-Спасибо, добрый вечер. Мне очень приятно видеть в зале такое количество людей, которых интересует то же, что интересует меня, а именно – как устроен наш мир. Сегодня мы поговорим о материи, антиматерии, темной материи и еще кое о чем.

Свой рассказ я буду иллюстрировать примерами исследований, в которых я сам принимал участие – или принимали участие сотрудники моего института. В результате картина будет не очень объективна, но, на мой взгляд, намного интереснее рассказывать о том, что делал сам, чем пересказывать чужие результаты.

Мы начнем с далекого 1932 года. В это время сложилась очень красивая, элегантная и замечательно простая картина строения материи. Вещество состоит из атомов, атомы – из ядер и электронов, ядра состоят из протонов и нейтронов. Электроны в атоме удерживаются электромагнитными силами, протоны и нейтроны в ядре – сильными взаимодействиями. Еще зачем-то в природе существуют слабые взаимодействия, которые иногда (достаточно редко) приводят к распаду нейтрона в протон и электрон, так называемому бета-распаду.

Надо сказать, что этот распад доставил ученым много головной боли. Дело в том, что спектр энергии электронов оказался непрерывным, а из закона сохранения импульсов в двухчастичном распаде энергии электронов должны быть всегда одинаковы. Горячие головы даже решились обсуждать возможность нарушения такого фундаментального закона, как закон сохранения энергии и импульса, в слабых взаимодействиях.

Однако известный физик Паули придумал более элегантное и, как оказалось, самое правильное решение. Он предположил, что вместе с электроном рождается еще одна частица, которую теперь называют нейтрино и которая взаимодействует с материей так слабо, что она улетает, и ее эксперимент зарегистрировать не может. Нейтрино взаимодействует с материей так слабо, что может пройти через Землю и Солнце без взаимодействий. Через каждого из нас с вами каждую секунду пролетает 500 триллионов нейтрино от Солнца, и мы этого не замечаем. Поэтому эта идея была нетривиальной, и Паули опубликовал ее не в виде научной статьи, а в виде шутливого письма участникам конгресса по радиоактивности.

Письмо начинается так: «Дорогие радиоактивные дамы и господа». Дальше он обсуждает свою гипотезу и затем говорит, что он понимает, что гипотеза очень нетривиальная, но «кто не рискует, тот не пьет шампанского». Это немного вольный перевод. Далее Паули обсуждает два подхода: либо не обращать внимания на проблему, как советовал Дебай, который писал «об этом лучше вообще не думать, как о новых налогах», либо пытаться обсуждать любое решение проблемы. Проблема была действительно серьезная, но, как выяснилось, Паули мог пить шампанское, потому что его гипотеза оказалась правильной.

Надо заметить, что на первый взгляд нейтрино не нужно в такой стройной картине мира, мы все можем построить без нейтрино. Однако Солнце, например, не светило бы, если бы не было нейтрино, так что наше с вами существование напрямую зависит от существования нейтрино.

Давайте теперь посмотрим на антиматерию и вернемся в далекий 1932 год, даже немножко раньше, потому что в 1928 году Дирак написал свое замечательное уравнение, которое описывает поведение электронов в атоме. У него была одна, но серьезная проблема: в нем были решения с отрицательной энергией. Сначала Дирак предложил ассоциировать эти решения с протоном, потому что у протона заряд противоположный электрону, и поэтому решения с отрицательной энергией для электрона будут решениями с положительной энергией для протона. Однако Оппенгеймер и Тамм показали, что этот выход не годится.

Тогда Дирак сделал революционное предположение. Он предположил, что существуют новые частицы, тождественные электрону, но имеющие противоположный заряд. Это было революционное предположение, потому что никаких следов антиматерии вокруг нас как не было, так и нет. Поэтому практически никто в это предположение не верил. И даже Паули, который не страдал недостатком воображения, в 1932 году писал, что в этой теории законы симметричны относительно материи и антиматерии, и поэтому «мы не думаем, что этот выход серьезно может быть принят во внимание». В том же 1932 году Андерсон открыл антиэлектрон, и воцарилась абсолютная вера в то, что законы физики симметричны относительно материи и антиматерии.

Надо заметить, что Паули настолько стеснялся своего высказывания, что в следующем издании он его стер – написал, что потерялась какая-то страничка. Вы представляете, чтобы в Германии что-то потерялось? Абсолютно нереально. Но он, по-видимому, очень стеснялся.

Итак, установилась вера в то, что природа симметрична относительно замены зарядов – это преобразование называется «C» – от слова «Charge». Эта вера продержалась до 1956 года, когда Ли и Янг для того, чтобы объяснить распады K-мезонов, предположили, что нарушается другая симметрия, которая казалась абсолютно естественной, а именно – симметрия относительно отражения в зеркале. Ну, кажется, какая разница? отразили мы в зеркале – такой же самый мир и должен быть. И поэтому физики даже не задавали вопрос о том, инвариантен ли мир относительно таких преобразований или нет. А Ли и Янг такой вопрос поставили – правда, под воздействием экспериментальных данных. Пространственная четность обозначается буковкой «P», а перечеркиванием я обозначаю ее нарушение. Иоффе, Окунь и Рудик в Институте теоретической и экспериментальной физики показали, что если нарушается пространственная четность, то нарушается и зарядовая четность.

