Статьи

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Еще до начала войны харьковчанин Михаил Дальченко разговаривал с журналистом ITC.ua из обсерватории на Канарах. Около десяти лет назад он был в одной из команд, которая с коллегами открыла бозон Хиггса – они изменили представление об элементарных частицах и понимание квантового мира. Сейчас физик Дальченко пошел дальше и вместо «космоса» элементарных частиц изучает космос Вселенной – с помощью революционного телескопа пытается понять, как формировались галактики и что будет потом. Беседа с известным физиком, который работает в Университете Женевы (Université de Genève), затянулась более чем на час, и успели обсудить широкий круг тем – от темной материи и суперсимметрии до гиперпространства и самых «тупых» теорий в физике.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Михаил Дальченко

Вы были в группе ученых, которые открыли бозон Хиггса. Откуда вы, кто вы по специальности, где вы работали и как так получилось, что вы начали работать в ЦЕРНе?

Я из Харькова. Окончил Харьковский национальный университет им. Каразина, физико-технический факультет, кафедра теоретической ядерной физики. И, собственно, это обусловило мое сотрудничество с ЦЕРНом, потому что еще во время работы над моим магистерским дипломом во французском Université Paris Sud XI я начал работать над возможными путями поиска бозона Хиггса.

Где вы начали работу?

После того как защитил магистерский диплом в Харькове, я подумал, что было бы неплохо отойти от теории и перейти больше к экспериментальной физике высоких энергий. И у меня было предложение поехать еще на один год в магистратуру во Францию. И в конце этой магистратуры мне предложили аспирантуру во французской лаборатории LLR, Ecole Polytechnique.

Вы учились в Харькове и Франции. Какая между ними разница, что принципиально отличается?

Разве что материально-техническая база там получше – экспериментальные установки, всяческая электроника, но в целом учебный процесс достаточно похож. Во Франции, может, письменные экзамены несколько более формализованы. В Украине была довольно значительная доля устного ответа на экзамене.

Хорошо. Потом вам предложили где-то практику?

Предложили писать докторскую диссертацию в течение трех лет в лаборатории во Франции. На самом деле, с темой моей диссертации получилось очень интересно. Потому что где-то посреди моей работы над диссертацией мы смогли открыть бозон Хиггса. Поэтому, когда я защищал работу, она уже называлась несколько иначе – об измерении массы и ширины распада бозона Хиггса в канале H->ZZ -> 4 leptons. Здесь нужно буквально в паре слов объяснить, что такое бозон Хиггса.

Да, считаю нужным экскурс в теоретическую физику…

Тогда давайте сначала о том, откуда вообще взялся бозон Хиггса и зачем он нужен. Дело в том, что существует физическая модель нашего элементарного мира – элементарных частиц и того, как они взаимодействуют между собой. Эта модель сформировалась еще где-то с 60-х годов. За ее разработку Глэшоу, Вайнберг и Салам получили Нобелевскую премию. Но с этой моделью была одна проблема. Она не могла объяснить, как элементарные частицы приобретают массу. То есть она идеально работала для безмассовых частиц и просто не объясняла, как они могут существовать иначе.

Масса в этом случае важный элемент?

Масса – это просто одна из характеристик частицы, и стандартная модель физики элементарных частиц работала с безмассовыми частицами, то есть у них нет массы – ноль. Как у фотона, который является безмассовой частицей. Но из того, что мы наблюдаем, мы знаем, что у элементарных частиц есть масса. И в этой модели должен быть некий механизм, который придаст им массу. Но такого механизма не было.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Питер Хиггс

Питер Хиггс был одним из ученых, который искал ответы. Параллельно с ним, полностью независимо работали Браут и Энглер, ученые из Бельгии. Они предложили механизм, который можно объяснить так: если мы введем в нашу модель еще одну частицу, которая будет являться бозоном, то есть будет соответствовать статистике Бозе – Эйнштейна (конденсат Бозе – Эйнштейна – это состояние материи, которое предвидел Альберт Эйнштейн в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе. Эта теория характеризуется тем, что атомы движутся согласованно, формируют одну квантово-механическую волну. В обычном газе частицы движутся по всем направлениям случайно – это тепловое движение, а значит, они ведут себя как одна большая квантовая волна. – Прим. ред.), то через нее можно ввести механизм, при котором другие элементарные частицы приобретают массы. Это сделали в 1964 году, если я правильно помню. Было потом еще много разных теорий, много разных предложений с более сложными механизмами, которые тоже соответствуют математическим предположениям.

