Что такое Стандартная модель и почему она не устраивает физиков? Можно ли создать мини черную дыру на коллайдере, и будет ли она опасной для человечества? Чем теория Большого взрыва не устраивает ученых? Об этом в интервью «Газете.Ru» рассказал директор НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, соруководитель направления Национального центра физики и математики «Физика частиц и космология», член-корреспондент РАН Эдуард Эрнстович Боос.
— Эдуард Эрнстович, как менялись представления о темной материи на протяжении последних пятидесяти лет?
— Появились десятки вариантов моделей ее возникновения и ее природы.
— Но в ее существовании уже никто не сомневается?
— О существовании темной материи мы знаем из многочисленных астрофизических наблюдений. Это самые разные данные. Особенно точные получены спутником «Планк» в эксперименте по наблюдению реликтового излучения. Есть много других астрофизических данных, говорящих о том, что во Вселенной есть темная материя. Доля темной материи — примерно 25% в полной энергии Вселенной, а обычное вещество, включая всю пыль и нас, составляет в лучшем случае 5%. Все остальное — темная энергия.
— Как темную материю отличить от темной энергии?
— Темная материя способствует тому, что галактики и их скопления удерживаются рядом друг с другом. А темная энергия, наоборот, позволяет далеко отстоящим друг от друга галактикам разлетаться, да еще и с небольшим ускорением. Этим темная энергия отличается от темной материи. Однако, что такое темная материя — мы по-настоящему не знаем. Все еще усложняется тем, что в некоторых галактиках темной материи и нет.
— Как же не разлетаются галактики, в которых нет темной материи?
— Они имеют другую форму.
— Так что такое темная материя?
— Основные исследования физиков в мире направлены на проверку гипотезы, которую многие специалисты считают наиболее вероятной: темная материя — это субстанция из неизвестных частиц.
Все известные частицы (частицы Стандартной модели – базового описания «кирпичиков» нашего мира) на роль темной материи не подходят. Можно допустить, что темная материя – это нейтрино, но оказывается, что вклад реликтовых нейтрино в полную энергию Вселенной, по оценкам, по крайней мере на 2-3 порядка меньше, чем экспериментально найденная величина вклада темной материи. В то же время различные данные о распределении темной материи говорят о том, что это очень похоже на субстанцию каких-то частиц.
— Что это должны быть за частицы?
— Они должны быть очень долгоживущими, иначе они бы распались еще в самой ранней Вселенной. Также они должны очень слабо взаимодействовать с нашими обычными частицами, потому что если бы это было не так, мы давно бы их увидели. Мы знаем, что гравитационно эти «частицы» как-то взаимодействуют, но гравитация – это очень слабая сила. Обнаружить такое взаимодействие в наземных экспериментах весьма сложно.
— Так есть ли уже открытые частицы, которые могли бы быть кандидатами на роль частиц темной материи?
— Во многих расширениях Стандартной модели предсказываются новые частицы, которые вполне могли бы стать ими. Например, в суперсимметричных расширениях Стандартной модели есть подходящая легчайшая суперсимметричная частица. Однако эксперименты, проведенные в последнее время и на Большом адронном коллайдере (БАК), и другие эксперименты практически закрыли такую гипотезу.
— Есть ли другие гипотезы?
— Да, могут быть другие сценарии, где такие частицы либо существенно тяжелее, либо наоборот — существенно легче по сравнению с электрослабым масштабом порядка сотни ГэВ.
Возможно, некоторые из них мы сможем проверить на многофункциональном ускорительном комплексе, строительство которого планируется в рамках создания Национального центра физики и математики (НЦФМ). Если будет принято решение о его создании, он будет создаваться как мегасайенс-проект на площадке НЦФМ.
— Он будет располагаться в Сарове?
— Да. Это будет многофункциональный ускорительный комплекс с электрон-позитронным кольцевым коллайдером. Такая машина дает дополнительные возможности поиска частиц темной материи с не очень большой массой от нескольких десятков МэВ до нескольких ГэВ. На БАК их зарегистрировать очень непросто из-за больших фонов.
— Это главная цель, под которую строится коллайдер?
— Нет, он не для этих целей. Главная цель проекта многофункционального ускорительного комплекса не в том, чтобы изучать темную материю. Главная цель — детально изучать процессы рождения и распада тау-лептонов и D-мезонов — это мезоны, содержащие с-кварки. Все это процессы, происходившие в ранней Вселенной.
— А можно ли подробнее объяснить, что такое Стандартная модель?
— Это табличка кирпичиков, из которых состоит наш мир в самой его глубине. На той глубине, которую достигла современная наука.
Но это не просто набор частиц. Это теория, которая описывает все взаимодействия между этими частицами, позволяет сосчитать главные эффекты и во многих случаях различные квантовые поправки к ним. Это теория, обладающая предсказательной силой.
— Можно ли сравнить стандартную модель с таблицей Менделеева?
— В какой-то мере — да. Но это более глубокая вещь, построенная на других принципах. Таблица Менделеева — это не теория. Теории, которые лежат в основе таблицы Менделеева — это атомная и ядерная физика.
— Допустим, через 100 лет мы достигнем более глубокого проникновения в эти самые частицы, найдем что-то внутри них. Стандартная модель будет выглядеть абсолютно по-другому?
— Нет. Ведь и периодическая система Менделеева через 100 лет не стала выглядеть по-другому. Конечно, добавились некоторые новые элементы. Но в целом система Менделеева нетленна, она есть, никуда не делась. Точно так же Стандартная модель — она никуда не денется, потому что все частицы Стандартной модели обнаружены экспериментально, все переносчики взаимодействия тоже обнаружены экспериментально. Последним найден бозон Хиггса – и тоже экспериментально. Тем самым подтверждены все основные «ингредиенты» Стандартной модели и измерены практически все взаимодействия, за исключением некоторых деталей, которые еще нужно изучать.
