Спин — это собственный момент импульса элементарной частицы, который не связан с ее вращением. Он является внутренней, неотъемлемой квантовой характеристикой частицы наряду с массой и зарядом и не имеет классического аналога. Именно спины электронов и ядер определяют структуру электронных оболочек атомов, а в итоге — магнитные свойства вещества. Благодаря спину мы имеем магнитно-резонансную томографию, квантовые компьютеры и радиоастрономию на длине волны 21 сантиметр.
— Алексей Вячеславович, многие люди знают, что такое Большой адронный коллайдер (БАК), но далеко не многие даже в нашей стране знают про коллайдер NICA. Иногда журналисты называют его младшим братом БАКа. Так ли это? Если нет, то в чем разница между этими двумя установками?
— Давайте начнем совсем издалека, чтобы понимать, что вообще представляет собой коллайдер. Физика частиц изучает взаимодействие частиц. Заставить их взаимодействовать — это первое, с чего начинается любой эксперимент. Физика частиц на этапе становления изучала взаимодействие космических лучей в атмосфере. Это была такая природная лаборатория. Первые частицы — каоны, мюоны, пи-мезоны — были открыты именно там.
С конца сороковых — начала пятидесятых годов XX века появляется новый инструмент — ускоритель, где пучок частиц ускоряется до достаточно высоких энергий и ударяется в мишень, и изучается, что при этом происходит. Это никуда не делось, этот метод живет и сегодня, у него даже есть свои преимущества.
Потом появился второй метод. Кстати, ИЯФ СО РАН (Новосибирск) был одним из первых, кто создал коллайдер, то есть ускоритель, где два пучка крутятся навстречу друг другу и в некоторой точке сталкиваются. То есть взаимодействует не пучок с мишенью, а пучок с пучком.
При столкновениях «пучок — мишень» центр масс системы движется, и в силу законов сохранения энергия движения центра масс не может быть превращена в энергию рождения новых частиц.
В коллайдерах же, при симметричном столкновении двух встречных пучков одинаковых частиц, центр масс неподвижен, и энергия, доступная для рождения новых частиц, значительно больше. Коллайдеры ценят за то, что они позволяют достигать гораздо более высокой энергии столкновений при тех же энергиях пучков.
Например, для БАК при энергии пучка семь гигаэлектроновольт, если этот пучок просто выводить на неподвижную мишень, то энергия, доступная для рождения новых частиц, составит 115 гигаэлектроновольт.
Если два пучка столкнуть, будет получена энергия в 14 тераэлектроновольт — это почти в 130 раз выше. Коллайдеры ценят именно за это. Этих установок в мире довольно много. И в России NICA тоже далеко не первый коллайдер, как я ранее сказал, начиналось это все в Новосибирске.
При этом нельзя сказать, что Большой адронный коллайдер хороший, а установки с низкой энергией плохие. Каждый коллайдер делается под свои задачи. К примеру, электрон-позитронные коллайдеры заполняют свою нишу. На них тоже делаются открытия, но они очень удобны именно для проведения точных измерений уже известных явлений.
Адронные машины — это, скорее, машины открытий. На них можно впервые пронаблюдать что-то новое, а изучать его уже либо на следующем поколении машин, либо на электронно-позитронных установках.
Если говорить про Большой адронный коллайдер, это классическая машина, которая была нацелена на то, чтобы шагнуть вперед по энергии. Наша современная физика частиц развивается так, что мы ищем новое, в основном, двигаясь в двух направлениях: либо уходим во все бóльшие энергии и пытаемся рождать частицы, которые при более низких энергиях просто невозможно наблюдать, либо ищем все более редкие процессы. Для этого человечество строит гиперчувствительные установки. Они позволяют изучать какие-нибудь редкие распады. Например, распад протона, который на несколько порядков превышает время жизни Вселенной.
Большой адронный коллайдер в этом подходе занимает особое место. Существует так называемая Стандартная модель физики частиц, успешно описывающая три взаимодействия, с которыми мы на микроуровне сталкиваемся, — электромагнитное, сильное и слабое. Она построена, она работает. Она всем не нравится, потому что некрасива и имеет много свободных параметров. Основная цель БАК заключалась в том, чтобы выйти на физику за пределами этой Стандартной модели. Бозон Хиггса искали как подтверждение, заключительный штришок Стандартной модели, и с этим ученые успешно справились. А вот физики за ее пределами пока никто не видит. Теперь вернемся к коллайдеру NICA. Эта машина совсем для других целей. Одна из его главных задач — разгадать загадку кризиса спина протона.
— В чем она заключается?
— Протон состоит из трех кварков и связывающих их глюонов. Спин кварков частиц известен. Ранее предполагалось, что спин протона равен сумме спинов трех кварков. Но когда появились технологии более-менее точно измерить спин протона, выяснилось, что вклад кварков в эту величину составляет всего 30 процентов. А что входит в остальные 70 процентов? Спин глюонов и вращение кварк-глюонной материи внутри протона. Но как и почему вращается протон, мы не вполне понимаем. Мы и другие свойства протона понимаем очень условно: почему у него именно такой размер, масса, магнитный момент, и не можем вывести их из первых принципов теории сильного взаимодействия.
NICA — это машина, которая полностью нацелена на изучение свойств сильного взаимодействия. Помимо изучения структуры спина протона, ее задачей является изучение поведения ядерной материи в условиях экстремальной температуры и плотности при столкновениях тяжелых ядер. У этого коллайдера не очень высокая энергия, но именно такая энергия и требуется.
— Алексей Вячеславович, почему очень высокая энергия, как у БАК, в данном случае не плюс, а минус? И что, в отличие от Большого адронного коллайдера, может NICA?
— Кварки и глюоны в обычном состоянии заключены в так называемых адронах, сильно взаимодействующих частицах — это те же протоны и нейтроны. Но при достаточно высоких энергиях и температурах, которые достигаются при столкновении тяжелых ядер, все эти протоны и нейтроны не просто перемешиваются, они фактически плавятся в единую массу, которую мы называем кварк-глюонной плазмой.
Какие-то свойства этого состояния вещества на коллайдере с высокой энергией можно исследовать, но практически невозможно изучать фазовый переход обычной адронной материи в кварк-глюонную плазму. В данном случае высокие энергии — не преимущество, а помеха. Спиновые эффекты в сильном взаимодействии тоже становятся менее заметными при росте энергии.