Зачем ученые ищут Новую физику

Коллаборация LHCb (CERN) обнаружила новую редкую частицу — чармоний. Сотрудник LHCb и ИТЭФ Иван Беляев рассказал, что зашифровано в ее названии и какая судьба ее ждет, почему ученые продолжают искать Новую физику и на какие амбициозные проекты в области высоких энергий стоит обратить внимание.

В конце февраля этого года мир узнал, что коллаборация LHCb (CERN), в которую входит более десяти российских научных организаций, в том числе Институт теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), обнаружила редкий чармоний — частицу ψ3(1D).

Новое состояние c-кварка и анти-c-кварка закрыло один из пробелов в кварковой модели. Результаты эксперимента были обнародованы на Международном совещании по электрон-позитронным столкновениям в области энергии от Phi до Psi, проходившем в ИЯФ СО РАН (Новосибирск).
 

— Когда специалист видит название ψ3(1D), что он сразу же понимает об объекте?

— Название частицы — это ее паспорт. Взглянув на «паспортные данные», специалист сразу же понимает, что она собой представляет: из чего состоит, какими свойствами обладает.

«ψ3» говорит о том, что эта частица состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка, спин ее равен трем и суммарный спин кварка и антикварка равен единице, «1D» говорит о том, что это самая легкая среди всех частиц, у которых есть орбитальный момент, равный двум.

Оговорюсь, что для нашей ψ3(1D) все это пока только гипотеза — она мало измерена. Мы знаем, что в ней есть очарованный кварк и очарованный антикварк, что они вращаются не слишком медленно, а  масса частицы — 3843 мегаэлектронвольта.

В данный момент ψ3(1D), обнаруженная в эксперименте LHCb, находится в пограничном состоянии. С одной стороны, да, кварковая модель предсказывает похожую частицу — с такой же массой и скоростью вращения кварков.

Но, кроме массы и времени жизни, мы ничего точно не знаем о новом состоянии с-кварка и анти-с-кварка. Для правильной интерпретации необходимо измерить спин частицы и ее другие квантовые числа — в частности, четность.

С другой стороны, если удастся измерить квантовые числа и они не совпадут с предсказаниями кварковой модели, наша частица может оказаться и экзотической, то есть не вписывающейся в кварковую модель. Если так, то мы совсем ничего о ней не знаем.

Пока нам кажется, что мы понимаем ее. Но физики не любят говорить «нам кажется», другое дело — «мы измерили». Чтобы окончательно понять, что собой представляет ψ3(1D), нужно изучать ее дальше.

Сколько времени уйдет на полное понимание ψ3(1D), сказать трудно. Думаю, в обновленной Partical Data Book (реестре, куда заносятся все обнаруженные частицы), которая выйдет в 2020 году, она будет записана как “X(3842) (техническое название) — частица, похожая на ψ3(1D)”. А в 2022-м, готов заключать пари, про нее уже многое будет известно.

— Чем уникален проект LHCb и какой вклад внесла в него группа Института теоретической и экспериментальной физики?

— Эксперимент LHCb сильно отличается от других скоростью обработки данных. Обычно данные по полной статистике в экспериментах, подобных ATLAS или CMS на Большом адронном коллайдере, получают через два года.

Такой длительный период характерен для большинства проектов, связанных с набором большого массива статистики.

От ИТЭФ в эксперименте LHCb участвует группа из семи человек — всего лишь 0,8% авторского состава, но при этом мы опубликовали 9% всех физических работ. Одна из задач, решением которой мы особенно гордимся, — создание программ обработки данных, которые повысили эффективность работы физиков.

Наш инновационный подход позволяет проводить анализ данных в режиме онлайн, отбирать только нужные события и получать первую статистику уже через два месяца.

Показателен пример с частицей ψ3(1D): набор данных по нашему эксперименту завершился в ЦЕРН в конце октября 2018 года, а уже в конце февраля 2019-го в ИЯФ СО РАН мы представили материалы по полной обработке данных. Это небывалая вещь.

— Сегодня много говорят о потере личности в научных открытиях, в том числе в области физики частиц — установки становятся такими огромными и сложными, что одному человеку с ними просто не справиться, вот и список соавторов научных статей растет. Справедливо ли это?

— Что касается инженерной части — вполне справедливо. Раньше эксперимент проводился «на столе», такого количества технических задач просто не было. Сегодня установка может строиться 20–30 лет, за которые специалистам инженерно-технического профиля нужно будет решить массу нетривиальных задач.

Было бы неправильно не учитывать эту колоссальную по сложности работу. В любом крупном эксперименте очень ценится вклад инженеров, и, разумеется, они становятся соавторами научных статей.

— Существует ли сегодня в экспериментах по физике частиц тренд на переход с высоких энергий на более низкие?

— Тренд есть, но он вынужденный. Придумать отклонения от Стандартной модели при высоких энергиях очень просто — у теоретиков жуткое количество интересных и привлекательных идей.

Но для этого требуются гигантские машины, создание которых технически не всегда осуществим и требует больших финансовых вложений сразу нескольких стран. Получается, то, что теоретикам проще посчитать, экспериментаторам сложнее измерить.

Ускорители на низких энергиях доступнее. Но здесь принцип дополнительности действует в обратном направлении: то, что проще сделать экспериментально, сложнее описать теоретически.

Существующий сегодня тренд обусловлен человеческими возможностями.

Но на самом деле, если говорить в общем, любой научный проект окупается. Возьмите, к примеру, синхротронное излучение (СИ), которое изначально мешало физикам в экспериментах на коллайдерах.

Сегодня СИ используется в современных биотехнологиях, создании высокотехнологичных материалов с уникальными свойствами, медицине. Протонные и ионные ускорители используются для лечения различных форм опухолей, преимущественно головного мозга — это уже не фантастика, а истории из жизни людей, которым они помогли.

— Ученые подтверждают Стандартную модель с таким же рвением, как и ищут явления Новой физики, чтобы эту же Стандартную модель опровергнуть — все это чтобы разобраться в том, как устроена Вселенная. Как вам кажется, какие проекты при успешной реализации помогут человечеству понять мироздание?

— Один из проектов, полный научной дерзости, перед организаторами которого можно снять шляпу только за одну идею, — проект электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика ИЯФ СО РАН.

Мы знаем, что Вселенная не симметрична, иначе бы не возник тот мир, в котором мы живем. В какой-то момент ее зарождения вещества стало больше, чем антивещества. До конца 1990-х ученые были уверены, что эту асимметрию можно измерить при распаде B-мезонов (эксперименты BaBar, Belle).

Измерения показали, что возможно объяснить только одну миллиардную от наблюдаемой Вселенной — разумеется, это лучше, чем ноль, но все же мало.

Еще в конце 1960-х итальянский и советский физик Бруно Понтекорво выдвинул идею, что нарушения СР-асимметрии могут быть обнаружены в лептонном секторе (в тау-лептонах, в частности), но на тот момент предположение признали хоть и красивым, но все же маловероятным.

Сегодня — с тем объемом накопленных знаний по физике нейтрино, тяжелых лептонов — я верю, что амбициозная задача, которую поставили в ИЯФ СО РАН, — объяснить одну треть от наблюдаемой Вселенной — может быть решена.