Какие, к примеру, можно назвать?

Различные модели: текниколор, композитные модели Хиггса и так далее. Их достаточно много, на самом деле, я даже все не могу вам перечислить. Если упростить: например, если у вас есть линейка, она должна работать независимо от того, в сантиметрах она или в дюймах. Она все равно должна одинаково измерять расстояние: если вы, например, маленькой линейкой меряете большой стол – прикладываете несколько раз и складываете. То есть размер каждый раз должен быть одинаковым вне зависимости от того, как вы меряете – в метрах, сантиметрах, дюймах.

То же самое применяется в любой физической модели – вы можете предложить различные механизмы и они должны соответствовать буквально трем фундаментальным критериям. Но проблема была в том, что с бозоном Хиггса невозможно было предугадать его массу. И, собственно, потому бозон Хиггса и искали 60 лет.

Тогда расскажите, как проходил этот рабочий день в ЦЕРНе? Чем вы занимались?

У нас в ЦЕРНе есть четыре очень больших эксперимента: ATLAS, CMS, ALICE, LHCB. И еще несколько поменьше (но тоже очень важных) экспериментов по ядерной физике и медицинской физике. Мы должны делать две вещи. Одна из них – поддерживать жизнедеятельность наших экспериментов. Я работал на эксперименте CMS, сообщество которого состоит из многих институтов, университетов и стран. То есть за ним надо следить, когда он работает, периодически обслуживать. К тому же следует работать с ним как с детектором и повышать качество его измерений. Чтобы лучше измерить какую-либо характеристику бозона Хиггса, вам нужно как можно лучше измерить электроны. То есть у вас в изолированном состоянии один электрон влетел в ваш детектор – и вы должны сказать, какой была его энергия, каким был его импульс.

То есть насколько точными будут данные?

Да. Я работал именно с электронами – над повышением качества реконструкции, то есть насколько хорошо мы можем каждый электрон идентифицировать, измерить его энергию и импульс. Это одна часть работы. Вторая часть работы – это, собственно, сбор данных, которые интересны именно для моего процесса. Например, меня интересовали те данные, в которых в финальном состоянии четыре лептона – это могут быть два электрона и два мюона или это могут быть два электрона и два нейтрино. И дальнейшая разработка алгоритмов анализа данных для проверки предсказаний теоретических моделей. На самом деле, мы примерно одновременно открыли бозон Хиггса в двух финальных состояниях – в четырех лептонах и в двух фотонах.

А кто это сделал?

Были четыре крупных исследовательских группы – две на эксперименте ATLAS и две на эксперименте CMS. На каждом из экспериментов была одна группа, которая занималась двухфотонным финальным состоянием и четырехлептонным. Мы одновременно получили достаточное количество данных, чтобы заявить об открытии.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Большой адронный коллайдер

То есть две группы сделали это одновременно?

Потому что у нас одинаковый ускоритель, у нас только разные детекторы. В нашей группе было около 25–30 человек. Среди них я.

Понятно. Где вы были, как вы услышали об открытие, какими были эмоции?

Принцип любой научной работы – это анализ. У нас есть симуляции, мы подбираем, разрабатываем алгоритмы, которые будем использовать для нашего анализа. То есть статистический анализ делается на симуляциях, не на реальных данных. Ведь если вы будете это делать на реальных данных, то не сможете сделать независимый анализ. Когда мы разработали процедуру и удовлетворены ею, то назначаем дату, когда делаем так называемый анблайндинг, то есть раскрываем, как наш код работает на реальных данных. После этого мы его запускаем и смотрим результаты.