И действительно в 57-ом году Ву и другие показали, что нарушается зеркальная симметрия, а в том же году было показано, что и зарядовая симметрия тоже нарушается в слабом взаимодействии. Ландау очень не нравилось, что мир такой ассиметричный, поэтому в беседах с коллегами он пришел к мысли, что можно придумать другое преобразование – одновременное отражение в зеркале и изменение зарядов. Относительно этого преобразования мир оказывается инвариантен, т.е. законы природы не меняются, если отразить все в зеркале и поменять заряды. И, соответственно, переход от материи к антиматерии – это не просто изменение зарядов, а это изменение зарядов и отражение в зеркале, CP-преобразование. Если мир инвариантен относительно CP-преобразования, то мы опять не можем пожать руку подлетающему инопланетянину, потому что нет путей сообщить нам, состоит он из материи или антиматерии. Только когда мы пожмем руку и произойдет взрыв, тогда мы узнаем, что он был из антиматерии.

К счастью, это нам не грозит, поскольку в 64-ом году Кронин и Фитч обнаружили маленькое – в доли процента – нарушение CP-инвариантности, т.е. опять возникло различие в свойствах материи и антиматерии. А еще через несколько лет, в 67-ом году, академик Сахаров показал, что без различия свойств материи и антиматерии нас бы с вами здесь не было. Дело в том, что вначале, во время Большого взрыва, было одинаковое количество материи и антиматерии. Большая их часть проаннигилировала, и в результате остались фотоны и только маленький-маленький избыток материи, из которой созданы звезды, планеты и мы с вами. Этого избытка не было бы, если бы не было различия в свойствах материи и антиматерии, так что мы своим существованием обязаны такому факту.

Теперь давайте опять вернемся к материи. Картина была очень красивая и простая, но она становилась все сложнее и сложнее. В 60-ые годы были обнаружены уже десятки «элементарных» частиц. «Элементарных» я даже поставил здесь в кавычках. Большинство из них было адронами. Адронами Лев Борисович Окунь, который работает в моем институте, назвал сильно взаимодействующие частицы. Адроны были двух типов. Один тип – это барионы, у которых спин, т.е. внутренний угловой момент, полуцелый (это фермионы). Можно себе представить, что частичка крутится как волчок, так вот это вращение, как и все другие величины в квантовой механике, принимает дискретные значения. Примерами барионов являются протон и нейтрон. А также были мезоны, у которых спин – целый. Такие частички называются бозонами, и примерами являются π-мезоны, ρ-мезоны и так далее.

Было видно, что ситуация совершенно неудовлетворительная. Такое количество элементарных частиц перенести нельзя. К счастью, Гелл-Манн и Цвейг в 1964 году предположили, и это оказалось правильным, что все адроны состоят либо из 3-х кварков – это барионы, например, нейтрон – это u, d и d-кварки, протон – u, u и d-кварки, либо из кварка и антикварка, а антикварк обозначают черточкой сверху. Анти-d и анти-u кварки имеют спин 1/2, т.е. они фермионы, и у них дробный электрический заряд. У u-кварка он равняется + 2/3 от заряда позитрона, а у d-кварка – 1/3. Легко проверить, что + 2⁄3 -1/3 – 1/3 = 0, а нейтрон у нас нейтральный. Для протона 2⁄3 + 2⁄3 -1⁄3 как раз 1, т.е. он имеет заряд +1.

Кроме того, кварки имеют еще и «цвет». Цвет – это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия. Это не совсем точно, но для целей моего доклада эта аналогия будет вполне подходящей. Цвет кварков не имеет ничего общего с тем цветом, который видим мы, за исключением одного: если смешать три обычных дополнительных цвета – получится белый цвет. Так же и у кварков: если взять 3 дополнительных цвета, то можно получить бесцветный адрон. Именно поэтому адроны состоят либо из 3 кварков, потому что из 3 кварков можно создать бесцветный адрон, либо из кварка и антикварка – это тоже бесцветное состояние.

Опять картина мира стала очень-очень простой. Вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, ядра состоят из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны состоят из кварков. Электромагнитное взаимодействие переносится фотоном, сильное взаимодействие переносится глюоном (от слова «glue» – клей по-английски), и, наконец, слабое взаимодействие, которое ответственно за бета-распад нейтрона, переносится w- и z-бозонами. На кварковом уровне распад нейтрона выглядит следующим образом: d-кварк испускает w-бозон, который переходит в электрон и электронное антинейтрино, а d-кварк при этом переходит в u-кварк и, соответственно, у нас был нейтрон d-d-u, a получился протон u-d-u. Надо заметить, что эта картинка – не просто картинка – это графическая запись формулы. Нарисовав такую картинку, мы можем сосчитать все, что здесь происходит. Есть рецепт, который из этой картинки делает вычисления, т.е. это графическая запись некоторой формулы, которая описывает вот этот процесс.