— Когда вы смотрите на Стандартную модель, она для вас представляет собой полное описание мира, или все-таки в ней чего-то не хватает?
— В настоящее время это наше базовое описание микромира. Но то, что в ней чего-то не хватает, тоже совершенно очевидно. Например, темная материя существует, но Стандартной моделью мы ее описать не можем. Барионная асимметрия Вселенной тоже никак ей не описывается. Во Вселенной сейчас нет антивещества: ни антипротонов, ни антинейтронов, нет антиядер, — хотя взаимодействия в Стандартной модели исключительно симметричные относительно замены частиц на античастицы.
— Значит на коллайдере, который будет построен в Сарове, легче будет найти темную материю?
— Да, в определенной области масс у такой машины будет преимущество. Это будут наилучшие условия, с помощью которых темная материя может быть найдена. Если, конечно, она состоит из частиц…
— Обсуждаются ли в вашей группе еще какие-то гипотезы ее возникновения?
— Обсуждается еще второй вариант, который уже никакого отношения к будущему многофункциональному ускорительному комплексу не имеет. Он связан с тем, что вблизи таких объектов, как черные дыры, где возникают исключительно мощные гравитационные поля, могут происходить самые разные эффекты. Сотрудники нашей группы пытаются смоделировать такие ситуации, когда роль темной материи выполняли бы модификации взаимодействий вблизи таких очень массивных объектов, как черные дыры. Это другое направление.
— Как же проверить эту теорию?
— Прежде всего, надо было бы начать с построения последовательной квантовой теории вблизи таких объектов. Это сейчас как раз и делают коллеги из нашей группы: пытаются построить последовательную квантовую теорию вблизи черных дыр.
— Действительно ли в лабораторных условиях можно создать микроскопические черные дыры, чтобы экспериментально проверить будущую теорию?
— Это один из вариантов, который обсуждается для эксперимента на Большом адронном коллайдере. Мини черные дыры — это объекты, которые могут возникать в теориях с дополнительными измерениями пространства-времени.
— Это те самые дыры, которыми запугивали население перед запуском БАК? Помните, были анимации, когда рождается черная дыра, она поглощает сначала Женеву, потом Землю и так далее?
— Об этом писали в основном неучи. Не знаю, зачем они запугивали население дурацкими домыслами… Эти объекты, если и рождаются, то очень быстро испаряются. Выглядит как распад, но это распад на многие частицы сразу. Это характерные конечные состояния, сигнатуры событий. Такие сигнатуры ищутся в эксперименте на Большом адронном коллайдере. Пока их не находят и, тем самым, тоже устанавливают ограничения на массы и параметры взаимодействий таких мини черных дыр.
— Будете ли вы изучать антивещество в НЦФМ на новом многофункциональном ускорительном комплексе?
— Да, это один из пунктов будущих исследований.
— У вас в группе также занимаются моделированием первых мгновений рождения Вселенной. Что-то поменялось в представлениях о Большом взрыве за последние десять лет?
— Стандартная теория Большого взрыва, которая известна еще со времен работ Гамова, на данный момент фактически закрыта. Стало ясно, что необходима еще одна фаза до того, как происходит то, что называется горячей фазой развития Вселенной.
— Что значит теория закрыта?
— Это значит, что в ней не хватает чего-то очень существенного.
— Но ведь уже все физики согласны с тем, что Большой взрыв был?
— Тут нужно договориться о том, что понимается под взрывом…Простая история, как если бы в одной точке что-то рвануло и все полетело в разные стороны, не срабатывает. Все было сложнее, слишком много деталей.
— Но что-то установлено уже точно?
— Да. Та часть, когда в результате Большого взрыва возникали разные частицы, протоны и электроны соединялись в атомы, а атомы – в молекулы. Здесь все ясно. Также ясно и то, что от молодой Вселенной остались некие не поглощенные в ней фотоны, которые когда-то родились и должны до нас дойти. Это и есть реликтовое излучение, предсказанное Гамовым. Мы его сейчас видим. Вопросы возникают, когда мы идем в другую сторону — к нулю по времени. Там, судя по всему, есть несколько стадий, которые не проверяемы экспериментально.
— В чем загвоздка?
— Одна из проблем состоит в том, как происходит превращение кварк-глюонной плазмы (состояния вещества в первые мгновения рождения Вселенной) в то самое вещество, из которого состоим в том числе и мы. Ясно, что такой момент существовал во Вселенной обязательно. Но как именно осуществлялся этот фазовый переход, пока непонятно.
Но скоро будет достроен коллайдер NICA в Дубне, и на нем можно будет просканировать область, где ожидается этот фазовый переход от кварк-глюонной плазмы к протонам и нейтронам. Можно будет его экспериментально изучить.
Также некоторые моменты мы намерены изучить и на будущем многофункциональном ускорительном комплексе НЦФМ в Сарове.
— Уже запланирована постройка этого комплекса?
— Есть достаточно проработанный ускорительный проект, созданный коллегами из Института ядерной физики Сибирского отделения РАН. Создана коллаборация ряда институтов и университетов, которая занимается вопросами будущего детектора, есть люди, которые занимаются созданием физической программы — моделируют, изучают, что можно будет делать на такой машине. Программа широкая, там много всего. Написан большой труд по физической программе С-Тау фабрики в составе многофункционального ускорительного комплекса.
Shutterstock