— Что такое «мегасайенс», почему это направление появилось в олимпиаде «Я — профессионал»?

— Развитие физики на протяжении последних ста лет шло постепенно от простых наблюдений до все более и более сложных экспериментов. Можно вспомнить первые эксперименты в ядерной физике в начале XX в., например, эксперимент Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах, или опыт Милликена по измерению элементарного электрического заряда — тогда свойства материи на субатомном уровне могли изучаться одним человеком в небольшой лаборатории. По мере накопления знаний об элементарных частицах возникали новые вопросы, которые можно было решить только на более сложных установках, требующих специального оборудования — ускорителей заряженных частиц высоких энергий и детекторов частиц. Такие эксперименты проводились в 50-х — 70-х годах прошлого века на ускорителях в СССР, США, европейских странах небольшими группами, состоящими из нескольких десятков ученых. Уже тогда строительство ускорителей могли позволить себе только наиболее развитые страны с высоким экономическим потенциалом. Те эксперименты можно было поставить за год, получив выдающиеся результаты, на которых основана современная физика элементарных частиц. Последующие эксперименты ставили перед собой гораздо более амбициозные цели — открытие истинно элементарных новых частиц, подтверждение теорий, описывающих все взаимодействия, посредством прецизионных измерений.

— Как и когда у вас появился интерес к физике элементарных частиц? Как начался ваш профессиональный путь, в каких лабораториях и с работы над какими задачами?

— Меня еще в школе интересовали фундаментальные науки о природе — астрономия, физика. Было просто интересно узнать, как устроен мир, как он образовался, как развивается. Поэтому, поступив на Физтех, я без особых поисков факультетов и кафедр выбрал именно то направление, что было связано с элементарными частицами, — это была Кафедра физики высоких энергий на Факультете общей и прикладной физики в одноименном институте в г. Протвино. В этом институте был (да и сейчас есть) самый мощный ускоритель протонов в СССР и России, и институт участвовал практически во всех международных сотрудничествах на ускорительных комплексах мира. Мне довелось работать во многих международных коллаборациях на ускорительных комплексах в Фермилабе (США), ЦЕРН (Швейцария), ГСИ (Германия), и, конечно, на ускорительном комплексе в своем институте физики высоких энергий. За время своей научной карьеры я занимался различными задачами в экспериментальной физике высоких энергий — участвовал в экспериментах по измерению спиновых эффектов в столкновении поляризованных частиц, по изучению экзотических событий типа Центавров и стренджлетов, впервые обнаруженных в космических лучах, по исследованию свойств материи, состоящей из кварков и глюонов с состоянии деконфайнмента.

— В каких научных проектах вы работаете сейчас? Над какими проблемами?

— Последние 25 лет я работаю в международном эксперименте ALICE на Большом Адронном Коллайдере, задачей которого является систематическое изучение сильных взаимодействий в столкновении протонов и тяжелых ионов при сверхвысоких энергиях. Космология полагает, что через микросекунду после Большого Взрыва наша Вселенная состояла из кварков — частиц материи и глюонов — переносчиков сильного взаимодействия при чрезвычайно высокой температуре и плотности. В таких условиях кварки и глюоны находятся в свободном состоянии, называемом деконфайнментом, не объединяясь в привычные нам протоны, нейтроны или мезоны. Именно такие условия создаются при столкновении ядер на Большом Адронном Коллайдере, и задача физиков — измерить свойства этой кварк-глюонной сильновзаимодействующей материи. Конечно, мы создаем этот кусочек Вселенной в очень малом масштабе — размером в несколько фемтометров, поэтому его нельзя рассмотреть непосредственно. Но через измерение частиц, излучаемых этой материей и регистрируемых в детекторах, можно определить практически все свойства материи. В частности, наша группа занимается измерением спектров фотонов, которые несут информацию о первичных свойствах образовавшейся кварк-глюонной материи при высоких температурах.

— За последние десятилетия темпы развития науки сильно изменились. Новости об открытии новых частиц или новых состояний появляются регулярно. Как связаны эти ускоряющиеся темпы с появлением огромных экспериментальных установок — установок класса «мегасайенс»?

