http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=c0d37bc5-b648-494d-8e28-f126eb4eac54&print=1© 2024 Российская академия наук
Что ждет ускорительную физику после Большого адронного коллайдера? Каков современный вклад Великобритании в развитие физики высоких энергий? Зачем Великобритания старается увеличить свою исследовательскую активность в этой сфере? Какие организационные формы науки способствуют этому? Обо всем этом в беседе с ответственным редактором «НГ-науки» Андреем Вагановым беседует профессор Оксфордского университета Андрей Серый.
Андрей Серый – директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса в Оксфорде, который он возглавил в августе 2010 года. Работал в Лаборатории имени Ферми в Чикаго и в Калифорнии, в Стэнфордском центре линейных ускорителей. За вклад в развитие линейных коллайдеров был избран членом Американского физического общества.
– Андрей Анатольевич, ваша научная карьера в США и Англии в общих чертах понятна. И она впечатляет. А какова ее российская часть?
– Я окончил Новосибирский государственный университет в 1986 году. Три года работал в новосибирском Институте ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ). Кандидат физико-математических наук. Потом, откликнувшись на комсомольско-научный призыв, вместе с большой группой ученых переехал в филиал новосибирского ИЯФ в Протвино под Москвой. В то время там строился ускорительно-накопительный комплекс (УНК). И была идея построить там еще и линейный электрон-позитронный коллайдер. И вот наша группа из Новосибирска, человек 30–50, переехала в Протвино, чтобы разрабатывать этот проект, а потом строить.
– То есть с самого начала своей научной работы вы выбрали как специализацию линейные коллайдеры?
– Не с самого начала. Моя дипломная работа в университете была посвящена электронному охлаждению. Это такой метод, необходимый в случае, когда частицы, скажем антипротоны, рождающиеся в ускорителях «горячими» (а это означает большие разбросы скоростей), надо охладить, чтобы они все летели параллельно. Для этого антипротоны пропускаются через электронный поток: антипротоны передают энергию электронам, охлаждаются и становятся маленьким компактным пучком. А потом я уже переключился на линейные коллайдеры.
– К сожалению, в Протвино проект так и заглох, хотя даже туннель под УНК был построен…
– Даже магниты были готовы для установки в УНК. Я там продолжал работать, но скорее над проектной частью линейного коллайдера. В частности, я занимался системой фокусировки пучков: как их фокусировать, как добиться точности столкновения их в месте встречи.
– Для непрофессиональной, но интересующейся публики – не могли бы вы пояснить: где перекрываются (или, наоборот, не перекрываются) области применения линейных ускорителей и традиционных кольцевых?
– То есть зачем нужны те и другие? Есть разные типы ускорителей. В одних сталкивают протоны. (А протон, надо заметить, состоит из трех кварков и глюонов, которые эти кварки «склеивают».) Это протон-протонные или протон-антипротонные ускорители. Так устроен, например, Большой адронный коллайдер (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Когда такие сложноустроенные объекты, как протоны, сталкиваются, не очень понятно, что с чем столкнулось, образуется некая «каша» частиц. Как мы, физики, говорим: там есть хорошие частицы (новые), они нам нужны (бозон Хиггса, например). Но эта «каша» мешает рассмотреть новые частицы. Ее надо отсеять.
Такие коллайдеры, как LHC, хороши, чтобы открывать новые частицы. Но точно измерить свойства этой частицы на такого типа коллайдерах очень сложно. Чтобы исследовать, допустим, тот же бозон Хиггса, нам хорошо бы сталкивать не такие сложные частицы, как протоны, а точечные, в которых нет внутренней структуры, – электроны и позитроны.
– Вы так уверенно говорите, что у электрона нет внутренней структуры?
– По крайней мере до настоящего момента никто не смог показать, что у электронов и позитронов есть внутренняя структура. Поэтому у них, если можно так сказать, очень чистое столкновение, очень маленький паразитный фон. То есть нет как раз той самой «каши». Поэтому для очень точного изучения свойств новых частиц лучше подходят электрон-позитронные коллайдеры.
Здесь необходимо сделать небольшое теоретическое отступление.
Когда любая частица, обладающая полем, движется по криволинейной траектории – по окружности, например, – со скоростью, близкой к скорости света, то точка на «периферии» поля частицы должна бы двигаться со скоростью больше, чем скорость света. То есть какая-то часть поля якобы движется быстрее скорости света. Но такого не может быть! Энергия, информация не могут двигаться со скоростью большей, чем скорость света! Поэтому «сверхсветовая» часть этого поля отрывается и возникает излучение. Оно называется синхротронным излучением, которое может быть и полезным, и вредным.
В первом случае оно используется в источниках синхротронного излучения – это очень узконаправленное, очень «яркое» излучение… С его помощью можно, например, изучать трехмерную структуру белков или каких-то неорганических материалов, кристаллов.