У нас был митинг, в это время я был в Париже. Мы увидели, что у нас, кажется, есть открытие. Затем идет довольно долгий и кропотливый процесс проверок, что все работает так, как мы этого хотим, что мы нигде не допустили какую-то ошибку или что-то такое.

И когда все уже проверили, мы пишем статью в научный журнал, делаем публичное заявление. О бозоне Хиггса у нас была огромная пресс-конференция, на которую пригласили Питера Хиггса и Франсуа Энглера (Роберт Браут, к сожалению, не дожил год до открытия) – это было летом 2012 года. Я был на этой пресс-конференции.

Что вы подумали в то время?

Подумал, что это очень круто, мы все молодцы. Я достаточно серьезно усовершенствовал реконструкцию электронов. Это нам позволило собрать больше событий и лучше их реконструировать, поэтому у нас была лучшая статистика, мы быстрее увидели собственно бозон Хиггса. Были другие люди, которые занимались в других доменах, в других местах. Еще были люди, которые построили коллайдер, построили сами детекторы. Это коллективная победа, и это было очень круто.

Что это дало и чем поможет в будущем?

Есть направление, которое отдает предпочтение новым открытиям. И следующий шаг – еще точнее измерить характеристики бозона, определить его массу как можно четче, определить спин и как эта частица взаимодействует с другими частицами. Научная программа ЦЕРНа сочетает в себе еще несколько таких не изученных физикой доменов элементарных частиц, например, поиск кандидатов для темной материи.

Немного остановитесь, насчет темной материи нужно объяснить.

Что такое темная материя? Как мы знаем из космологических исследований, мы должны регистрировать значительно большую массу во Вселенной, чем та, которую мы регистрируем. Что это значит для нас? Что должны существовать частицы, которые взаимодействуют таким образом, что мы их не видим. То есть они взаимодействуют гравитационно, потому мы знаем, что они должны быть. Но, например, они не взаимодействуют электромагнитно, то есть не излучают свет. Иначе их бы увидели. И есть несколько моделей, какими могут быть эти частицы, как они могут взаимодействовать.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Состав Вселенной по данным WMAP

То есть она «темная», потому что скрытая?

Темная, потому что мы ее не видим с помощью имеющихся у нас инструментов. Мы знаем, что темная материя имеет существенную массу, по тому, как, например, различные галактики двигаются относительно друг друга, но не можем что-либо увидеть.

Такие частицы могут рождаться при столкновениях протонов на большом адронном коллайдере, и мы можем измерить их, так сказать, следы. Это обширная программа поиска. И разных моделей темной материи достаточно много.

Представим себе, что завтра мы открыли темную материю. Что это нам дает?

Даст лучшее объяснение строения Вселенной, строения на элементарном уровне формации галактик, формации материи. Это не поможет запустить другую ракету на Марс или Луну. Но это даст нам лучшее понимание того, как формируются галактики, какова динамика развития нашей Вселенной и Галактики.

Кроме темной материи интересен, по-моему, еще поиск суперсимметрии. Что такое суперсимметрия? Стандартная модель элементарных частиц – теория, которая хорошо работает, она объясняет многое. Но у нее есть некоторые вещи, которые мы не можем объяснить сейчас.

Например?

К примеру, мы не можем объяснить иерархию масс элементарных частиц. Механизм приобретения ими массы мы нашли, но почему, скажем, мюон тяжелее электрона или почему масса топ-кварка именно такая, какая она есть, мы объяснить не можем. Или, например, другой вопрос – это масса нейтрино. Стандартная модель, вообще, работает с безмассовыми нейтрино. Но мы знаем, что у них, хоть и очень маленькая, но все же есть масса.

И чтобы объяснить все эти штуки, уменьшить набор каких-то констант, которые константы просто потому, что они вот такие, многие ученые работают над альтернативными теориями, которые не исключают стандартную модель, а ее дополняют.

