Что такое кварки и почему за них дают премию президента

Интервью с физиком из Протвино Станиславом Пославским

8 марта 2017 в 10:33, просмотров: 2375

В День Российской науки 8 февраля трое молодых ученых получили из рук президента премии за работу в области физики высоких энергий. Среди них был Станислав Пославский, сотрудник отдела теоретической физики ИФВЭ в Протвино. Корреспондент «МК в Серпухове» встретилась с новоиспеченным лауреатом, чтобы расспросить его о научных исследованиях.

Что такое кварки и почему за них дают премию президента
фото: Татьяна Пичугина
Физик Станислав Пославский

Станислав Пославский родился в Протвино в семье инженера. Учился в школе № 2, его классным руководителем была Альбина Георгиевна Щербакова, учившая истории не одно поколение протвинцев. Интерес к математике и физике Станислав проявил рано, много занимался самостоятельно, закончил Заочную физ-мат школу при МФТИ, но поступить решил на физфак МГУ. Там увлекся теоретической физикой, расчетами, а в аспирантуре познакомился с будущим научным руководителем, профессором Анатолием Константиновичем Лиходедом. После окончания учебы пришел к нему на работу в ИФВЭ. В 2014 году защитил кандидатскую диссертацию. Премию Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год присудили ему за «исследования кварк-глюонной плазмы с использованием мегаустановок и создание основ новой высокопроизводительной системы компьютерной алгебры, ориентированной на проведение расчетов в области физики высоких энергий».

— Станислав, прежде всего, поздравляю с премией. Объясните, пожалуйста, попроще, для народа, что означает название премии? Что такое кварк-глюонная плазма?

— Это действительно довольно сложное понятие, но я попробую. Мы занимаемся исследованием физики сильных взаимодействий, которые отвечают за связь элементарных частиц в ядрах атомов. Кварки — это частицы, наряду с лептонами и фундаментальными бозонами, из которых состоит все многообразие материальных частиц в природе. Из кварков состоят протоны и нейтроны, кварки участвуют в сильных взаимодействиях, которые описывает теория под названием квантовая хромодинамика. Представьте себе два электрических заряда, расстояние между которыми увеличивается. Значит, силы взаимодействия между этими зарядами будут уменьшаться. Если заряды развести на бесконечное расстояние, то они не будут друг с другом взаимодействовать. А с кварками противоположная ситуация. Чем дальше друг от друга они находятся, тем сильнее притягиваются. Развести кварки на какое-то конечное расстояние невозможно, потому что силы притяжения между ними будут расти до бесконечности. Поэтому в свободном виде, не в составе других частиц, кварки наблюдать нельзя. Если кварки находятся на очень малом расстоянии друг от друга, меньшем, чем размер ядра, то сила взаимодействия между ними приблизится к нулю.

Есть еще такие частицы как глюоны, ими обмениваются кварки. Если сильно разогнать кварки, то образуется такое вещество, в котором кварки будут плавать свободно, не взаимодействуя друг с другом. Это и есть кварк-глюонная плазма. Чтобы ее получить, нужно очень сильно сжать материю. Я приближенно объясняю, немножко ненаучно, и наверное, коллеги будут меня ругать.

— Но все-таки поясните еще, а как выглядит кварк-глюонная плазма?

— Никак. Дело в том, что длина волны видимого света — около 500 нанометров. Размер ядра атома в миллион раз меньше, поэтому увидеть ядро атома глазом невозможно — оно намного меньше, чем длина волны света, видимого глазом. Так же и кварк-глюонную плазму нельзя увидеть, а только уловить, например, по излучаемым ей фотонам с помощью специальных детекторов на Большом адронном коллайдере (БАК).

— То есть эта плазма слишком маленького объема?

— И понятие объема к ней не применимо. Наши классические представления о размерах, когда мы спускаемся на уровень атомов, ядер и внутрь ядер, не работают.

— Пульсар во Вселенной мы тоже не можем увидеть, но знаем, что он большой и тяжелый.