Итак, все опять очень просто. Нужно 4 кирпичика, чтобы построить всё, что мы видим. Это электрон, u-кварк, d-кварк, нейтрино, про которое мы помним, и, правда, нужна еще одна частица – бозон Хиггса. Бозон Хиггса нужен для того, чтобы дать массу всем фундаментальным частицам, потому что теория строится так, что она может работать только с безмассовыми частицами, а массу им дает бозон Хиггса, но мы подробнее об этом поговорим позже.

Все очень красиво: кварки бросились искать, а дробный электрический заряд найти очень легко – опыты Милликена делались уже больше 100 лет назад, но их не нашли. Тогда возникло понимание, что просто вытянуть из адрона кварки нельзя. Если мы ударим по кварку в адроне так, что он приобретен большую скорость и начнет вылетать из адрона, что произойдет? Начнет натягиваться струна из глюонов – из переносчиков сильного взаимодействия. Энергия этой струны будет расти с расстоянием – и на каком-то расстоянии станет энергетически более выгодно родить пару кварк-антикварк и разорвать струну.

В результате у нас из одного адрона получилось 2 адрона, а свободного кварка не получилось. Если кварк имеет очень большую скорость, то этот процесс будет продолжаться, продолжаться, продолжаться - и мы получим вместо свободного кварка струю адронов. А свободный кварк не появится никогда. Это явление называется конфайнмент (confinement) – пленение кварков внутри адронов. Здесь показано, как этот процесс рассчитывается на суперкомпьютерах, наши теоретики тоже принимали в этом участие. Сила притяжения двух кварков – 12 тонн, т.е. это колоссальнейшие силы, которые их удерживают.

А вот так кварки видны в эксперименте. На этом рисунке показана схема эксперимента Н1, в котором с этой стороны летели электроны, а с этой стороны летели протоны. Мы их не видим: они внутри вакуумной камеры. Вот здесь они столкнулись, электрон рассеялся назад на кварке и выделил энергию в калориметре. Здесь энергия обозначена красным цветом. В другую сторону полетел пучок частиц и тоже выделил энергию в калориметре. Построим энергию, выделившуюся в небольших элементиках телесного угла: по этой оси отложен угол φ, а по вот этой оси угол Θ, и будем в каждой такой ячейке откладывать энергию, которая выделилась. Мы увидим, что имеется громадный пик – это электрон. Мы знаем его направление, поскольку по координатам отложены углы, а высота пика – это его энергия.

Мы измерили электрон, но ничуть не хуже мы измерили и кварк – тот пучок, который ему соответствует. Мы точно так же видим угол, под которым он вылетел, и его энергию, т.е. кварки мы видим, но не в виде свободных частиц, а в виде пучков частиц адронов. Но для того, чтобы это все увидеть, надо сначала сделать детектор. Здесь вы видите момент, когда мы вставляем калориметр, изготовленный в нашем институте, в большую установку, которую делали много-много физиков из разных стран. Свою часть каждый делал у себя дома, потом привозили в одно место и собирали.

Итак, все очень просто. Существенно проще, чем в химии. У нас есть нейтрино, электрон, u- и d-кварки, и все, что нас окружает, мы можем построить из этих четырех кирпичиков. Природа, правда, решила зачем-то создать еще 2 набора (эти наборы называются поколениями) кварков и лептонов. Лептонами называются частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии. Вокруг нас частиц этих двух дополнительных поколений нет, но мы можем создать их на ускорителе. Кварки из следующих поколений со временем распадаются в кварки первого поколения, из которых мы с вами состоим. Связаны кварки сильнее всего внутри поколения. Связь очень тесная, как у супружеской пары. Между родителями и детьми связь немножко слабее, а уж между бабушками и дедушками совсем маленькая. Почему это так – до сих пор никто не знает. Связи между третьим и первым поколениями кварков впервые измерили мы в международном эксперименте АРГУС. На фотографии показано, как мы этот эксперимент собирали.

Я забыл сказать, что когда дополнительные кварки были открыты, то это вызвало удивление, и первый кварк назвали странным. Ну, действительно странно, зачем этот кварк существует. Когда обнаружили следующий кварк – это уже было приятно, получались такие поколения, - и тогда его назвали очарованным – «charm». Про следующий сказали, что это просто прелестно – «beauty», а для последнего наименования не осталось, и его назвали просто «Top» – верхний. 3 кварка имеют очень красивые названия, но это квантовые числа: квантовое число «прелесть», квантовое число «очарование». Я являюсь специалистом по прелести и очарованию. На этой картинке я тоже есть, но меня узнать тяжело, поскольку эту было уже довольно давно.

До сих пор мы говорили о том, что адроны состоят либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков. Почему? Потому что только так можно сделать бесцветные адроны. Однако никто нам не запрещает сделать более сложные состояния. Добавить, например, пару кварк-антикварк к трем кваркам – тоже бесцветное состояние. Либо добавить к кварку-антикварку еще одну пару кварков - кварк и антикварк, и тоже будет бесцветное состояние. Такие состояния в принципе должны быть, и их называют экзотическими адронами. Их искали очень долго, можно сказать, прямо с момента возникновения гипотезы о кварках, но никак найти не удавалось. Возникали указания на существование таких экзотических адронов, но потом они либо оказывались неверными, либо недостаточно убедительными. Я расскажу историю одного такого указания, историю про пентакварк.

Примерно 10 лет тому назад в Японии и ИТЭФ были получены указания об адроне, который состоит из трех кварков, как и положено, но плюс еще пара кварк-антикварк. Статистическая значимость этих результатов была не очень высокая, но мгновенно этот результат подтвердили 15 экспериментов. Более того, были найдены другие пентакварки – странные, очарованные, т.е., казалось бы, началась новая эра в физике элементарных частиц. Однако наша группа и также другие эксперименты не увидели пентакварк. Что делать?

В это время я как раз делал обзорный доклад по пентакварку на некоторой международной конференции, и я начал искать выход. Во-первых, я сосчитал количество экспериментов, которые видели пентакварк, и тех, которые не видели. Оказалось – 17 и 17. Сделать ничего нельзя. Тогда я сосчитал эксперименты, в которых участвовал мой институт. Оказалось, что в 5 пентакварк был виден, в 5 – нет. Тогда посчитал, видели ли мои бывшие аспиранты этот пентакварк. Тут картина стала абсолютно ясна. 13,5 не видели, а половинка видела.

Почему половинка? Один мой ученик, который сейчас часто, кстати, выступает по телевидению, принимал участие в эксперименте, который видел пентакварк и в эксперименте, который не видел, правда, это были разные пентакварки. Итак, счет 13,5 на 0,5 – абсолютно ясно, что большинство экспериментов были неправильны, и это очень яркий пример психологической ошибки.

Как происходят такие ошибки? Они происходят раз за разом, и происходят по одной и той же схеме. Если ученый изучает какую-то проблему и получает результат не такой, какой получали до него, что он делает? Он все перепроверяет, ищет ошибки и так далее. И, может, даже не публикует сразу. А если ученый получает результат, который согласуется с тем, что видели до него, он перестает проверять свой эксперимент и публикует. Поэтому вероятность того, что неверный результат будет подтвержден, оказывается выше, чем вероятность того, что он будет опровергнут. Примеров этого существует очень много. Это называется психологической ошибкой.

Но все-таки экзотические адроны были найдены в прошлом году в работах физиков из ИТЭФ и Института ядерной физики Новосибирска в рамках международного эксперимента BELLE. Эта картинка настолько сложная, что если я буду ее вам объяснять, то, боюсь, мы не уложимся в отведенное нам время. Хотя в действительности она чрезвычайно интересна, но поверьте мне на слово, что вот эти два пика и вот эти два пика говорят о том, что существуют новые состояния, которые являются состояниями из прелестного и антипрелестного кварков и пары легких кварка и антикварка, т.е. это экзотический адрон, который надежно установлен. Здесь вопросов нет. Надо заметить, что это, по-видимому, кварковая молекула, которую предсказали теоретики нашего института Окунь и Волошин много лет тому назад.

Картина мира получилась не очень сложная, но вопросов чрезвычайно много. Почему массы кварков так сильно различаются? Массa u-кварков в 100 тысяч раз меньше, чем масса t-кварков. Откуда возникает иерархия констант связи кварков? Зачем нужны три поколения кварков? Это самый главный вопрос. Мы все построены из первого поколения, 2-е и 3-е нам вообще не требуются.

Японские теоретики Кобаяши и Маскава предположили, что 3 поколения нужны для того, чтобы возникло различие в законах природы для материи и антиматерии. Надо заметить, что Кобаяши и Маскава предложили свою теорию еще до того, как 3 поколения были открыты. А как мы с вами уже знаем, это различие нужно для того, чтобы мы существовали. Как это различие возникает? Когда есть 3 поколения, константы связей кварков складываются в треугольник. Ну, они могут сложиться, а могут и не сложиться. Но если есть всего два поколения, то они никогда не сложатся. Они складываются в треугольник на комплексной плоскости. Эти величины – это комплексные величины, и именно наличие комплексности и приводит к тому, что материя и антиматерия отличаются. Углы этого треугольника прямо определяют то, насколько различаются свойства материи и антиматерии. Например, различие распада прелестного мезона и его античастицы вот в такое состояние просто пропорционально синусу двойного угла бета и со временем осциллирует.

В эксперименте BELLE, в котором участвуют физики из Новосибирского института и ИТЭФ, были измерены распады прелестных частиц и соответствующих античастиц. Они показаны здесь – видно, что они различаются. Если вычесть из одного распределения другое, то получается та самая синусоида, которая была на прошлой страничке. Это замечательное согласие с теорией Кобаяши и Маскавы. В результате они получили Нобелевскую премию, но про нас все-таки сказали на Нобелевской лекции, поблагодарили. Я имею в виду не только нас. Эксперимент BELLE и эксперимент BaBar – два эксперимента обнаружили различие между материей и антиматерией для прелестных частиц.

Должен вас огорчить – к этому моменту стало ясно, что того механизма, который мы обнаружили для различия свойств материи и антиматерии, недостаточно для того, чтобы объяснить избыток материи во Вселенной, т.е. наше с вами существование. Нужен какой-то новый дополнительный механизм различия свойств материи и антиматерии. И мы готовим эксперименты для того, чтобы такие новые механизмы искать, и какие-то эксперименты уже ведутся. Здесь показана схема эксперимента LHCb на БАКе, который в заметной мере был создан в нашем институте. Показан громадный калориметр, который мы создали, и руководителем этого эксперимента, в котором работают 700 физиков изо всех стран мира, долгое время был сотрудник нашего института.

Как я уже сказал, нам не хватает еще одного кирпичика для того, чтобы стройное здание Стандартной модели было завершено. В действительности так скромно называется, может быть, самая совершенная теория, которую человечество когда-либо создавало. Эта теория описывает всё, что мы знаем про материю и антиматерию. Единственный кирпичик в этой теории, еще пока не найденный, – это бозон Хиггса. Бозон Хиггса нужен для того, чтобы дать массы всем фундаментальным частицам.

Объяснить это достаточно сложно, поэтому я приведу аналогию. Представим себе, что мы бросили на стол несколько клочков бумаги, а потом дунули. Они мгновенно улетят, они безмассовые. А теперь нальем на стол масло и дунем еще раз. Они начнут двигаться, но только чуть-чуть, потому что они приобрели массу, и поэтому для того, чтобы их разогнать, требуется большое усилие. Так вот это масло – это поле Хиггса. А бозон Хиггса – это квант этого поля, такая капелька из масла. Она тоже не движется свободно в лужице из масла и имеет массу.

Я не знаю, насколько хороша эта аналогия, но чтобы объяснять, как приобретается масса, требуется отдельная лекция. Поэтому мы сегодня ограничимся просто аналогией. Так вот, бозон Хиггса искали очень давно, и сейчас наилучшее ограничение получено с электрон-позитронного коллайдера LEP, который работал в ЦЕРНе в Женеве. Масса Хиггса оказалась больше чем 114 ГэВ. Эта желтая область – она исключена.

С другой стороны, можно получить сведения о массе бозона Хиггса. Кстати, все свойства хиггсовского бозона, за исключением массы, Стандартная модель предсказывает. Все остальное про него известно. Так вот, сведения о ма ссе хиггсовского бозона можно получить, изучая влияние виртуального хиггсовского бозона.

Что такое виртуальный хиггсовский бозон? Например, W-бозон может испустить хиггсовский бозон – и тут же его поглотить. Частичка, которая существует очень короткое время и которой нет в начальном и конечном состоянии, называется виртуальной. Для виртуальных частиц может нарушаться закон сохранения энергии и импульса в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Есть такая неопределенность - на короткое время может нарушаться закон сохранения энергии и импульса. Так вот, обмен виртуальным хиггсовским бозоном должен приводить к изменению массы W-бозона и других величин в Стандартной теории. Отсюда можно получить информацию о том, какая должна быть масса. Здесь показана кривая – вероятность того, что Хиггс имеет какую-то массу. Чем ближе к нулю эта кривая, тем больше вероятность. Наибольшая вероятность оказалась равна 96 ГэВ, что уже исключено прямыми поисками.

Эта ветвь тоже исключена прямыми поисками. Остается эта область. В любом случае, легкий хиггсовский бозон предпочтительней, исходя из этих измерений.

Ну, и, наконец, есть еще эта полосочка – недавно получили ограничение на коллайдере в США, который называется Tevatron. Энергии там намного меньше, чем в LHC, и поэтому ограничения хуже.

Каковы же свойства у хиггсовского бозона? Поскольку константы связи хиггсовского бозона пропорциональны массам, то он и рождается с помощью cамых тяжелых частиц и распадается на самые тяжелые частицы, которые ему доступны. Здесь показан процесс, как он рождается на Большом адронном коллайдере. Два глюона испускают тяжелые t-кварки (это виртуальная частица, она не появляется в конечном состоянии). t-кварк испускает бозон Хиггса, который мы потом можем увидеть.

А вот еще один механизм. Кварк и антикварк сталкиваются, рождаются W- или Z-бозоны, которые испускают хиггсовские бозоны, и мы видим в конечном состоянии W- , Z- и хиггсовский бозон. Распады идут на самые тяжелые частички – это либо прелестные частицы для масс меньше, чем примерно 150 ГэВ, либо W- и Z-бозоны при больших массах. Надо заметить, что возможен распад и на два гамма-кванта, хотя гамма-квант безмассовый, но это происходит за счет аналогичной диаграммы, если посмотреть на нее справа налево. Хиггсовский бозон испускает виртуальные t-кварки, а потом они переходят в гамма-кванты. Этот распад важен с экспериментальной точки зрения.