— Скорее наоборот, открытия новых частиц стали появляться все реже и реже. Я говорю об истинно элементарных частицах — неделимых объектах, которые лежат в основе уравнений, описывающих материю и ее взаимодействия. Конечно, составные частицы продолжают открываться на ускорителях — это, например, частицы, состоящие из тяжелых кварков, которые ранее не могли быть обнаружены из-за несовершенства детекторов и недостаточно высокой светимости и энергии ускорителей. Но если говорить об истинно элементарных частицах, то с открытием бозона Хиггса в 2012 г. на Большом Адронном Коллайдере была полностью подтверждена так называемая Стандартная Модель — теория, описывающая электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. В эту Стандартную модель входят 12 частиц материи, 5 частиц — переносчиков взаимодействия и одна частица, отвечающая за спонтанное нарушение симметрии.

Дальнейшие попытки найти новые элементарные частицы за пределами Стандартной Модели пока не увенчались успехом — удалось лишь поставить ограничения на массы новых частиц. Тем не менее, Стандартная Модель не удовлетворяет физиков из-за своей несогласованности и большого количества параметров. Расширенные модели предсказывают существование новых частиц с очень большими массами — например, суперсимметричные партнеры известных нам частиц, или частиц, не взаимодействующих с обычной материей — например, частицы «темной» материи, т. е. невидимой части Вселенной, обладающей большой суммарной массой. Для поиска новых частиц за пределами Стандартной Модели планируется модернизация действующего ныне Большого Адронного Коллайдера, начато проектирование новых ускорителей, которые сейчас кажутся фантастическими и нереальными, но, тем не менее, их запуск уже запланирован примерно через пару десятилетий.

— Как научные результаты, полученные при исследованиях на установках «мегасайенс», могут использоваться в реальном мире и приносить пользу обычным людям? Если не сейчас, то в будущем: что может дать нам физика частиц?

— Безусловно, занятие фундаментальной наукой — это не такое уж бесполезное дело. С одной стороны, мы хотим узнать, как устроена Вселенная, и любой может задать вопрос: «А как знание о строении Вселенной улучшит мою жизнь?». Ответов на этот вопрос несколько. С одной стороны, для создания мегаустановок по изучению свойств элементарных частиц требуются совершенно новые детекторы и технологии, которые еще не существуют в промышленности. Например, я упомянул о будущем ускорителе, который запустится через 20 лет. Для его создания требуются сверхпроводящие магниты с напряженностью поля 16 Тл. Сейчас таких сильных магнитов не может произвести ни один завод на планете. Физики стимулируют инженеров изобрести технологию, позволяющую создать магниты с напряженностью 16 Тл. Если такие магниты будут созданы для ускорителя, они, безусловно, сразу будут востребованы для многих прикладных задач — от медицины до новых источников энергии.

Другой пример влияния развития физики высоких энергий на прогресс человечества — создание сверхбыстрой измерительной электроники, способной различать и измерять сигналы длительностью от нескольких пикосекунд. Таким образом, фундаментальная физика способствует прогрессу в электронной промышленности. Фундаментальная наука также оказывается основой для развития термоядерной энергетики — наиболее чистого практически неисчерпаемого источника энергии.

— Установки класса «мегасайенс» расположены во многих странах, и вы ведете исследования в России и в ЦЕРНе. Почему так? Что дает ученому работа в разных экспериментах и с разными установками?

— Все установки класса «мегасайенс» уникальны, единственны в своем роде. Нет похожих установок, наоборот — все мегаустановки дополняют друг друга: то, что нельзя сделать на одной установке, можно сделать на другой. Например, в мире осталось очень мало ускорителей протонов средних энергий в диапазоне нескольких единиц — десятков ГэВ. В то же время ускоритель сверхвысоких энергий в экстра-ТэВ диапазоне — единственный. То же можно сказать и о коллайдерах тяжелых ионов — сейчас их два на Земле, и строится еще два, но все они нацелены на различные энергии столкновения. Соответственно, и физические программы разных установок не пересекаются. Но полную картину мира можно увидеть только в том случае, если мы исследуем столкновения частиц практически во всем доступном диапазоне энергий — от единиц ГэВ до десятков и сотен ТэВ. Это одна из причин, почему физики стремятся работать не на одной установке, а на нескольких.