Вы можете на это посмотреть как, например, на события, где есть ньютоновская механика, которая шикарно работает в нашей повседневной жизни. А есть релятивистская механика, которая начинает давать свои поправки, когда вы приближаетесь к скоростям света. Тогда ее поправки становятся существенными и мы должны их учитывать.

Я вам больше скажу, вы пользуетесь релятивистской механикой каждый день. Когда, например, включаете GPS в гаджете. Потому что GPS работает на разнице времени, которое требуется сигналу для поступления с разных спутников.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Михаил Дальченко в ЦЕРНе собирает мюонную камеру

Расскажите о суперсимметрии.

Суперсимметрия предполагает, что у каждой элементарной частицы должен быть так называемый суперсимметричный партнер. И если у вас основная частица – это фермион (все частицы можно разделить на две группы в зависимости от значения их спина: частицы с целым спином относятся к бозонам, с полуцелым – к фермионам. – Прим. ред.), то суперсимметричным партнером будет бозон, и наоборот. И, собственно, она предполагает, что мы должны найти достаточно много других частиц, которые еще неизвестны и не найдены.

А если найдут, что это будет означать?

Это будет означать, что действительная стандартная модель является эффективным приближением более сложной теории. Затем это будет зависеть от того, что именно найдут и как именно эти частицы будут вести себя. Очень далекая цель – разработать и проверить на практике модель элементарных частиц Вселенной.

Одним из примеров такой модели является так называемая GUT – Grand Unification Model. Это большая теория унификации, которая говорит о том, что при очень больших энергиях все типы взаимодействия, которые мы сейчас наблюдаем как отдельные – гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие – сходятся к одному унифицированному взаимодействию.

Снова в космос. Что нам поможет совершить самые быстрые космические перелеты, возможно, что-нибудь в физике?

Из фундаментальной физики сейчас нам не поможет ничто. Чтобы сделать более быструю ракету, вам нужно сделать лучший двигатель, иметь лучшие материалы, лучшую электронику. Но мы очень много работаем над материалами, новейшими технологиями с точки зрения телекоммуникаций, радиационно устойчивой электроники.

Разрабатывая наши экспериментальные установки, мы очень многое добавляем к прикладному аспекту. К примеру, я довольно долго работал с мюонными детекторами. И, с одной стороны, мы их используем в эксперименте в Большом адронном коллайдере, а с другой – их используют на таможне, чтобы с помощью мюонов быстро просветить большие грузовики.

Вернемся к фантастике. Если говорить о гиперпространстве. Есть теории, которые говорят, что нужно сжимать пространство рядом с самим кораблем. Это научная фантастика или, может, есть в этом какое-нибудь рациональное зерно?

Это не совсем научная фантастика. Можно сказать, это математические трюки, которые помогают сделать вашу теорию более жизнеспособной.

«Теория гиперпространства – это математический трюк»: украинский физик, который помог открыть бозон Хиггса

Теории warp drive, который позволяет перемещаться со скоростью выше скорости света

А в целом, как вы думаете, возможно именно это?

С математической точки зрения – да.

А в реальности пока не ясно?

Я не знаю, и никто не знает. И, собственно, одна из причин, почему я решил немного отойти от теоретической физики и идти в экспериментальную – потому что сейчас количество теорий очень велико. И довольно часто эти теории противоречат друг другу. В этом ничего плохого нет, проблема в том, что есть очень большой шанс, что если вы займетесь сейчас теоретической физикой высоких энергий, то потом это можно будет назвать научной фантастикой. То есть потерянное время.

Теорию струн меняли многократно.

И именно поэтому здесь есть проблема. Современные теории описывают такие явления и такие характеристики, которые мы не можем проверить, измерить.

А скажите, какие самые такие «тупые» теории вы встречали?

Они не отличаются ничем от целого зоопарка других непроверенных теорий. К примеру, бывают так называемые нумерологические псевдотеории. Это когда делают какое-то совершенно бессмысленное предположение, а дальше какие-то многочисленные расчеты, которые якобы что-то подтверждают, что-то дают, но это подгонка чисел под реальность. И это вообще нельзя назвать теорией.