— Вот потому, что он большой и тяжелый, мы об этом знаем. А в микромире действует принцип неопределенности Гейзенберга. Представьте, что элементарная частица летит с определенной скоростью. Чтобы наблюдать частицу, нужно посветить на нее. Свет достигнет ее, отразится и попадет нам обратно в глаз. Но когда свет отразится от частицы, ее скорость изменится, потому что свет и частица провзаимодействуют друг с другом. Состояние частицы как-то изменится, но мы не знаем, как. Принцип Гейзенберга утверждает, что если мы знаем координаты частицы, мы точно не знаем ее скорость, и наоборот.

— А почему для изучения таких маленьких частиц нужны такие огромные мегаустановки как БАК?

— Я приведу аналогию. Атомная станция большая, а реакция бета-распада, на которой она работает, происходит в микромире на уровне атомных ядер. Так вот, чтобы наблюдать взаимодействие кварков и глюонов, нам нужно проникнуть в ядро, на очень малые расстояния. Ядро в сто тысяч раз меньше атома, а нам нужно еще глубже. Для этого приходится разгонять материю до огромных скоростей с помощью огромных энергий. Когда частицы сталкиваются, образуются тысячи других частиц, которые разлетаются в разные стороны. Ученые их фиксируют при помощи детекторов. К примеру, чтобы поймать гамма-квант, нужен электромагнитный калориметр. Желательно, чтобы он занимал всю сферу разлета частиц. Часть калориметра — специальные кристаллы или сцинтиллятор, который представляет собой толстый слой вещества. Через это вещество летят гамма-кванты и порождают фотоны, которые улавливаются фотоумножителем, а далее информация о них выводится на монитор. А есть еще мюонный детектор, адронный калориметр, трэковая система... Если собрать все детекторы вместе, то получается здание с пятиэтажный дом.

— Вы и двое ваших коллег-лауреатов работаете в одном проекте?

— Мы работаем в одной узкой области физики, но занимаемся разными задачами. Непосредственно изучением кварк-глюонной плазмы в эксперименте занимается Дмитрий Блау из Курчатовского института. Другой лауреат — Елена Лущевская из ИТЭФ занимается решеточными вычислениями (см. подробнее статью «Теории, кварки и решетка» в №8 от 17.02.2015 — прим.ред.). А я изучаю материю, в которую входят очарованные и прелестные кварки. Названия звучат довольно поэтично, но означают совсем не то, что к чему мы привыкли. Очарованные и прелестные кварки — тяжелые, они напрямую не входят в видимую нами материю, в отличие от легких кварков, образующих протоны и нейтроны. Но без тяжелых кварков природа была бы другой, они — неотъемлемая часть картины мира, равноправные участники сильных взаимодействий. Частицы, в состав которых входят эти тяжелые кварки, можно наблюдать на короткие мгновения — 10 в минус 21 секунды и только c помощью ускорителей.

Моя работа включает в себя, например, расчеты вероятностей рождения тех или иных частиц при столкновениях протонов. Одна из таких частиц — джи-пси мезон, который состоит из очарованных кварка и антикварка. Точно вычислить эти явления невозможно, приходится использовать разные модели. Здесь нужно знать, что нашу область сильных взаимодействий описывает уравнение Янга-Миллса. Оно до сих пор не решено в общем случае. Математический институт Клэя предлагает за его решение миллион долларов. Это одна из так называемых «задач тысячелетия».

— Что же Янг и Миллс уравнение вывели, а решить сами не смогли?

— Оно очень сложное.

— Почему вы уверены, что существует решение?

— Потому, что используя разные приближенные методы, мы решаем его для разных частных случаев. Хотя и не всегда. К примеру, в области, где сила взаимодействия между кварками бесконечно растет, это называется конфайнментом, мы эти уравнения решить не можем. Там, где сила взаимодействия между кварками очень мала, это область асимптотической свободы, мы можем использовать приближенные методы, так называемую теорию возмущений.

