Среди всех наук, развивающихся в стенах и в лабораториях НИЯУ МИФИ первое место, несомненно, принадлежит ядерной физике. Одним из исследователей, который двигает эту науку вперед является профессор кафедры физики НИЯУ МИФИ Виталий Окороков, многие годы работающий на всемирно-известных ускорителях и посвятивший свою научную деятельность осмыслению результатов ускорительных экспериментов. В июле этого года Виталий Алексеевич вошел в рейтинг лучших ученых мира по версии портала Research.com. Мы беседуем с профессором Виталием Окороковым об основных направлениях его работы.

Интервью взято для рубрики «Голос науки».

В фокусе – сильное взаимодействие

– Итак, Виталий Алексеевич, какова главная тематика вашей научной работы?

– Я занимаюсь экспериментальным исследованием процессов сильного взаимодействия, то есть взаимодействий субъядерных частиц и атомных ядер, начиная от легких и заканчивая тяжелыми. Такие эксперименты проводятся на ускорителях при разных энергиях.

– Уточните сразу – о каких ускорителях речь?

– В настоящее время, в основном, это Коллайдер релятивистских тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и Большой адронный коллайдер Европейской организации ядерных исследований (Франция – Швейцария). На протяжении многих лет я участвую в некоторых экспериментах и проектах в этих научных центрах. Я занимаюсь физическим анализом экспериментальных данных с ускорителей, изучая, в основном, так называемые коллективные эффекты, то есть эффекты, в которых задействовано две и более частицы.

Сейчас, конечно, научное сообщество с большим вниманием и интересом следит за работами на ускорителе НИКА в Объединенном институте ядерных исследований (Россия). Ожидается, что результаты, которые будут получены на ускорительном комплексе НИКА, позволят достичь существенного прогресса не только в физике сильного взаимодействия, но и во многих других областях науки.

– Напомните: сильное взаимодействие – это…

– Первая ассоциация, возникающая при упоминании сильного взаимодействия, это «что-то про атомное ядро». И это не так далеко от истины.  Действительно, сильное взаимодействие, как учат в школе, это взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Но это, если можно так выразиться, остаточный эффект или «хвост» сильного взаимодействия. Подобно тому, как силы, связывающие атомы в молекулах, являются «хвостами» электромагнитного взаимодействия электронов и ядер внутри атома. Все частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Уже на протяжении достаточно долгого времени – более 50 дет – считается надежно установленным и экспериментально подтвержденным тот факт, что все адроны, в том числе протоны и нейтроны — это не элементарные частицы в истинном смысле. Они имеют свою сложную структуру и состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами. Поэтому в настоящее время, когда говорят о сильном взаимодействии на фундаментальном уровне, то есть об «истинном» сильном взаимодействии, то имеют в виду взаимодействия кварков и глюонов. Относительно недавно отмечалось 50 лет создания квантовой хромодинамики, – раздела квантовой теории поля, который описывает взаимодействие кварков и глюонов. Большой интерес представляет то, как эти частицы проявляют себя в эксперименте.

Свободу кваркам!

– Вас это интересует в каком аспекте?

– В настоящее время надежно установлено, что процесс сильного взаимодействия проходит различные стадии в своей пространственно-временной эволюции, то есть не происходит «здесь и сейчас», а имеет конечную протяженность как в пространстве, так и во времени. Различные коллективные эффекты позволяют изучать различные стадии таких процессов. Я изучаю, в частности, образование адронных струй – групп частиц, импульсы которых имеют близкие направления и которые регистрируются как некие кластеры в детекторе. Эти струи образуются на ранних стадиях из начальных кварков или глюонов, превращающихся позднее в результате процесса, называемого адронизацией, в регистрируемые в детекторе частицы. Изучая свойства адронных струй можно получить много важной информации о сильном взаимодействии, в том числе, о том, как происходит переход кварков и глюонов в экспериментально регистрируемые адроны. Другой изучаемый мной коллективный эффект – корреляции частиц с малыми относительными импульсами или скоростями – дает возможность исследовать процесс сильного взаимодействия на поздней, завершающей стадии. При изучении таких корреляций по определенным правилам строится так называемая корреляционная функция. Физический анализ формы этой функции в случае тождественных частиц позволяет извлечь сведения о пространственно-временной протяженности области эмиссии рассматриваемых частиц и об ее геометрии. В последние годы значительное увеличение, как объемов доступных экспериментальных данных, так и разнообразия детектируемых частиц, привело к интенсивным исследованиям корреляций между нетождественными частицами. Изучение таких корреляций позволяет делать выводы о виде потенциала сильного взаимодействия между конкретными адронами и, соответственно, о том каков характер – притяжение или отталкивание – этого взаимодействия. Изучение корреляций частиц при малых относительных импульсах или скоростях сформировало направление исследований, получившее название «корреляционная фемтоскопия».  Таким образом, изучая коллективные эффекты, можно получать важную информацию о различных стадиях процессов сильного взаимодействии. Сравнивая экспериментальные  результаты с различными моделями, можно делать заключения об адекватности той или иной модели и даже проверять некоторые базовые положения физики сильных взаимодействий.