С другой стороны, как я уже говорил, ни одна страна не может себе позволить строительство и эксплуатацию подобной мегаустановки, требуется кооперация многих стран. Поэтому, по определению, мегаустановки интернациональны.

— Вы возглавляете лабораторию фундаментальных взаимодействий МФТИ. Над какими задачами работают сотрудники лаборатории?

— Наша лаборатория участвует в нескольких международных проектах в ЦЕРН: это эксперименты ALICE и ATLAS на Большом Адронном Коллайдере и эксперимент COMPASS на Суперпротонном Синхротроне, а также в коллаборации PDG, занимающейся систематизацией знаний в физике частиц. Наши сотрудники занимаются анализом данных, набираемых в соответствующих экспериментах, а результатом анализа данных являются новые измерения, новые свойства частиц.

— Студентов каких курсов вы привлекаете к научной работе в лаборатории?

— Мы стремимся привлечь к своей работе студентов начиная с младших курсов. Работа в физике высоких энергий и фундаментальных взаимодействий, как вы уже видели, — это не то научное исследование, которое можно начать, провести и закончить за год. Работа с нами требует многолетнего сотрудничества, поэтому если студенты начнут «входить в задачу» с первого курса, они постепенно и освоят теорию, и поймут принципы работы современных экспериментов, смогут проводить моделирование экспериментов, обрабатывать реальные физические данные, оценивать точность измерений, т. е. систематические погрешности. Постепенно студенты набирают материалы для докладов на конференциях, для научных статей, дипломных работ, а в дальнейшем — для диссертаций. Мы принимаем и студентов магистратуры, и аспирантов.

Что еще важно — поскольку вся наша работа проходит в международных сотрудничествах, то студентам и аспирантам рано или поздно приходится выходить с докладами на совещаниях рабочих групп коллабораций. Таким образом, студенты получают сразу опыт международного научного общения.

— Каковы профессиональные перспективы ваших студентов после магистратуры и аспирантуры?

— Если студенты и аспиранты работают с интересом, то и их работа будет результативна. Получив навыки самостоятельной научной работы, проявив себя в международных коллаборациях, студенты смогут дальше работать в тех ведущих научных организациях, занимающих лидирующие позиции в физике элементарных частиц и в фундаментальной ядерной физике, с которыми у нас тесные связи, — это Институт физики высоких энергий, Курчатовский институт, Объединенный институт ядерных исследований, другие аналогичные научные организации. Конечно, при желании можно продолжать работу в МФТИ, если МФТИ поддержит долгосрочное участие в международных проектах в области исследований фундаментальных свойств материи. В любом случае, студенты и аспиранты, сотрудничающие с нашей лабораторией, будут обеспечены интересной работой на всю жизнь.

— Кроме работы, научные сотрудники могут иметь интересы и увлечения? Какую художественную литературу вы читаете и могли бы порекомедовать студентам?

— Я не буду называть конкретные произведения, которые я бы порекомендовал будущим научным сотрудникам, — у каждого свои вкусы, и не стоит менять свои предпочтения лишь потому, что кто-то другой посоветовал. Но хочу лишь заметить, что интеллект человека проявляется не только в глубоком знании в какой-то узкой области, не только в способности решать нерешаемые задачи или создавать что-то новое. Общая культура, умение выражать свои мысли, грамотно писать, знание истории — все это отличительные признаки, по которым можно заметить прогрессивного и умного человека. Поэтому хочу призвать всех студентов, интересующихся естественными науками, не забывать о том, что кроме наук есть еще не менее важная составляющая культуры — это искусство. Я понимаю, что студентам, особенно на первых курсах, приходится учиться по 25 часов в сутки. Но при правильной организации своего времени всегда можно выделить хотя бы час-другой, чтобы заняться чтением, искусством.