Виталий Воробьев исследует нарушения симметрии между материей и антиматерией, объясняет практическую пользу фундаментальной науки и считает научный поиск творческим процессом.

Где учился: физфак Новосибирского государственного университета (2005 — 2011) по специальности «физика элементарных частиц и атомного ядра»; стажировка в Европейском центре ядерных исследований в Женеве (2011); аспирантура физфака НГУ на кафедре элементарных частиц (с 2012 года).

Чем занимается: физика элементарных частиц.

Особые приметы: играет в шахматы, слушает джаз и классику, увлекается фотографией, любит Японию, преподает физику математикам и геологам.

Вообще я вырос в музыкальной среде. Мои родители — музыканты. Я играл на трубе и фортепиано, пел в хоре, окончил музыкальную гимназию, и при этом поехал поступать на физфак. Я всегда любил физику, но первый курс физфака стал для меня потрясением — и по объемам информации, и по ее сложности, к которым я не привык, так как не был олимпиадником и не учился в физматшколе.

Про музыку мне трудно говорить: я до сих пор считаю, что подлинная музыка — это деятельность, превосходящая по глубине и смыслу научную. Я же пошел по более простому пути. Прямых аналогий я не выстраиваю, но если говорить о высших проявлениях научной деятельности, то это, конечно, творческий процесс. Научное исследование не алгоритмизуемо, в нем есть понятия творческого кризиса или вдохновения.

Я работаю в Институте Ядерной Физики (ИЯФ) СО РАН в Новосибирском Академгородке. ИЯФ — довольно известный институт, именно здесь в 1963 году удалось создать первый в мире коллайдер, то есть столкнуть лоб в лоб два пучка электронов, каждый из которых летит почти со скоростью света. (Пучок электронов по размерам близок к человеческому волосу. Попробуйте столкнуть два волоска, летящих со скоростью света). Многие не верили в то, что это когда-нибудь удастся реализовать. С тех пор в мире было построено множество коллайдеров, с помощью которых физика элементарных частиц достигла потрясающих результатов.

Система образования на физфаке НГУ построена таким образом, что уже курса с третьего (кто-то и раньше) студенты плавно начинают исследовательскую деятельность в научно-исследовательских институтах. Поэтому я не мыслю свою работу без полученного образования. Многие преподаватели в университете сейчас стали моими коллегами. Это так называемая «система физтеха» — на мой взгляд, один из лучших способов подготовки ученых и воспроизведения научных школ.

Мы занимаемся физикой элементарных частиц — это наука о том, как устроена материя. Есть и другие науки, занимающиеся устройством материи, так, например, химия имеет дело с молекулами и атомами. В какой-то момент ученые установили, что атомы состоят из ядер и электронов, затем начали исследовать ядро и поняли, что оно тоже сложный объект, так как состоит из протонов и нейтронов. Этим уже занимается ядерная физика, но история на этом не закончилась — ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из чего-то, что мы сейчас называем кварками. И на этом уровне начинается физика элементарных частиц в современном ее понимании.

Все, что мы видим, вся окружающая нас материя, состоит из двух типов кварков и электронов, то есть всего из трех типов элементарных частиц (забудем пока об электромагнитных волнах или фотонах). Экспериментально было установлено, что, кроме этих двух (u- и d-)кварков, есть более тяжелые кварки. Также были обнаружены похожие на электрон, но более тяжелые частицы — лептоны. Эти наблюдения позволили выстроить элементарные частицы в несколько поколений. В первое поколение входят u-, d-кварки и электрон. Во втором поколении есть три подобные частицы, но с большей массой. В третье поколение входят еще более массивные кварки и лептон.

Естественно, возник вопрос: зачем нужны еще два дополнительных поколения частиц, если наблюдать их можно только в специальных экспериментах? Никто не знает ответа и сейчас. Однако некоторые соображения неожиданно пришли из космологии.

Если мы будем нагревать вещество, то оно сначала разлетится на молекулы, потом — на атомы, потом электроны оторвутся от ядер, а потом и ядра начнут распадаться. Если мы разогреем материю до невероятных температур, то останутся только элементарные частицы. Такие условия в нашей Вселенной были как раз после Большого взрыва. Поэтому успехи физики частиц позволили построить достаточно точные модели развития Вселенной как целого.

Кроме материи существует антиматерия. В теории, материя и антиматерия находились в равных условиях, и поэтому должны были рождаться в равных количествах. Они одинаковы, отличается только знак заряда, и больше нет никаких причин предпочесть материю антиматерии. Но у нас, как видите, твердая земля, которая полностью состоит из материи, а антиматерия куда-то подевалась, хотя в эксперименте мы ее и наблюдаем.

Вот две загадки, на которые мы набрели. Первая — зачем нам нужны три поколения частиц? Вторая загадка — куда исчезла антиматерия? Здесь-то и обнаружилась связь. Еще до экспериментального открытия третьего поколения кварков (и даже до открытия второго кварка второго поколения) было показано, что, в случае трех поколений кварков, естественно может возникнуть нарушение симметрии между материей и антиматерией (CP-симметрии). Этот механизм был подтвержден экспериментально.