Сейчас с большой долей уверенности можно утверждать, что квантовая хромодинамика правильно описывает основные особенности взаимодействий кварков и глюонов. Однако, несмотря на впечатляющие успехи в описании очень широкого спектра экспериментальных данных и прогресс в теоретических исследованиях, в квантовой хромодинамике есть еще ряд нерешенных проблем концептуального характера.

- И что же это за проблема?

- И наиболее известная и, вероятно, самая важная из них – это проблема конфайнмента. Дело в том, что кварки и глюоны в свободном состоянии не обнаружены, экспериментальная аппаратура регистрирует только их связанные состояния – адроны. И, как считает современная наука, это принципиальная особенность сильного взаимодействия, то есть кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии в силу законов природы, а не из-за несовершенства детекторов. Кварки и глюоны заключены или, как говорят, удерживаются на очень малых расстояниях порядка радиуса протона, что составляет примерно 1 фемтометр (1 фемтометр – это 10⁻¹⁵ метра). В этом и заключается явление конфайнмента, то есть удержание или не-вылетание кварков и глюонов за пределы разрешенной области. Объяснить причину, природу этого явления, несмотря на все усилия, пока не удается, Описание явления конфайнмента – это очень серьезная и трудная проблема всей фундаментальной физики.

– И что же делают ученые, чтобы понять это?

– С экспериментальной точки зрения, чтобы исследовать более подробно явление конфаймента, в качестве одного из методов используются столкновения ядер при высоких энергиях. В таких столкновениях может образовываться предсказанное теорией новое состояние материи, которое, в силу исторических причин, называется кварк-глюонной плазмой. Квантовая хромодинамика предсказывает, что если вы нагреете вещество до очень высоких, порядка трех триллионов градусов, температур или сожмете его до очень высоких, примерно как во внутренней области нейтронной звезды, плотностей, то образуется новое состояние материи, в котором кварки и глюоны оказываются квази-свободными на гораздо больших, чем при обычных условиях, расстояниях. Конечно, фразу «гораздо больших» надо понимать в ядерных масштабах, и она соответствует для самых высоких экспериментально достигнутых энергий примерно 7–8 фемтометрам. Если исследовать свойства кварк-глюонной плазмы, можно получите новую уникальную информацию о многих свойствах сильного взаимодействия. Такой новый тип материи действительно был открыт в столкновениях субатомных частиц на ускорителях и в настоящее время его свойства исследуются в ряде экспериментов.

Молодая вселенная в лабораторных условиях

– Я понимаю, что ученым, занимающимся фундаментальными исследованиями такой вопрос не задают, но все-таки его задам: зачем и кому нужны результаты таких экспериментов?

– На самом деле, учитывая объем затрат – интеллектуальных, материальных и так далее – и сложность проводимых экспериментов, такой вопрос возникает постоянно. И, на мой взгляд, вполне обоснованно. Мы уже постарались обсудить и понять важность таких экспериментов для развития физики сильного взаимодействия, то есть для лучшего и более глубокого понимания того, как устроено взаимодействие, которое на протяжении уже достаточно долгого времени обеспечивает нас энергией – ядерная энергетика. И, как надеемся, в будущем позволит человечеству освоить источник энергии звезд – управляемый термоядерный синтез.

С точки зрения фундаментальной науки другим «заказчиком» подобных исследований, как это не удивительно, является космология (очень) ранней Вселенной. В настоящее время наиболее популярная теория в космологии  – это теория Большого Взрыва. В соответствии с этой теорией начало наблюдаемой Вселенной положил некий взрывной процесс, который и получил название «Большой Взрыв». При этом Вселенная первоначально характеризовалась очень большими плотностями энергии и температурой. Проходя разные стадии в своей эволюции и разные фазовые переходы, она перешла в сегодняшнее состояние. И если мы хотим понять, как была устроена Вселенная через мгновение, точнее через микросекунду после Большого Взрыва, то нам приходит на помощь именно кварк-глюонная плазма, потому что в соответствии с современными космологическими моделями Вселенная как раз через одну микросекунду после Большого Взрыва и находилась в таком состоянии. Соответственно, изучая это кварк-глюонное состояние материи в лабораторных, то есть контролируемых и воспроизводимых, условиях, мы получаем возможность, кроме всего прочего, изучать экспериментально материю (очень) ранней Вселенной. Следующая область науки, для которой важны подобные исследования – это астрофизика компактных объектов, к которым относятся и нейтронные звезды.

– Кажется, этим как раз пытаются заниматься на ускорительном комплексе НИКА в Дубне.