— Может быть, эти уравнения неверно описывают реальность?

— В принципе, может быть, но очень вряд ли. Это все равно, что вдруг узнать, что Земля плоская. За полвека исследований все, что мы видим в эксперименте, замечательным образом ложится в ту картину мира, которая описывается стандартной моделью и этим уравнением. Хотя само уравнение выглядит изящно и просто, решить его в общем виде до сих пор никому не удалось. Аналогично в термодинамике есть уравнение Навье-Стокса, которое описывает динамику потока жидкости или газа. За его решение тоже предлагают миллион долларов. Хотя уравнение не решено, мы строим самолеты, дома. Почему? Потому что придумали множество приближенных методов, чтобы решить уравнение Навье-Стокса для конкретного круга задач. Также и в моей области физики. Нащупывая, строя разные модели, мы когда-нибудь придем к построению полной картины мира. Сейчас это как огромный пазл, который собран частично.

— А какой практический выход от изучения сильных взаимодействий? Слабые взаимодействия дали миру АЭС, а возможно сделать, например, кварковую бомбу?

— Абсолютно уверен, что результаты этих исследований войдут в жизнь, но каким образом, не знаю. Может мы благодаря им на Марс каждый день будем летать.

— А может появится новый способ передачи информации или источник энергии?

— Не знаю, и никто не знает. Наука устроена таким образом, что практические результаты исследований почти никогда не ясны заранее.

— Это странно. Квантовая хромодинамика существует уже более полувека, и никаких догадок, как практически претворить ее в жизнь?

Ответить Станислав не успел. В этот момент в кабинет буквально влетел доктор физ.-мат. наук Анатолий Лиходед. Едва он перевел дух, я задала ему вопрос, который давно меня занимал.

— Анатолий Константинович, почему ваши ученики такие успешные?

— Совсем простой ответ состоит в том, что я стараюсь дать им конкретные задачи, а не философские рассуждения. Эти ребята работают с людьми, которые делают измерения на БАКе. Когда занимаешься конкретным делом, то появляется очень много проблем. Когда занимаешься общими рассуждениями, то проблем становится меньше, а жизнь спокойнее. Станислав очень трудолюбив, очень четок. А в нашем деле это важные качества. Если ошибиться хоть в одной из сотен диаграмм, то весь труд насмарку.

— Область физики, которой он занимается, перспективная?

— Вы задаете какой-то потрясающе сложный вопрос. Восемь миллиардов евро потратили на запуск БАКа. Десяток тысяч человек там трудится. Одни совершенствуют его технически, другие ведут измерения. А в результате все знают только про бозон Хиггса. Хотя его открытие не было главной задачей коллайдера. Главной задачей было нарушение CP-инвариантности. Но в этом ЦЕРН опередили американцы и японцы. Так что можно сказать про перспективу? Вот он (показывает на Станислава) перспективный, потому что умеет работать. Вы задали нехороший вопрос. Согласны?

— Не знаю... Я спрашивала Станислава, можно ли открыть новый источник энергии в результате исследования сильных взаимодействий.

— Миленькая моя, зачем вам новый источник энергии? Мы эту-то тратить как следует не можем.

— Погодите. Человечеству нужен альтернативный источник вместо нефти и газа.

— У вас есть альтернативный — ядерное топливо, но и он вам не нужен.

— Ядерная энергетика занимает менее 10% от всей...

— Когда эта кончится, займет 100%. Я про другое хочу сказать. Вот вы в детстве смотрели на звезды, на Луну ради любопытства? А ведь материя, которую мы можем потрогать, занимает только 10-15%, а остальные 90% неизвестно что...

— Про темную материю уже все знают.

— Вот вы пришли сюда, вопросы задаете. Значит есть любопытство?

— Я по заданию редакции пришла.

— А мы по заданию бога работаем. Как же легко вы задаете такие сложные вопросы, а я не знаю ответы.




Партнеры