Для этого в Японии и в США были созданы специальные коллайдеры. Я участвую в первом, японском, эксперименте Belle на коллайдере KEKB, город Цукуба. Это электрон-позитронный коллайдер, на котором рождается множество B-мезонов — частиц, содержащих b-кварк третьего поколения, которое интересно для изучения нарушения CP-симметрии.

Исследуя распады этих частиц, физики из коллаборации Belle (и коллеги из коллаборации американского эксперимента BaBar) подтвердили механизм нарушения симметрии между материей и антиматерией. Авторам механизма, японцам Кобаяши и Маскаве после экспериментального подтверждения в 2008 году вручили Нобелевскую премию.

То есть, теперь мы знаем, зачем нужны три поколения кварков и как сформировалась Вселенная? Совсем не так. Мы точно знаем, что знаем не все. Во-первых, по современным представлениям, механизма Кобаяши-Маскавы недостаточно, чтобы наша Вселенная сформировалась именно так. То есть, симметрия нарушена, но незначительно и недостаточно, поэтому мы ищем отклонения от предсказаний механизма. Что-то еще должно быть, но где точно — мы не знаем, и поэтому каждая частица и каждый распад этой частицы досконально исследуется.

Я занимаюсь анализом распадов нейтральных D-мезонов — частиц, содержащих очарованный (charm) кварк второго поколения. (Понятия не имею, почему с-кварк называется «очарованным», «charm». Наверное, его так назвали одинокие романтичные физики. Тем более, что есть еще и «прелестный» кварк — «beauty» b-кварк). Этот анализ также может дать информацию о нарушении симметрии между материей и антиматерией. Кроме того, я измеряю некоторые фундаментальные параметры, отвечающие за переходы нейтральных D-мезонов и анти-D-мезонов друг в друга. Эти параметры важны для понимания взаимодействий кварков и даже для поиска новых частиц.

Вся история, о которой я рассказал, держалась «на волоске» — на бозоне Хиггса. Теоретики создали большую сложную конструкцию, которая описывает практически все экспериментальные данные. Но есть одна деталь: чтобы все это работало, должна была существовать еще одна частица — бозон Хиггса. И это предсказание в чисто теоретическом виде жило около 40 лет. Авантюристы надеялись, что это была ошибка, а мы сейчас построим большой адронный коллайдер, и там откроется новая совершенно неизвестная картина, для понимания которой будет необходимо изменить фундамент. Реальность оказалась иной. Бозон Хиггса все-таки открыли и уже вручили за это Нобелевскую премию в 2013 году.

Нарушение симметрии между материей и антиматерией — лишь одна из многих загадок. Некоторые ученые (и я поддерживаю эту точку зрения) считают неудовлетворительным то, что мы даже не понимаем, почему массы частиц таковы, каковы они есть. Например, если бы электрон был в несколько раз тяжелее, то нейтрон стал бы стабильной частицей. А если бы протон был бы немного тяжелее нейтрона (в реальности наоборот), то протон стал бы нестабильным, что драматически бы повлияло на формирование материи после Большого Взрыва. И так далее. Надеюсь, что такие «удачные совпадения» возможно объяснить.

У теоретиков есть масса интересных идей, которые позволили бы сделать картину физики частиц полнее и красивее — суперсимметрия, скрытые размерности и многое другое. Все это является предметом поиска на Большом адронном коллайдере и в других экспериментах.

По-настоящему революционные загадки — это вопросы о природе темной материи и темной энергии. Космологи умудрились посчитать полную энергию Вселенной. Потом они посчитали полную энергию материи, которую мы можем наблюдать. А когда сравнили эти 2 величины, то обнаружили, что энергия видимой материи — это всего 5% от полной энергии Вселенной. Естественный вопрос — где остальные 95?

Часть недостающей энергии интерпретировали, как темную материю. Она похожа на обычную материю, концентрируется в каких-то местах Вселенной и действует гравитационно на обычную материю — таким образом мы ее и видим. Темной материи где-то 25% от общей энергии Вселенной. А еще есть сущность, про которую вообще ничего не понятно — темная энергия.

Небольшое предисловие. Большой Взрыв дал огромный начальный импульс, который положил начало разлету материи. Это можно сравнить с расширением воздушного шарика. Если мы смотрим на поверхность воздушного шарика и начинаем его надувать, то каждая точка этого шарика будет удаляться от любой другой. Такая же штука происходит с нашей Вселенной, только этот шарик трехмерный.

Кроме того существует гравитация, которая действует на больших расстояниях и препятствует расширению. Тогда, казалось бы, отдаление точек должно постоянно замедляться, но все оказалось сложнее. Сравнивая скорости звезд на различных расстояниях, астрофизики пришли к однозначному выводу: в настоящее время Вселенная расширяется с ускорением, а не с замедлением, как мы предполагали. Есть предположение, что нечто, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, составляет 70% энергетической композиции Вселенной, и это нечто называют темной энергией.