– Да, работа комплекса НИКА представляет большую важность и интерес не только для физики микромира. В частности, продолжая тему нашего разговора, потому что значительная часть научной программы ускорительного комплекса НИКА посвящена именно изучению материи при сверхбольших плотностях. Такая материя образует внутренние области нейтронных звезд и других, как говорят, компактных астрофизических объектов, поскольку сейчас уже вводятся и обсуждаются и другие типы таких объектов – так называемые гибридные, кварковые звезды и так далее. Как оказалось, сведения об этих удивительных объектах мы также можем получать в ускорительных экспериментах. Здесь неоценимую помощь оказывает именно корреляционная фемтоскопия. Экспериментальные результаты для потенциалов взаимодействий между различными адронами, получаемые на основе изучения корреляционных функций, являются важным ингредиентом для определения уравнений состояния материи внутренних областей компактных астрофизических объектов. Эти исследования очень важны для решения загадки существования тяжелых нейтронных звезд с массами, превышающими две массы Солнца.   

Таким образом, изучая сильное взаимодействие, в частности, в ускорительных экспериментах, мы можем получать очень важную и полезную информацию не только для физики атомного ядра и элементарных частиц, но и для космологии и для релятивистской астрофизики. Подобные исследования могут иметь междисциплинарное значение, быть важными для разных областей науки. Здесь стоит подчеркнуть, что в качестве одного из наиболее информативных и перспективных инструментов изучения описанных выше явлений и объектов рассматривается именно исследование различных коллективных эффектов.

Уточняя границы и константы

– Коллективные эффекты – ваша главная тема?

– Да, но с некоторых пор большой интерес для меня представляют также протон-протонные и антипротон-протонные взаимодействия при высоких и сверхвысоких энергиях. Этот интерес объясняется важностью так называемых асимптотических соотношений, экспериментальная проверка которых возможна в указанных реакциях. Уже достаточно давно в квантовой теории поля были сформулированы асимптотические соотношения или теоремы, исторически первой и наиболее известной из которых является теорема Померанчука. Согласно этим теоремам при асимптотически высоких энергиях глобальные характеристики этих процессов сильного взаимодействия, такие как полное сечение и некоторые другие характеристики, должны удовлетворять определенным соотношениям. Но где начинается эта асимптотическая область по шкале энергий? Теория пока явных указаний не дает. Поиск границы начала этой области, определение, находятся ли экспериментально достигнутые энергии вблизи этой границы или ее (границу) уже перешли, а также выполняются ли эти асимптотические соотношения – все это представляет значительный интерес не только для физики сильного взаимодействия, но и вообще для квантовой теории поля. Мне особенно приятно подчеркнуть, что в рамках этих исследований проводятся совместные работы и плодотворные, содержательные дискуссии с коллегами из Института физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Объединенного института ядерных исследований и других российских научных центров.

– Не могли бы вы популярно рассказать о каких-нибудь научных результатах, которые лично вами были получены?

Одно из важнейших значений в квантовой хромодинамике, как и в других квантовых теориях, имеет константа взаимодействия. Роль изучения адронных струй для экспериментальной оценки этой константы, называемой, соответственно, константой сильного взаимодействия, трудно переоценить. Исследования адронных струй проводятся достаточно давно и позволили получить обширный  экспериментальный материал. Мной была создана база данных по коллективным характеристикам адронных струй, включающая все изученные типы реакций во всем экспериментально доступном на тот момент интервале энергий – от низких и промежуточных до области Большого адронного коллайдера. На основе созданной базы данных мной был предложен оригинальный метод определения перенормируемой константы сильного взаимодействия при массе Z-бозона. Дело в том, что величины констант фундаментальных взаимодействий, в том числе, и сильного, зависят от значения энергетического параметра, при котором эти величины собственно и определяются. В качестве стандартного значения этого параметра как раз и используется масса Z-бозона. Предложенный метод позволил получить значение перенормируемой константы сильного взаимодействия, согласующееся как с «мировым» средним, так и с результатами, которые получены другими методиками.

Большой цикл работ был связан с изучением коллективных эффектов на основе экспериментального материала, полученного на пузырьковых камерах МИФИ, ИТЭФ и др. Собственно, с этого и началось мое изучение физики сильного взаимодействия. Эти исследования, в отличие от современных ускорительных экспериментов, соответствуют гораздо меньшим энергиям, и здесь также были получены, на мой взгляд, интересные результаты. На основе физического анализа экспериментальных данных мной была получена количественная оценка нижней границы по энергии столкновения, при которой в образовании мягких адронных струй в эксперименте начинают проявляться кварковые степени свободы. То есть начинают проявляться признаки, позволяющие утверждать, что изучаемая струя частиц образовалась при адронизации начального кварка.

В настоящее время я продолжаю исследования в области физики сильного взаимодействия по этим направлениям.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ

Обратите внимание

В 2019 году профессор Виталий Окороков дал интервью РИА «Новости», посвященное ожиданиям ученых от пуска Будущего кольцевого коллайдера. Это интервью можно прочитать здесь.