А вот так должны выглядеть рождение и распад хиггсовского бозона. Рождается хиггсовский бозон, потом он распадается на 2 Z-бозона, которые, в свою очередь, распадаются на пару мюонов. Одновременно с хиггсовским бозоном рождается большое количество частиц. Я не знаю, видны они на экране или не видны, но они обычно мягкие, закручиваются магнитным полем, поэтому энергичные мюоны хорошо выделяются.

Такие распады искались на Большом адронном коллайдере, и в результате были получены ограничения на массу хиггсовского бозона. Там, где эта кривая находится ниже единицы, хиггсовский бозон исключен. Видно, что это очень большая область – от 127 до 600 ГэВ. Но есть небольшая область, где наблюдается избыток событий: в одном эксперименте – это эксперимент CMS, и в другом эксперименте – это эксперимент ATLAS. Если их объединить, то очень вероятно, что бозон Хиггса имеет массу 125 ГэВ, и сечение его рождения прямо такое, какое предсказывалось теорией, т.е. всё замечательно.

Однако пока еще статистическая значимость этого сигнала недостаточно высокая, и мы с нетерпением ждем окончания этого года. Сейчас Большой адронный коллайдер работает, и к концу года будет совершенно ясно, было ли это действительно наблюдение хиггсовского бозона, либо это – к сожалению, такое бывает – была флуктуация фона. Но мы это узнаем к концу года, потому что Большой адронный коллайдер работает очень эффективно.

Итак, мы с вами обсудили материю и антиматерию. Все свойства материи и антиматерии замечательно описываются Стандартной моделью, которая, я напомню, состоит из трех поколений кварков и лептонов, из которых только одно нужно для того, чтобы нас с вами построить, и из трех взаимодействий: сильного, электромагнитного и слабого. Гравитационное взаимодействие тоже существует, но находится за рамками Стандартной модели.

Мы должны быть счастливы, что все описывается, но ученые никогда полностью не довольны. Теоретики создают новые теории, которые расширяют Стандартную модель. Понятно, что опровергнуть ее нельзя – надо просто найти более полную фундаментальную теорию. То, что она описывает то, что мы видим – это факт. Но какие-то ее более фундаментальные варианты, конечно, возможны, и такие предложения имеются. Экспериментаторы больше всего хотят обнаружить какое-то отклонение от Стандартной модели, увидеть что-то, что выходит за рамки Стандартной модели. И хотя на такие отклонения несколько намеков существует, но формально пока всё, что мы измеряем, замечательно согласуется со Стандартной моделью.

И это странно, потому что в Стандартной модели много недостатков. В ней слишком много параметров, больше 20, которые надо брать просто из опыта. Совершенно не ясна причина иерархии этих параметров - они различаются в 100 тысяч раз и даже больше. Не до конца понятно, зачем нужны 3 поколения. Естественная масса хиггсовского бозона в Стандартной модели колоссальная, и это не то, что нам нужно для того, чтобы дать массу окружающим нас частицам. Имеется внутреннее противоречие Стандартной модели, которое можно решить только сверхточной подстройкой параметров. И, наконец, Стандартная модель описывает только малую долю того, что есть во Вселенной.

Астрофизики показали, что более 80% материи, которая имеется во Вселенной, имеет неизвестную природу. Ее называют темной материей. Первые указания на это были получены еще в 1933 году Цвики, а первые свидетельства основывались на том, что скорости звезд и газа далеко от центра галактики, где уже почти нет видимой материи, не падали. Из школьного курса мы знаем, что скорости при определенном радиусе должны быть пропорциональны корню из массы, заключенной в этом радиусе, деленной на радиус. Значит, если скорость – константа, масса должна расти пропорционально радиусу, т.е. есть материя там, где видимой материи нет.

Другое очень наглядное свидетельство, что темная материя имеется, – это так называемое гравитационное линзирование. Гравитация действует на свет как линза, поэтому если есть источник света, который проходит рядом со скоплением галактик, то лучи света отклоняются, и в результате этот источник превращается во множественные источники и форма его искажается. Ну, на этом рисунке, как я понимаю, видеть ничего нельзя, но поверьте мне – там тоже есть такие дуги от линзирования.

В результате, по гравитационному линзированию восстанавливалась масса скопления галактик – и опять оказывалось, что гравитирующей материи там нужно в 10 раз больше, чем видимой материи, т.е. нужна темная материя. Надо заметить, что физики были предусмотрительны и придумали кандидатов на темную материю – не в 33-ем году, но довольно давно. Еще в 71-ом году Гольфанд и Лихтман в ФИАНе предположили, что существует суперсимметрия между фермионами и бозонами. Что у каждого фермиона – частички с полуцелым спином – имеется бозон-двойник – частица с целым спином. И, наоборот, у каждого бозона имеется двойник-фермион. У электрона, который является фермионом, есть скалярный электрон-двойник, а у кварка – скалярный кварк. У фотона, который является бозоном и у которого спин = 1, есть фотино со спином ½.

Самая легкая из этих суперсимметричных частиц очень подходит для того, чтобы быть частичкой темной материи. Они не участвуют в сильном и электромагнитном взаимодействиях, поэтому мы не видим их – это темная материя. Они участвуют только в гравитационном и слабом, т.е. они называются вимпами (WIMP – Weakly Interacting Massive Particle). Нейтралино – самая легкая суперсимметричная частичка, является наилучшим кандидатом на темную материю.

Как ее обнаружить? Иногда она может просто толкнуть атомное ядро, и в результате атомное ядро вдруг ни с того ни с сего приобретет энергию. К сожалению, энергия, которая при этом выделяется, оказывается очень маленькой, и вероятность этого процесса тоже очень маленькая. Поэтому надо строить сложные приборы, которые отделяют фоновые процессы от тех, которые мы ищем, для того, чтобы искать темную материю.

Здесь показан один из таких приборов. Он основан на методе, который развивался в МИФИ и нашем институте. На этом рисунке - прототип детектора, а сам детектор создавался в рамках международной коллаборации, эксперимент делался в Англии. В результате мы получили наилучший предел для спин зависимого взаимодействия темной материи и предел второй по точности для спин независимого. Сейчас ведется подготовка более чувствительного эксперимента с целью все-таки найти темную материю.

Темную материю можно искать и другим способом. Частицы темной материи могут накапливаться в Солнце, потому что потихонечку они все-таки теряют энергию. Тогда они могут встретиться друг с другом и проаннигилировать. В результате возникают W-бозоны, а W-бозоны дают нейтрино, а нейтрино, как вы знаете, может выйти из Солнца без взаимодействия. Мы ждем его на Земле, оно проходит через всю Землю и затем на дне океана дает мюон. Этот мюон мы уже умеем регистрировать.

Специально для этого построена обсерватория, которая состоит из гирлянд фотоумножителей, опущенных глубоко-глубоко в океан, на глубину около 2,5 км. Когда мюон летит, он испускает черенковский свет. Фотоумножители этот цвет регистрируют, и в результате мы можем восстановить направление и энергию мюона, а, следовательно, направление нейтрино. Если такое энергичное нейтрино летит из Солнца, то, скорее всего, это будет означать, что это аннигиляция темной материи.

А можно следовать заветам наших классиков – и, как говорил Мичурин, не надо ждать милости от природы, а создать темную материю прямо в лаборатории. Лучше всего для этого подходит Большой адронный коллайдер, который работает сейчас в ЦЕРНе. В нем есть 4 эксперимента и, кстати, ИТЭФ участвовал в создании всех четырех.

Вот показаны картинки этих экспериментов, они очень большие. Это эксперимент LHCb. Это эксперимент ATLAS, это ALICE, это СМS – компактный мюонный соленоид. А вот сам ускоритель, его длина 27 км, там ездят трамваи, это громадный и сложнейший инструмент, самый, наверное, сложный инструмент, который когда-либо создавали ученые. А вот момент сборки компактного детектора. Вы представляете, насколько он компактный. Надо заметить, что, несмотря на громадные размеры, точность, с которой нужно все установить, составляет масштабы сотен микрон, а в некоторых частях – несколько микрон. Должно быть высочайшее инженерное искусство для того, чтобы такой детектор создать.

А здесь показан тот детектор, в создании которого мы участвовали для компактного мюонного спектрометра. Это калориметр нового типа – кварцевый калориметр. Дело в том, что радиационные повреждения там такие сильные, что обычные вещества не выдерживают, а кварц выдерживает. Мы разработали и сделали калориметр на кварцевых волокнах.

Основной задачей Большого адронного коллайдера является поиск Хиггсовского бозона. Но об этом мы с вами уже поговорили. Однако самый большой интерес у публики вызвало не это, а возможность конца света. Сотни миллионов людей с придыханием следили за моментом включения Большого адронного коллайдера, надеясь, что конец света все-таки настанет. Но должен вас огорчить: даже если черная дыра на Большом адронном коллайдере и будет, то ничего страшного не произойдет – она быстро испарится. Здесь показано, как будет выглядеть событие испарения черной дыры. Будет выделена очень большая энергия, но ничего страшного не произойдет.

Кроме бозона Хиггса, на Большом адронном коллайдере существует громадная и интереснейшая программа исследований. Например, совершенно не исключено, что число измерений в нашем мире вовсе не 3, а больше. Представить себе количество измерений больше, чем 3, – тяжело, поэтому я предлагаю сделать наоборот. Давайте представим, что существует только 2 измерения, а не 3. Представим, что гравитация прижала нас к Земле, мы расплющились и превратились в двумерные существа. Мы можем только ползать по земле, а голову поднять не можем, потому что слишком сильное гравитационное взаимодействие. «Мы зажаты на двумерной мембране» – так сейчас говорят ученые.

Однако мы можем узнать, что в мире существует не 2 измерения, как у нас, а три. Как мы можем это увидеть? Мы можем измерить сумму углов треугольника, она уже будет отличаться от 180. А можем посмотреть на то, что гравитон – переносчик гравитации – иногда улетает в другое измерение. В результате, в нашем мире будут идти процессы с несохранением энергии-импульса, потому что в трехмерном пространстве, в котором мы реально живем, они сохраняется, а в двухмерном, в котором нас расплющила гравитация, они не сохраняются. Таким образом, эти дополнительные измерения, теперь уже дополнительные к трем нашим, ищутся на Большом адронном коллайдере. Ищутся события, в которых имеется только энергичный фотон и больше ничего, а гравитон улетел в другие измерения. Но пока существует только ограничение на существование дополнительных измерений.

Наконец, вернемся к темной материи. Темная материя – это суперсимметрия, в нашем случае – на Большом адронном коллайдере. Вот так могут выглядеть события с рождением суперсимметричных частиц.

К сожалению, сейчас опять имеются только ограничения на массы суперсимметричных частиц, их еще не обнаружили. Надо заметить, что даже если их обнаружат, определить все свойства будет довольно сложно, потому что на Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, а протоны – это как два мешка с горохом: в них много кварков, глюонов, а мы пытаемся из столкновения этих двух мешков гороха выяснить, как же происходит столкновение двух горошин. Поэтому выгодно построить коллайдер, где будут сталкиваться только горошины – это электроны, например.

Строительство такого коллайдера интенсивно обсуждается. Это международный электрон-позитронный коллайдер. Обсуждают возможность его строительства в Дубне. Это громадный коллайдер, длина его 30 км, то есть это очень серьезное сооружение, но, я думаю, оно стоит того, чтобы его построить. Очень много можно будет узнать, если мы его построим. Хотя решение о создании этого коллайдера еще не принято, мы уже интенсивно работаем над экспериментальной программой для этого коллайдера – создаем для него детекторы. На этой картинке я показал новый тип калориметра, который мы создали. Он состоит из кусочков сцинтиллятора.

Они имеются у меня в руке. Свет, который оставляют частицы в сцинтилляторе, собирается с помощью спектросмещающего волокна. Спектросмещающее волокно работает таким образом: на длине одной волны оно совершенно непрозрачное, мгновенно схватывает все фотоны, которые туда прилетают. А на другой длине волны оно очень прозрачное, поэтому захватив фотон в каком-то месте, оно его может довести до фотодетектора. Я с собой захватил несколько кусочков этого волокна, если вы посмотрите – оно светится. Оно захватывает свет и доводит его до своего кончика. Как сувенир, вы можете разобрать эти кусочки себе, чтобы лекция запомнилась лучше. А затем свет попадает на фотодетектор, а в качестве фотодетектора мы используем революционно новый детектор, который был разработан в России, так называемый кремневый фотоумножитель. Я думаю, многие из вас видели фотоумножители, они используются практически везде. В России были разработаны совершенно уникальные приборы – вот такие маленькие, вы их почти не видите, – работают они совершенно замечательно. Они видят отдельные фотоны и все их разрешают. Обычный фотоумножитель, в лучшем случае, может разделить 2 фотона, и то еще с трудом. Это уникальная разработка в России, и с помощью этой разработки мы собираемся делать калориметр для следующего коллайдера.

Мы уже подошли к заключению. Мы знаем, из чего состоит материя, и ее взаимодействие. Скоро на Большом адронном коллайдере мы поймем механизм возникновения массы у частиц, но, возможно, мы знаем только половину фундаментальных частиц, и есть надежда, что в ближайшее десятилетие мы все это проясним. А может и быстрее – в ближайшие дни. Большой адронный коллайдер работает, и другие эксперименты тоже работают. Мы выяснили основной механизм различия свойств материи и антиматерии в случае кварков – механизм Кобаяши-Маскавы. Но он не объясняет доминирования материи во Вселенной, а, следовательно, – нашего с вами существования, и поэтому нужны новые механизмы нарушения симметрии между материей и антиматерией. Их поиски ведутся. Астрофизики показали, что темной материи в 6 раз больше, чем барионной, но природа ее неизвестна. Опять есть надежда выяснить это в ближайшие десять лет, но это может случиться и завтра. Мы живем в очень интересный период времени. Но это еще не все, природа и астрофизики не устают нас удивлять. Выяснилось, что и барионная материя, и темная материя составляют всего лишь 30% того, что есть во Вселенной: все остальное – это темная энергия.

Это на рисунке то, что мы более или менее знаем. Надо открыть Хиггс – и тогда совсем будем знать. Мы знаем, сколько имеется темной материи, но из чего темная материя состоит, мы не знаем и уж совсем практически ничего мы не знаем про темную энергию. Поэтому реальное заключение – это не достижения, а список вопросов. Этот список вопросов очень длинный, поэтому наша жизнь обещает быть интересной. Что определяет иерархию масс и констант связи кварков? Я начинаю повторять все то же самое. Зачем нужны три поколения кварков и лептонов? Каков механизм возникновения массы? Существует ли суперсимметрия? Каковы новые механизмы нарушения симметрии между материей и антиматерией? Почему материя доминирует во Вселенной над антиматерией? Из чего состоит темная материя? Что такое темная энергия? Точечны ли фундаментальные частицы? Сколько измерений в нашем пространстве? Список этих вопросов очень длинный. Наша жизнь точно будет интересной. Спасибо за внимание!