Какой-нибудь пример?

Теория разумных дельфинов. Или у нас был кандидатом в президенты Академии наук Украины Юрий Тесля. Он разработал теорию несилового взаимодействия. Теория строится на предположении, что «материальный мир есть продолжение другого мира. Мира функционально и эмоционально самого важного. Материя чувственна. Ее поведение (движение) определяется не искажением пространства, а собственным отношением к действительности (чувственным компонентом нашего мира)». Это полная чушь.

Что вы сейчас делаете и исследуете? Что с этим телескопом?

Сейчас работаю на международную обсерваторию с черенковскими телескопами. Это телескопы, которые исследуют источники фотонов очень высоких энергий (такие как активные ядра галактик, квазары, блазары, черные дыры) с помощью наблюдения черенковского света, который создается, когда частица с очень высокой энергией входит в атмосферу Земли.
То есть для нас рабочее тело детектора – атмосфера Земли. В нашей группе мы проектируем новую камеру для такого телескопа. И я занимаюсь разработками систем обработки данных и калибровкой массива телескопов, это больше про IT – разработка программного обеспечения.

Насколько я понимаю, вы уже два года там работаете. Что за эти два года происходило, что вы нашли?

Во-первых, через несколько лет у нас будет большой массив телескопов, их будет много. Сейчас у нас есть один уже полностью готовый прототип, он установлен на острове Ла-Пальма на Канарах. Дело в том, что вот сейчас на Большом адронном коллайдере есть энергия столкновений, она равна нескольким тераэлектрон-вольтам. С одной стороны, это много, это самая большая из всех таких экспериментальных установок на Земле. А с другой – это немного. Ведь если мы хотим посмотреть на энергии, на которых, например, теория унифицированного взаимодействия должна работать, то это энергии на 10 порядков выше, чем мы можем создать на Земле. Пока нет технологий, которые смогут нам обеспечить такие ускорители. Но в космосе такие ускорители есть. Это, например, блазары.

На что это может повлиять?

Это понимание того, как проходят те или иные процессы при таких больших энергиях, как совершаются взаимодействия. Это все понимание Вселенной.

Есть ли какая-то практичная плоскость в этом? Я просто хочу, чтобы мы приблизили будущее. На что это может повлиять?

Например, я бы вам сказал, что мы сейчас разрабатываем новую камеру и эта камера работает в оптическом диапазоне и ее можно грубо сравнить с камерой в вашем мобильном телефоне. Но у нее очень высокая чувствительность и скорость. То есть мы видим легко один фотон и можем считывать сигнал с частотой в гигагерц. И сенсоры, которые мы используем, работают не только в наших камерах, но, например, в медицинском оборудовании – позитронно-эмиссионном томографе. В нашей группе есть подгруппа, которая занимается разработкой новейшей ручной ПЭТ-камеры, которую может использовать хирург, когда производит, например, операцию на мозге. Новейшие хирургические инструменты, которые пытаются разработать, должны быть малоинвазивными, минимизировать хирургическое вмешательство – чем меньше вы физически к чему-то притрагиваетесь, тем меньше вы это что-то травмируете. Эта камера поможет делать сложные хирургические операции менее травматичными.

Еще мы хотим открыть суперсимметрию, суперсимметричных партнеров. Вы снова спросите зачем? Есть фундаментальная наука, есть прикладная наука. Например, когда Джеймс Максвелл писал свои уравнения по электромагнетизму, никто не думал о том, что будут телевизоры. Но они потом появились. И здесь то же самое. Сейчас то, чем я занимаюсь, это передний край фундаментальной науки – мы не думаем о практическом применении. Но есть достаточно много ученых, которые занимаются несколько иной наукой и разрабатывают практическое применение. Это не столько наука, сколько инженерия, немного другой домен.

Завантаження коментарів...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: