Типичные экспериментально достижимые энергии сталкивающихся частиц менялись в течение века от нескольких электронвольт (эВ) в первых вакуумных камерах до триллиона эВ (ТэВ) в коллайдере ТэВатрон в лаборатории им. Э.Ферми в Чикаго. Грубо говоря, рост достижимой энергии в 20-м веке был экспоненциальным: энергия удваивалась в среднем каждые 2.5 года.

В новом веке такой быстрый рост энергии будет, по-видимому, невозможен; замедление этого роста видно уже последние 10-20 лет. Современные экспериментальные машины для ФЭЧ - огромные и очень дорогостоящие сооружения, на одно строительство которых уходит несколько лет. Однако это еще не означает конец эры ускорителей, и определенный прогресс здесь все еще ожидается.

Современные ускорительные комплексы (коллайдеры) представляют собой накопительные кольца, в которых вращаются навстречу друг другу разогнанные до огромных энергий сгустки электронов, протонов или других частиц. В определенных местах эти сгустки сталкиваются. Продукты этих столкновений регистрируются установленными вокруг этих точек детекторами.

Самый крупный электрон-позитронный коллайдер - это LEP (Large Electron-Positron collider) лаборатории ЦЕРН, расположенный на территории сразу двух стран - Швейцарии и Франции. Его окружность составляет 27 км, и в настоящее время он работает на энергии центра масс сталкивающихся частиц 200 ГэВ. Эта цифра и является пределом для циркулярных электроно-позитронных коллайдеров.

В случае протонов достижимы и большие энергии. В 2006 году в том самом туннеле, где сейчас расположен LEP, вступит в строй протонный коллайдер LHC (Large Hadron Collider), рассчитанный на энергию 7 ТэВ. Однако это еще не предел - циркулярные протонные машины можно, в принципе, создавать и на энергии 100-1000 ТэВ. Поэтому технически возможно создание еще одного протонного суперколлайдера. Сейчас эта идея находится на стадии предварительного обсуждения; "кодовое название" будущей машины - VLHC (Very Large Hadron Collider). Если она когда-нибудь и вступит в строй, то не ранее, чем через 20-30 лет.

Что же будет с электрон-позитронными коллайдерами? Здесь на смену круговым ускорителям придут линейные электрон-позитронные коллайдеры. Такие коллайдеры уже находятся в стадии концептуального дизайна; через несколько лет они начнут воплощаться в железе, и через 10-15 лет вступят в строй. Типичная энергия такого линейного ускорителя (так называемого "линака") составит 500-1000 ГэВ. Кроме того, на линаке можно будет устраивать столкновения не только электронов, но и фотонов практически с той же энергией. Так что линак может работать и в режиме "фотонного коллайдера".

Еще одной совершенно свежей идеей является так называемый мюонный коллайдер, в котором будут разгоняться и сталкиваться не электроны, а мюоны - достаточно тяжелые и нестабильные частицы. Идея, которая казалась поначалу безумной, теперь выглядит в принципе реализуемой, хотя и очень сложной с технической точки зрения. Мюонные коллайдеры на 2-4 ТэВа находятся сейчас на начальном этапе концептуальной разработки. Их появление предвидится только через 15-20 лет. Интересно, что, кроме своей непосредственной функции, мюонные коллайдеры смогут играть роль и своеобразных "нейтринных фабрик" - мощных направленных источников мюонных нейтрино.

Сверхвысокие энергии не являются единственным способом узнать новое о природе. Есть особые зоны и при умеренных энергиях, где тщательное и кропотливое изучение тонких эффектов может привести (и приводит!) к открытиям. Такие ускорители называются "фабриками". Они работают на одной энергии и избирательно изучают необычные свойства каких-то конкретных частиц. Так, сейчас имеются "-фабрики", "Z-фабрики" и т.д., работающие на энергиях -мезона, Z-бозона и т.д. соответственно. Идея "фабрик" оказалась очень плодотворной, так что в будущем ожидается создание и других фабрик.

Принципиально иным направлением экспериментальной ФЭЧ является неускорительная физика. Идея заключается в том, что в природе и так существуют потоки частиц высокой энергии (иногда даже выше, чем энергии, достижимые на ускорителях), поэтому наша задача - это всего лишь научиться их регистрировать. Два основных класса таких частиц - это заряженные космические лучи внесолнечного происхождения и потоки нейтрино, преимущественно солнечные и атмосферные. Свежее открытие в этой области - обнаружение масс и смешивания разных типов нейтрино на детекторе СуперКамиоканде в Японии.

Однако неускорительную физику вряд ли ожидает роль лидера экспериментальной ФЭЧ - слишком уж неэффективно пассивное экспериментальное наблюдение. Поэтому продолжается поиск принципиально новых возможностей для увеличения энергии линейных коллайдеров. Здесь мы встречаемся с новой принципиальной трудностью. Для того, чтобы разогнать частицу до энергий порядка 1000 ТэВ или выше на типичных дистанциях не более 100 км, требуется создать ускоряющий градиент электрического поля порядка 1 Вольт на ангстрем. Но настолько сильные поля уже будут вырывать электроны из атомов и изменять структуру практически любых материалов. Поэтому при первой же попытке разогнать частицы таким сильным полем сам ускоритель начнет разрушаться!

Есть ли какие-нибудь идеи, как обойти эту трудность? В принципе, да. Сейчас мы стоим на пороге новой технологии - нанотехнологии. Не исключено, что будущий прогресс нанотехнологии позволит создать микроскопические ускорительные ячейки с нужным градиентом поля. После разгона частицы и разрушения ячейки смогут регенерироваться за достаточно короткое время, чтобы обеспечить приемлемую интенсивность пучка. Однако это мечты далекого будущего - современная технология на такое не способна.

Теория

Обратимся теперь к теоретической физике элементарных частиц. Первый вопрос в повестке дня - объяснение недавно обнаруженных масс и смешивания разных нейтрино. Основной вопрос здесь - почему массы нейтрино столь малы? Как оказалось, что в теории, где характерные массы частиц составляют миллионы и миллиарды эВ, появляются частицы в миллионы раз легче? Каково происхождение этого малого параметра? Предложено несколько вариантов объяснения; среди них выделяется наиболее элегантный, опирающийся на все то же Великое Объединение. Реализуется ли этот вариант в природе или же это всего лишь красивая теоретическая конструкция? Ближайшее будущее покажет.

Другая важная проблема связана с поиском бозона Хиггса. Теория электрослабого взаимодействия, уже неоднократно подтвержденная экспериментом, неизбежно предсказывает его существование. Однако на опыте хиггсовский бозон пока не открыт. В чем тут дело? Может, он слишком тяжел для современных экспериментов? А может ли теория предсказать его массу? Или же бозона Хиггса вообще нет? Ответы на эти вопросы будут получены в ближайшие 5 лет. А может быть, и раньше.

Следующая по очереди проблема - это реализуется или нет в природе Суперсимметрия? Если это так, то мы опять станем свидетелем нового синтеза в ФЭЧ и пересмотра взглядов на то, как устроен мир. Узнаем мы это также относительно скоро.

Наконец, еще одна задача - наиболее сложная из перечисленных - это построение квантовой теории гравитации. На основании тех результатов, которые сейчас появляются в этом направлении, можно судить, что решение этой задачи одновременно даст и ответ на многие фундаментальные вопросы о структуре вещества, пространства, времени: почему в природе существует минимальный электрический заряд? Почему фундаментальные постоянные имеют именно такие, а не иные, значения? Почему наше пространство трехмерно? Почему нам дан именно такой набор элементарных частиц? Возможно, что рано или поздно ответы на эти вопросы даст зарождающаяся сейчас так называемая М-теория.

Заключение

Физика элементарных частиц еще далека от насыщения. Несмотря на некоторое замедление в ее развитии, в ближайшие 10-15 лет вступит в строй новое поколение ускорителей, что гарантирует нам несколько существенных открытий в ФЭЧ. Это неизбежно приведет к принципиально новому и более глубокому пониманию природы.