– Это – полезно. А что вредно?
– Поскольку часть поля уходит на излучение, теряется энергия частицы, движущейся по кривой траектории.
Так вот, если сделать электрон-позитронный коллайдер кольцевым, рассчитанным на энергию того же Хиггса, даже если он будет размером, как LHC – 27 километров в окружности, за один оборот пучка он будет терять всю свою энергию. То есть все время надо доускорять частицы. Почти невозможно сделать электрон-позитронный коллайдер кольцевым на эту энергию. Именно здесь не обойтись без линейных коллайдеров.
– Андрей Анатольевич, вы – директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса в Оксфорде. А, собственно говоря, кто такой Джон Адамс? Меценат или физик?
– Он известный британский физик и организатор науки. Был директором ЦЕРНа, причем дважды. Джон Адамс очень много сделал для развития ускорителей.
Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что в 1950-е годы был предложен новый метод фокусировки частиц, движущихся по орбите ускорителя – так называемая жесткая фокусировка. Применение этого метода делает ускорители более компактными. Но неизвестно, будет такой ускоритель работать или нет. А в это время в ЦЕРНе уже началось строительство ускорителя, рассчитанного на мягкую фокусировку. Адамс был одним из тех, кто поверил в новый метод фокусировки. Он добился того, что проект строящегося ускорителя был переработан под этот метод. И этот ускоритель все еще работает! Это один из ускорителей в линейке ЦЕРНа.
Институт имени Джона Адамса (JAI) был создан в октябре 2004 года. Изначально JAI представлял собой совместное венчурное предприятие физического факультета Оксфордского университета и университета Ройал Холловей. Лондонский университет Империал Колледж присоединился к ним в 2011 году. В то же самое время был создан Институт Кокрофта – похожее совместное венчурное предприятие между университетами Ланкастера, Ливерпуля и Манчестера, расположенный в Лаборатории Дарсбери в графстве Чешир. Оба института вместе с Научно-технологическим центром ускорителей образуют ядро научных исследований и обучения в области ускорителей в Великобритании.
JAI был организован с целью возродить исследовательскую активность в Великобритании в области ускорительной физики. В течение нескольких десятилетий до того много талантов, творческая активность перетягивались в ЦЕРН. Поэтому и появилась идея – создать в Великобритании два института, которые занимались бы исследованиями и подготовкой кадров аспирантского уровня.
– Не могли бы вы немного подробнее рассказать об экспериментальной базе вашего института?
– Тут надо сказать вот о чем. Взнос Великобритании в тот же ЦЕРН составляет около 15% бюджета этой европейской научной организации. А годовой бюджет ЦЕРНа примерно 1,3 миллиарда евро. Великобритания совершенно справедливо считает, что ЦЕРН – это ее лаборатория. И у нашего института много совместных работ с ЦЕРНом, многие наши сотрудники и студенты работают там.
В этом смысле собственная экспериментальная база в Оксфорде или в Империал Колледже достаточно маленькая. Лаборатория, лазеры, измерительные стенды… Но все сколько-нибудь существенные ускорительные эксперименты проводятся в других лабораториях, в частности в ЦЕРНе и в ближайшей к нам лаборатории (20 минут езды от Оксфорда) – Резерфордовской лаборатории. Там есть синхротронный источник DIAMOND, нейтронный источник. Плюс мы проводим эксперименты и в Японии, и в Америке (Калифорния, Брукхейвен, Чикаго).
– Можно ли говорить, что ускорительная физика в Великобритании ориентирована в основном на поиск практических приложений? Государство, инициируя активность в этом направлении, ставит какие-то рамочные условия?
– Я бы так не сказал. Какие-то исходные установки, конечно, есть. Но они написаны широкими мазками. Нам надо заниматься и приложениями в фундаментальной науке, и применением ускорительных технологий в «народном хозяйстве». Но нам не расписывают буквально – что конкретно следует делать. Понятно, что на уровне правительства есть разные механизмы – финансовые прежде всего, – которые стимулируют и облегчают путь от идеи к применению.
Этот путь очень трудный – он даже в теории менеджмента называется «Долина смерти»: передача знаний от чистой науки к технологической практике. У всех участников этого процесса разные мотивации. Ученый, например, просто хочет решать интересные задачи. В промышленности инженер ожидает получить готовый проект, чертеж. Повторю, в Великобритании такие механизмы передачи знаний в промышленность есть.
Не скажу, что они, эти механизмы, идеальные. Например, в данный момент мы носимся с одной идеей – как сделать очень компактный источник синхротронного излучения. И пока мы еще не нашли ответ на вопрос, как найти конкретный механизм для реализации нашей идеи. В данном конкретном случае нам нужны достаточно большие начальные финансовые ресурсы, чтобы сделать хотя бы прототип.
– Но главное, что идеи все-таки есть…
– Да, идеи есть! Например, вот такая. Вместо стандартного ускорения, когда используются металлические резонаторы, в которых генерируется поле, и частицы в нем ускоряются, использовать резонаторы, которые создаются в плазме.
Очень короткий импульс лазера, проходя через газ, ионизирует его, расталкивает электроны. А тяжелые ионы остаются неподвижными. И электроны чуть позже опять к ним притягиваются и схлопываются. Получается своеобразный плазменный пузырь размером 100 микронов. Электроны в этом плазменном пузыре создают очень сильное электрическое поле, которое может ускорять другие частицы… Мы как бы раскачиваем плазму.
– Трудно даже представить, какая при этом нужна точность синхронизации этих плазменных пузырей!..
– Да, совершенно верно. Но градиент ускоряющего поля в подобной плазменной волне можно создать в тысячу раз больший, чем в стандартном ускорителе. То есть лазерно-плазменное ускорение элементарных частиц – один из элементов новых, компактных источников синхротронного излучения.
Во всем мире сейчас над этим очень активно работают. Мы уже научились захватывать электроны, ускорять их до энергии 1–3 гига электрон-вольт. (Чтобы такую энергию получить, нужна сотня метров стандартного ускорителя.) Мы уже продемонстрировали, что эти ускоренные электроны могут генерировать излучение. И это излучение уже было использовано в экспериментах с биологическими тканями. Кроме того, мы придумали, что плазму можно раскачивать не одним импульсом, а как качели – таким «паровозом» из многих импульсов от волоконного лазера. Оказывается, что эффективность и яркость такого источника увеличиваются на порядки.
И вот это – одна из последних идей, которая пришла в голову сотрудникам нашего института, JAI, примерно пару лет тому назад.
– Вопрос, который вызван, конечно, происходящей в России реформой Академии наук. Вы, как директор института, чем больше заняты: разработкой идеологии научных исследований или административной работой?
– Какая-то пропорция между двумя этими видами деятельности есть несомненно. Я никогда не пытался ее точно вычислить. И она флуктуирует год от года. Иногда больше науки, иногда – администрирования. Я занимаюсь и разработкой стратегии института и через моих коллег ее воплощением и сам участвую в исследованиях. У меня есть мои аспиранты, коллеги, с которыми я непосредственно работаю. Я занимаюсь и развитием коллабораций института, общением с другими партнерами, поиском новых перспективных направлений.
Никакого ощущения, что административная часть меня задавила, нет. Поскольку мы – часть структуры университета, все администрирование предоставляется университетами. Институт наш, надо сказать, не такой большой – около ста человек научных сотрудников. Но эти сто человек – это большая группа с точки зрения науки. Скажем, у нас выпуск специалистов по ускорительной физике со степенью PhD иногда доходит до 10 защит в год! Это больше, чем в любой национальной лаборатории США. То есть с точки зрения влияния на развитие ускорительной науки в мире у JAI влияние очень большое.
– Мне попадались публикации, в которых отмечалось, что в Великобритании в последние несколько лет возник бум на физическое образование в университетах. Количество абитуриентов на эти специальности возросло чуть ли не на 30%. Это действительно чувствуется?
– Так оно и есть! В Великобритании много внимания уделяется популяризации науки. Этим мы тоже занимаемся в меру наших возможностей. Например, каждый год наш институт проводит школы для учителей старших классов. Мы им читаем популярные лекции: что нового в ускорительной физике, в физике высоких энергий. Обычно приезжают человек 20 учителей из окрестных школ. Учителя – самые благодатные трансляторы научного знания. Популяризация – это большое дело!
– Последний вопрос – как раз в стиле такой популяризации. Каковы задачи ускорительной физики после открытия бозона Хиггса?
– На самом деле есть еще некоторая неопределенность с бозоном Хиггса. Большой адронный коллайдер, LHC, все еще продолжает работать, и будем более детально все это смотреть. Может быть, какие-то нюансы возникнут…
– Нужно будет строить еще большее ускорительное кольцо?
– Пока не ясно.
– Но, предположим, будет построен коллайдер с кольцом в 100 километров. Как двигаться дальше в исследованиях?
– С такой точки зрения в физике высоких энергий, конечно, есть огромное число задач, для которых нужен был бы ускоритель больший, чем LHC. Например, для того, чтобы понять, что такое черная энергия, черная материя, верны ли идеи суперсимметрии. Но чтобы решиться его строить, нам надо чуть лучше понять, что нам дает LHC. И достаточно ли у нас аргументов, чтобы твердо сказать: да, надо строить. Тем более надо учитывать, что строительство займет никак не меньше 10 лет. Не устареют ли за это время идеи, для проверки которых он и строится, – это вопрос. И это уже вопрос не просто физики, но и геополитики.
Редакция «НГ-науки» выражает благодарность отделу науки и инноваций посольства Великобритании в Москве за помощь в организации интервью.
Автор: Андрей Ваганов