Вряд ли знание о том, как вели себя частицы в первые секунды после Большого Взрыва, найдет себе конкретное применение. Но чтобы получать знания о таких экстремальных состояниях вещества, нам нужны суперсовременные технологии. (Это касается материалов детекторов, технологий обработки гигантского потока данных и так далее). Поэтому физика служит катализатором для развития многих технологий.

Есть у физики частиц пересечение и с медициной. С помощью современных детекторов излучения (частиц-фотонов), можно построить подробную карту и понять структуру раковой опухоли при МРТ-сканировании. А с помощью пучков тяжелых ионов (ускорительные технологии как раз касаются того, как создать и сохранить пучок частиц с нужными параметрами) можно проводить терапию рака. Уже применяются установки, на которых пучок ионов, проходя насквозь и не практически не повреждая здоровую ткань, выделяет всю энергию в опухоль. Это не химиотерапия, которая уничтожает все, а точечный удар именно по раковым клеткам. В ситуациях, когда операция невозможна (например, не до всех участков мозга можно добраться), эта технология порой дает единственный шанс. В Европе и Штатах это направление довольно интенсивно развивается. В Новосибирске есть подобный медицинский аппарат. На нем, в том числе, работают люди из ИЯФа, так как они обладают необходимыми знаниями науки об ускорителях и физики частиц.

Еще в ИЯФе разработали рентгеновский сканер для быстрого досмотра в аэропорту, который за несколько секунд позволяет получить подробный снимок человека. Доза облучения, при этом, меньше, чем при одном полете на самолете, время прохождения осмотра сокращается, а сама процедура перестает быть такой издевательской.

Да и концепция Всемирной паутины была в 1989 году разработана в ЦЕРНе, чтобы справиться с гигантским потоком данных с предыдущего, Большого электрон-позитронного коллайдера. Так фундаментальная наука живет в постоянном взаимовыгодном взаимодействии с технологией.

Безусловно, самое приятное в работе ученого — получение нового знания, разрешение загадок или наоборот обнаружение чего-то непонятного. Чем глубже проникаешь в науку, тем более подвижной и интересной становится картинка. Это похоже на игру.

Другим приятным аспектом научной деятельности является глобальность сообщества. Международные конференции, общение с людьми иных культур, путешествия в разные страны — все это позволяет сохранять свежесть восприятия.

ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), где построен Большой адронный коллайдер, это, конечно, великая штука. Я туда попал на втором году магистратуры на летнюю школу. Летняя школа — это грандиозное мероприятие, каждый год проводимое ЦЕРНом. Туда съезжаются студенты и профессора со всего мира. Почти каждый второй профессор, читающий лекции про современное состояние науки, начинает свое выступление со слов: «Когда я сидел на вашем месте 40 лет назад…», то есть это такой международный конвейер по воспроизводству кадров. До обеда идут лекции, а после все расходятся по лабораториям и занимаются реальными научными проектами. Я в тот приезд уже поанализировал данные с БАК.

Конечно, внутри ЦЕРН все очень интересно устроено. А если говорить о масштабах, то, чтобы добраться от главного здания до детектора CMS, нужно ехать полчаса на автобусе, потому что детектор находится на другой стороне кольца, а кольцо это длиной в 27 километров. Ну и место, где находится БАК, довольно интересное — самая граница Швейцарии и Франции. На летней школе я жил во Франции, а каждое утро и вечер переходил границу.

Это был мой первый научный выезд за рубеж. Вообще, на мой взгляд, человеку важно куда-нибудь уехать учиться после школы, чтобы почувствовать себя более свободным и попробовать адаптироваться в новой среде. Тогда начинаешь воспринимать себя иначе.

А второй подобной точкой в познании и осознании себя для меня стало погружение в международную среду. Было полезно почувствовать себя частью глобального научного сообщества. Я не говорю уже о том, что у меня появилось много новых друзей из других стран. В нашей среде люди отзывчивые, у нас общие ценности, а все культурные противоречия сглаживаются.

Конференции часто проводятся в разных интересных местах по всему миру. Например, полмесяца назад я был на Сицилии, на конференции по физике нейтрино (о которых я бесстыдно умолчал, рассказывая про поколения частиц). Место там удивительное: все проходило на вершине 700 метровой горы в городе со средневековым монастырем и мощеными улицами. Ездить на такие конференции без фотоаппарата — просто преступление.

Мне, безусловно, нравится атмосфера Новосибирского Академгородка. Думаю, если бы я жил в своем родном Новокузнецке, то при возвращении из Швейцарии или Японии мне было бы мучительно неприятно. Здесь же услышать разговор про интегралы в магазине — абсолютно нормально. В Академгородке можно идти, улыбаясь на всю улицу, и никто не воспримет это как что-то странное.

Мне было интересно смотреть «Теорию большого взрыва» — сезона до пятого, дальше они стали повторяться. Мне кажется, в сериале очень остроумно и с большой любовью показывается, как мыслят ученые, и, прежде всего, теоретики. (У меня даже есть пара знакомых, похожих на Шелдона). Сценаристов же консультируют ученые, и только физикам понятно, что написано на доске у главных героев — например, диаграмма рождения бозона Хиггса.

Книги, которые рекомендует Виталий: