Т еоретическая ф изика Том 11, 2010



жүктеу 3.26 Mb.
Pdf просмотр
бет5/12
Дата27.12.2016
өлшемі3.26 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
полным импульсом.
3.2.2. Сверхпроводимость
Другой пример фазового перехода в большой квантовой системе, сопровождае-
мого спонтанным нарушением симметрии, – явление сверхпроводимости, где, как и
при фазовом переходе в сверхтекучее состояние, происходит нарушение фазовой ин-
вариантности. Хотя сверхпроводимость была открыта в 1911 г. (значительно раньше
сверхтекучести
4
He), теоретическое понимание феномена сверхпроводимости было
достигнуто существенно позже объяснения сверхтекучести.
В свое время значительным успехом была предложенная Гинзбургом и Лан-
дау феноменологическая теория (теория Г-Л), в которой сверхпроводящее состо-
яние описывалось эффективной квази-волновой функцией коллектива электронов,
играющей роль двухкомпонентного параметра порядка. В рамках теории Г-Л уда-
лось успешно описать поведение сверхпроводника во внешнем магнитном поле и
ряд других важных его свойств. В то же время природа сверхпроводящего перехода
оставалась невыясненной.
Теория сверхпроводимости на микроскопическом уровне появилась лишь спустя
7 лет, в 1957 г. благодаря работам Бардина, Купера, Шриффера (БКШ) и Бого-
любова. БКШ рассмотрели упрощенную вторично квантованную модель, в которой
взаимодействие электронов посредством обмена фононами заменяется прямым эф-
фективным притяжением электронов с противоположными импульсами и спинами,
энергии которых находятся вблизи поверхности сферы Ферми. Теория БКШ вклю-
чает термодинамику и электродинамику сверхпроводника, вычисление температуры
сверхпроводящего перехода и дает универсальное соотношение между щелью в спек-
тре при нулевой температуре и температурой фазового перехода. Щель в спектре
возникает за счет образования связанных состояний пар электронов с противопо-
ложными импульсами и спинами – «куперовских пар» и пропорциональна экспо-
ненте
e
−1/λ
, где λ – интенсивность эффективного притяжения электронов.
Еще до появления подробной работы БКШ Боголюбову удалось построить в
прямом смысле микроскопическую теорию сверхпроводимости для полной электрон-
фононной модели Фрелиха. С помощью новых Ферми-амплитуд он провел компенса-
цию так называемых «опасных диаграмм», отвечающих рождению электронных пар
с противоположными импульсами и спинами. Полученные Боголюбовым уравнения
для щели и сверхпроводящей температуры по форме совпадают с результатами тео-
рии БКШ с константой связи
λ = g
2
F r
, непосредственно определяемой константой
связи Фрелиха
g
F r
, в гамильтониане взаимодействия электронов и фононов.

42
Д.В. Ширков
Квазичастицы Боголюбова (иногда их называют боголонами) дают ясную физи-
ческую картину спектра квазичастичных возбуждений как суперпозиции частицы и
дырки, которые имеют щель в спектре на поверхности Ферми. На основе представ-
ления квазичастиц Боголюбова легко рассчитываются термодинамические и элек-
тродинамические характеристики сверхпроводника. Фермиевский вариант канони-
ческого (u,v)-преобразования Боголюбова широко используется при решении многих
современных задач в теории сверхпроводимости.
Боголюбов пришел к представлению о единстве этих макроскопических кван-
товых явлений: сверхтекучесть куперовских пар и создает сверхпроводящий ток.
Вот цитата из обзора Боголюбова [18] того времени: «Свойство сверхпроводимо-
сти может трактоваться как свойство сверхтекучести системы электронов в
металле».
Единство явлений сверхтекучести и сверхпроводимости совсем недавно было под-
тверждено прямым образом в опытах с ультрахолодными фермионными газами в
ловушках.
4. Ученый и учитель
4.1. Особенности творчества Боголюбова
В заключение приведу итоги некоторых наблюдений, вытекающих из анализа
научного творчества Боголюбова в теоретической физики в 50-е годы.
За это десятилетие НН потрудился примерно в дюжине направлений
6
:
1.
Уравнение Томонага – Швингера с гладкой функцией
(4)
1950–1952
2.
Плазма в магнитном поле
(8)
1951–1952
3.
Представление континуального интеграла
(1)
1954
4.
Условие причинности и матрица рассеяния
(3)
1955–1956
5.
Умножение сингулярных функций и R операция
(5)
1955–1957
6.
Ренормализационная группа
(4)
1955–1956
7.
Физические дисперсионные соотношения
(3)
1956–1957
8.
Тонкости доказательства ДС
(7)
1956–1958
9.
Сверхпроводимость в модели Фрелиха
(4)
1957–1958
10.
Модельные гамильтонианы и парные корреляции
(4)
1959–1960
11.
Индефинитная метрика в КТП
(2)
1958
12.
Квазисредние
(2)
1960–1961
Всего почти 50 работ и помимо того 5 монографий.
Обращает внимание то обстоятельство, что над каждым из сюжетов НН работал
с среднем не более двух-трех лет; в некоторые годы он публиковался по 4–5 направ-
лениям. Особенно плодотворной была середина 50-х гг.
Образно говоря, Боголюбов в те годы представлял собой фонтан научных идей
первостепенной важности. Доброжелательность к людям, щедрость нату-
ры приводила к тому, что этот фонтан оплодотворял всех, кто захотел к
нему приблизиться и сумел впитать живительную влагу.
Как раз на эти годы пришлось создание Николаем Николаевичем Лаборатории
теоретической физики в составе Объединенного института ядерных исследований в
Дубне
7
и закладка фундамента его школы в физике взаимодействий частиц.
6
В круглых скобках указано число работ.
7
Приведенная цитата взята из моей статьи в сборнике, посвященном 40-летию ОИЯИ [19].

Воспоминания о Николае Николаевиче Боголюбове
43
Для сравнения можно взять таких разносторонних корифеев, как Гейзенберг и
Ландау. Беглый взгляд на список работ показывает, что каждый из них возвращался
к одной и той же теме на протяжении более чем десятка лет.
К стилю творчества НН более подходит девиз «Veni, vidi, vici». Он обращался к
проблеме, исчерпывающе решал ее и переходил к другой задаче.
4.2. Учитель
В отличие от Ландау, НН не воздвигал барьера между собой и неофитом в виде
сложных вступительных экзаменов. Как видно из приведенных выше фрагментов
моего научного становления, он ценил не столько уровень первоначальной подго-
товки, сколько умение быстро войти в круг новых идей и, особенно, способность к
самостоятельному творчеству. Повторю, что в эпизоде с дипломной темой НН «бро-
сил меня учиться научному плаванию» сразу в глубокой воде. По преданию, подоб-
ной практики придерживался Резерфорд. Однако в случае неудачи НН не отторгал
новичка и давал задачу полегче. Отчасти поэтому ядро научной школы Боголюбова
в квантовой теории поля образовалось довольно быстро – во второй половине 50-х.
Определяющим элементом учительства была научная щедрость: первые три ста-
тьи 1955 г. в Докладах по ренорм-группе [6; 8; 13] вышли под двумя нашими фами-
лиями. Однако разобравшись на примере КЭД как с ультрафиолетовыми, так и с
инфракрасными асимптотиками и сделав вывод об отсутствии доказательной силы
в аргументации Ландау и Померанчука [3] по нуль-заряду, НН несколько поостыл
к ренорм-группе и, поставив мне задачу по мезон-нуклонной теории, переключился
на другие проблемы (см. предыдущий раздел). От соавторства в следующей публи-
кации [20] он решительно уклонился
8
.
Второй педагогический метод – привлечение молодого коллеги к большому де-
лу, такому как совместная работа над книгой. Наконец, третий прием воспитания
самостоятельности состоял в ускоренном обучении молодого соавтора искусству до-
клада по совместным исследованиям. Так, не считая семинаров, в 1956 году мне
пришлось выступать с обзорным докладом [21] на Третьем Всесоюзном математи-
ческом съезде в Москве и в 1959-м с раппортерским докладом [22] на Рочестерской
конференции в Киеве. Причем в последнем случае сюрприз с заменой докладчика
был преподнесен Николаем Николаевичем буквально накануне.
Приведенный выше пример «минимального соавторства» дает одну из состав-
ляющих научной щепетильности Николая Николаевича. В качестве второй укажу
высокую (поначалу казалось – излишне высокую) требовательность к тщательно-
сти цитирования предшественников по тому или иному научному сюжету. Наконец,
третья – ответственность буквально за каждую строчку научного текста.
В итоге многолетнего опыта по совместному писательству с НН у меня сложи-
лась – порой заметно отягощающая меня и моих соавторов – склонность к ясной
осознанности и максимальной прозрачности формулировок научных рассудений и
результатов, а также к четкости указания причин упоминания той или иной статьи
9
.
Наконец, несколько слов о человеческой щепетильности. Не припомню случая,
когда приходилось бы испытывать какое-либо давление со стороны Николая Нико-
лаевича. А ведь он выступал в роли не только научного лидера, но и служебного
начальства. НН обычно лишь предлагал сотруднику и научную идею, и какое-либо
8
Это правило «минимального соавторства» уже в следующем году я применил к своим первым
дипломникам – Илье Гинзбургу и Льву Соловьеву.
9
Как следствие – нелюбовь к «братским могилам» при цитировании и случаи выхода из состава
авторского коллектива при наличии разногласий по важному элементу совместного исследования.

44
Д.В. Ширков
практическое решение. Предлагал в мягкой форме и, если не получал позитивно-
го отклика, то не настаивал. «От каждого – по его возможностям.» Так было со
мной, когда ему нужно было найти помощника по организационным хлопотам при
создании Лаборатории теорфизики ОИЯИ в 1956-м, а также при моем повторном
появлении в ЛТФ в начале 70-х. Так бывало не раз и со мной и с другими его
учениками по научным сюжетам. НН обычно предвидел направление развития ак-
туальных научных идей и загодя советовал своим сотрудникам заняться тем или
иным вопросом. И, вспоминая подобные случаи, мы сожалеем, что, будучи увле-
чены в тот момент чем-то другим (как показало время – порой значительно менее
важным), часто пропускали мимо ушей его рекомендации.
Боголюбову не были безразличны личные качества молодых людей, которых он
приближал к себе. НН дорожил здоровой человеческой обстановкой, моральным
климатом среди своих сотрудников. На моей памяти два случая остракизма. Один
из них касался тогда молодого, чрезвычайно способного, но уже излишне бесцере-
монного по отношению к другим коллегам (работавшим над близкими вопросами)
ученого Y. Взгляд на список трудов НН показывает, что зачастую он привлекал сра-
зу несколько человек к решению задачи. Дружеские отношения между ними были
нормой. Однако в случае с Y. после нескольких конфликтов сотрудники обратились
к шефу. И тот отставил Y. Во втором эпизоде фигурировал более пожилой коллега
Z. со сложной биографией, покареженной репрессиями 30-х годов. В какой-то мо-
мент очередного завинчивания идеологических гаек в начале 70-х Z. стал свидетелем
«крамольных» политических высказываний в не слишком узком кругу сотрудников
физфака. Опасаясь доноса от кого-либо из других свидетелей, Z. проявил инициати-
ву. И это стало официально известно. Реакция шефа была быстрой. Примечательно,
что по-человечески НН понял проступок. Понял, в душе посочувствовал и пояснял
мотивы проступка с помощью староиндийской притчи. Но иметь дело с человеком,
с которым плодотворно сотрудничал около 20 лет, более не захотел.
Упомянутые здесь, вольные и невольные, уроки Боголюбова влияли на форми-
рование личностей его ближайших учеников. Многие из них являются людьми вы-
соких жизненных правил. И, хотя неумолимое время делает свое дело, в заметной
степени моральный дух Николая Николаевича живет среди его последователей.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта НШ-1027.2008.2.
Список литературы
[1] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Вопросы квантовой теории поля. I. Матрица
рассеяния // УФН. 1955. Т. 55. Вып. 2. С. 149–214.
[2] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Вопросы квантовой теории поля. II. Устранение
расходимостей из матрицы рассеяния // УФН. 1955. Т. 57. Вып. 1. С. 3–92.
[3] Ландау Л.Д., Померанчук И.Я. О точечном взаимодействии в квантовой элек-
тродинамике // ДАН СССР. 1955. Т. 102. 1955. 489 с.
[4] Gell-Mann M., Low F. // Phys. Rev. 1954. 95. P. 1300.
[5] Stueckelberg E.C.G., Petermann A. La normalisation des constantes dans la theorie
des quanta // Helv. Phys. Acta. 1953. 26. P. 499–520.
[6] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. О ренормализационной группе в квантовой элек-
тродинамике // ДАН СССР 1955. Т. 103. С. 203–206.

Воспоминания о Николае Николаевиче Боголюбове
45
[7] Bogoliubov N.N., Shirkov D.V. Charge Renormalization Group in Quantum Field
Theory // Nuovo Cim. 3. 1956. P. 845–863.
[8] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Приложение Ренормализационной Группы к
улучшению формул теории возмущений // ДАН СССР. 1955. T. 103. C. 391–394.
[9] Bogoliubov N.N. On the Theory of Superfluidity // Journ. Phys.(USSR). 1947. Т. 11.
С. 23–32.
[10] Landau L.D. On the theory of superfluidity of helium II // J.Phys.(USSR). 1947.
Vol. 11. P. 91–92.
[11] Landau L.D. On the theory of superfluidity // Doklady AN SSSR. 1948. Vol. 61.
P. 253.
[12] Landau L.D. On the theory of superfluidity // Phys.Rev. 1949. 75. P. 884.
[13] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Модель типа Ли в КЭД // ДАН СССР. 1955.
T. 105. 685–8.
[14] Landau L.D. On the Quantum Theory of Fields // Niels Bohr and the Development
of Physics / eds. W. Pauli et al. London: Pergamon, 1955. P. 52–69. Перевод в сб.:
Нильс Бор и развитие физики. М.: Иностранная литература, 1958.
[15] Боголюбов Н.Н. О новом методе в теории сверхпроводимости // ЖЭТФ. 1958.
T. 34. P. 58–65; Nuovo Cim. 1958. 7. P. 794–805.
[16] Боголюбов Н.Н. Вопросы теории сверхтекучести Бозе- и Ферми-систем // Вест-
ник АН СССР. 1958. Вып. 4. С. 25–27.
[17] Боголюбов Н.Н. Собрание науч. трудов в 12 томах. М.: Наука, 2008. Т. VIII.
[18] Боголюбов Н.Н. Основные принципы теории сверхтекучести и сверхпроводимо-
сти // Вестник АН СССР. 1958. № 8. P. 36–46.
[19] Объединенному Институту Ядерных Исследований – 40 лет. Хроника: сборник /
Дубна: Издание ОИЯИ, 1996.
[20] Ширков Д.В. // ДАН СССР. 1955. Т. 105 С. 972–975.
[21] Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Некоторые вопросы КТП // Труды 3-го Всесо-
юзного мат. съезда. М.: Изд-во АН СССР, 1956. Т. 2. С. 84–85.
[22] Ширков Д.В. Теоретические исследования по дисперсионным соотношениям //
Труды 9-й Межд. конф. физ. выс. энергий. Киев, 1959. Т. 2. С. 3–22.
REMINISCENCES ABOUT NIKOLAY NIKOLAEVICH BOGOLYUBOV
c 2010 D.V. SHIRKOV
1
Abstract
This article presents personal memories of academician Dmitry Vasilyevich Shirkov
about his teacher academician Nicolay Nikolaevich Bogolyubov.
1
Dmitry Vasilevich Shirkov, member of Russian Academy of Sciences, honorary director of Bo-
golyubov Laboratory of Theoretical Physics of the Joint Institute for Nuclear Research (JINR), 141980,
Moscow region, Dubna, st. Joliot-Curie 6, Russian Federation; e-mail: shirkovd@theor.jinr.ru.

46
Теоретическая Физика, 11, 2010 г.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР — НОВЫЙ ШАГ
К ПОЗНАНИЮ ГЛУБИН МАТЕРИИ
c 2010 В.А. Матвеев
1
, А.Н. Сисакян
2
, А.Н. Скринский
3
Аннотация
По мере углубления в недра структуры окружающей нас материи мыслен-
ному взору человека открываются все новые тайны и ранее неизвестные явле-
ния. Иные тайны уже разгаданы, но множество других еще остается загадкой
для человечества. Очередной шаг к их познанию, возможно, будет сделан с по-
мощью Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider – LHC), соору-
женного в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований объединен-
ными усилиями международного сообщества ученых и инженеров. Комплекс
Большого адронного коллайдера – это поистине масштабное воплощение в ре-
альность самой передовой научной и инженерной мысли.
ГРАНИЦЫ НАШИХ ЗНАНИЙ
Во второй половине XX в. на создаваемых в мире ускорителях были открыты
сотни элементарных частиц. Любопытно, что большинство из них оказались вовсе не
элементарными, хотя по традиции мы все же продолжаем их так называть. Изуче-
нию внутренней структурыэлементарных частиц, закономерностей их образования
и взаимодействия между собой исследователи посвятили отдельный большой раздел
науки и назвали его физикой частиц.
Физика частиц занимается так называемыми фундаментальными взаимодей-
ствиями, которые невозможно свести друг к другу: они различны по силе и ра-
диусу влияния. Сегодня известны четыре типа фундаментальных взаимодействий:
гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Поиски других типов взаи-
модействий упорно продолжаются и на уровне микромира, и в космологических
масштабах, но пока никаких признаков их существования не обнаружено.
Многие свойства частиц проявляются только в высокоэнергетических процессах,
то есть в процессах, происходящих при очень высоких энергиях (в сотни и тысячи
раз больше, чем в ядерных процессах!). Именно высокая энергия частиц создает
условия, в которых образуются новые формы материи, недоступные для наблюдения
и исследования при низких энергиях.
Накопленные к концу XX столетия сведения о фундаментальных свойствах ма-
терии радикально изменили все наше мировоззрение. Платформой для анализа и
мощным вычислительным инструментом стала квантовая теория поля, описываю-
щая поведение частиц и предсказывающая их свойства, закономерности рождения
и распада.
На базе достижений квантовой теории поля и теории элементарных частиц сфор-
мулирована самая совершенная и самая стройная к нынешнему моменту теория
1
Матвеев Виктор Анатольевич, академик, директор Института ядерных исследований РАН,
117312, г. Москва, пр. 60-летия Октября, 7а, Российская Федерация; электронный почта:
matveev@inr.ac.ru.
2
Сисакян Алексей Норайрович, академик, директор Объединенного института ядерных иссле-
дований, 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио Кюри, 6, Российская Федерация; электрон-
ная почта: sisakyan@jinr.ru.
3
Скринский Александр Николаевич, академик, директор Института ядерной физики
им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 11, Российская Фе-
дерация; электронная почта: a.n.skrinsky@inp.nsk.su.

Большой адронный коллайдер
47
фундаментальных частиц и взаимодействий, названная Стандартной моделью. Эта
модель с высокой точностью описывает всю известную сегодня совокупность экс-
периментальных данных о фундаментальных взаимодействиях в природе и факти-
чески представляет собой иерархическую структуру мира частиц, связанных двумя
типами взаимодействий: электрослабым и сильным. Стандартная модель позволя-
ет качественно и количественно объяснить процессы, протекавшие во Вселенной,
начиная с первых долей секунды после Большого взрыва вплоть до нашей эпохи.
О поразительных возможностях этой модели, взятой вместе с теорией гравитации
(гравитационное взаимодействие физикам пока не удается объединить с остальными
типами взаимодействий в единой модели), можно судить по масштабу и диапазону
ее предсказательной силы. Диапазон расстояний тех явлений, которые описывает
Стандартная модель, составляет величину 44-го порядка! Так что без всяких пре-
увеличений Стандартную модель можно назвать наивысшим достижением научной
мысли XX столетия. В последние десятилетия появились прямые указания на непол-
ноту этой великолепной модели (прежде всего практически доказано существование
так называемой темной материи).
Основные положения, на которые опирается Стандартная модель, включают
представления о фундаментальных частицах – кварках и лептонах; о калибровоч-
ных векторных полях, являющихся переносчиками основных сил природы – силь-
ных, слабых и электромагнитных; о фундаментальной группе калибровочной сим-
метрии. Важную роль в Стандартной модели играет принцип спонтанного наруше-
ния калибровочной симметрии электрослабых взаимодействий. Все перечисленные
положения и их следствия детально проверены. Они считаются незыблемыми эле-
ментами существующей теории. Исключение составляет лишь хиггсовский механизм
генерации масс элементарных частиц.
На основе спонтанного нарушения калибровочной симметрии при сохранении пе-
ренормируемости английский физик П. Хиггс предложил теоретический механизм
приобретения элементарными частицами массы. Механизм Хиггса [1] опирается на
предположение о существовании в природе фундаментального скалярного поля с
ненулевым значением в вакууме – своего рода моря, заполняющего в вакууме все
пространство и вызывающего появление массы у кварков, лептонов и промежуточ-
ных векторных бозонов. Однако механизм Хиггса еще ждет своего эксперименталь-
ного подтверждения, возможно, в экспериментах на Большом адронном коллайдере.
В обоснование Стандартной модели важнейший вклад внесли представители из-
вестных российских физических школ, таких как школы академиков В.А. Фока,
Л.Д. Ландау, Н.Н. Боголюбова, И.Е. Тамма и ряда других.
ЗАГАДКИ ВСЕЛЕННОЙ
Несмотря на достигнутую высокую степень понимания фундаментальных
свойств материи, перед наукой сегодня стоит множество неразрешенных проблем
и загадок. Часть их под условным названием «загадки Вселенной» имеет отноше-
ние к ранним стадиям, эволюции Вселенной:
• в каком состоянии была материя во Вселенной в первые мгновения после Боль-
шого взрыва?
• почему во Вселенной практически отсутствует антиматерия?
• из чего состоит так называемая темная материя?
• какова природа темной энергии?

48
В.А. Матвеев, А.Н. Сисакян, А.Н. Скринский
Сверхплотное состояние материи. Вопрос о фазовом состоянии материи за-
ставляет задуматься о том, каким было вещество сразу после Большого взрыва,
когда первые атомы, их ядра и составляющие ядер – протоны и нейтроны – еще не
успели сформироваться в сверхплотном и сверхперегретом сгустке материи. Такое
состояние вещества, похожее на электрон-ионную плазму, называют кварк-глюонной
плазмой, хотя теоретики иногда сравнивают это состояние с почти идеальной кван-
товой жидкостью. Считается, что в кварк-глюонной плазме кварки и глюонымо-
гут распространяться как свободные частицы. Предполагается, что в естественных
условиях кварк-глюонная плазма существовала в первые мгновения после Большого
взрыва.
Исследования этого нового состояния сильно взаимодействующей материи зани-
мают важное место в современной физике высоких энергий. Большие плотности ад-
ронной материи могут быть достигнуты при столкновении тяжелых атомных ядер,
ускоренных до высоких энергий.
Антиматерия. Одна из загадок эволюции Вселенной связана с причиной ее ба-
рионной асимметрии – наблюдаемым преобладанием вещества над антивеществом.
Академик А.Д. Сахаров, предлагая свой подход [2] к объяснению природыэтой
асимметрии, исходил из предположений о необратимости процесса эволюции Все-
ленной, наличии взаимодействия, которое нарушает закон сохранения барионного
числа, и нарушении фундаментальной симметрии, так называемой комбинирован-
ной CP-симметрии частиц, обусловленной изменением зарядовой и пространствен-
ной четностей частиц. В настоящее время в экспериментах с распадами тяжелых
мезонов ведутся детальные исследования СР-нарушения. Сверхточные измерения
параметров этого эффекта исключительно важныдля поиска возможного вклада в
CP-нарушение явлений за пределами Стандартной модели, а также для изучения
процессов формирования вещества на ранних стадиях эволюции Вселенной. В экс-
периментах на Большом адронном коллайдере предполагается продолжить иссле-
дования фундаментальных симметрий в мире элементарных частиц.
Темная материя. Не так давно установлен парадоксальный факт: лишь менее
5 % массыВселенной составляет обычная барионная материя. Невидимая же часть –
более 95 % материального мира – ассоциируется со скрытой темной материей (около
25 %) и темной энергией (до 70 %), физическая природа которых пока неизвестна.
Гравитационное поле в скоплениях галактик может быть измерено по эффекту
гравитационного линзирования, в соответствии с которым идущее от астрономиче-
ского объекта излучение отклоняется в гравитационном поле скопления галактик.
В данном случае гравитационное поле действует как линза, искривляя направление
распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная
линза. При этом на отклонение излучения влияют как обычная видимая материя,
так и скрытая – в этом смысле они идентичны. Кроме того, темная материя мо-
жет быть обнаружена при измерении скорости вращения удаленных звезд вокруг
галактик. Темная материя участвует в гравитационном взаимодействии так же, как
обычное вещество, барионная материя, но по отношению к другим взаимодействи-
ям, например сильному и электромагнитному, эта новая субстанция отличается от
уже известных нам форм материи.
Кандидатами в частицытемной материи считаются легчайшие, очень слабо взаи-
модействующие с обычной материей частицы-суперпартнеры, предсказанные супер-
симметричными моделями. Модель суперсимметрии возникла при попытках объ-
единить все фундаментальные силы природы в единую теорию. И очевидно, задача
поиска суперсимметрии имеет непосредственное отношение к проблемам современ-
ной космологии.

Большой адронный коллайдер
49
ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Еще одно множество неразрешенных пока проблем, назовем его «частицы и вза-
имодействия», касается самосогласованности теории частиц и взаимодействий:
• какова природа масс фундаментальных частиц?
• существуют ли дополнительные измерения в пространстве-времени и каким
образом они могут быть обнаружены?
• можно ли рассматривать все известные взаимодействия как различные прояв-
ления единого универсального взаимодействия?
• каков механизм нарушения симметрии частиц материи и антиматерии?
Возникновение массы частиц и поиск бозонов Хиггса. Как уже упоми-
налось выше, согласно Стандартной модели [3], фундаментальные частицы наде-
ляются массой благодаря механизму Хиггса в результате взаимодействия частиц с
одноименным полем [1–4]. Этот механизм предсказывает существование, как мини-
мум, еще одной дополнительной частицы– бозона Хиггса. Эта частица без спина с
массой более 100 ГэВ. Ее можно уподобить волне на поверхности «хиггсовского мо-
ря», заполняющего в вакууме все пространство. Чтобыэкспериментально подтвер-
дить гипотезу Хиггса о возникновении массычастиц, физики пытаются обнаружить
бозоныХиггса в их распадах на известные частицыСтандартной модели.
Объединение взаимодействий. Все фундаментальные взаимодействия обла-
дают общими свойствами: они передаются от одной частицык другой с помощью
частицы-переносчика взаимодействия и описываются схожими математическими
уравнениями. Этот факт позволяет физикам допускать существование некоего энер-
гетического масштаба, где все взаимодействия унифицируются, то есть становятся
едиными. Идея о единстве взаимодействий положена в основу теории Великого объ-
единения, в которой характерный масштаб энергии объединения взаимодействий до-
стигает
10
15
ГэВ, что значительно превышает энергетическую планку современных
ускорителей (
10
4
ГэВ). Неслучайно все экспериментальные доказательства справед-
ливости теории Великого объединения косвенные.
Рассматривая различные расширения и обобщения Стандартной модели, стоит
отметить так называемые суперсимметричные теории [5]. Суперсимметрия предпо-
лагает наличие в природе новой симметрии, которая связывает частицу, обладаю-
щую определенным спином, с другой частицей, спин которой отличается на вели-
чину 1/2 от спина первой. Другими словами, в суперсимметрии для каждого типа
бозона существует соответствующий тип фермиона
4
и наоборот. Такие парысу-
персимметричных частиц называют суперпартнерами. Гипотеза о суперпартнерах –
очень важный шаг в направлении объединения взаимодействий.
Для решения описанных выше проблем, на наш взгляд, необходимо:
• повышать энергию сталкивающихся частиц и светимость (производитель-
ность) установок – только в таких условиях можно исследовать редкие и «тон-
кие» явления (поэтому создание новых коллайдеров становится неизбежным);
• использовать поляризованные частицы;
4
Фермионы – частицы (античастицы) с полуцелым (в единицах постоянной Планка) спином.

50
В.А. Матвеев, А.Н. Сисакян, А.Н. Скринский
• расширять круг используемых для изучения взаимодействий частиц электро-
нов–позитронов, протонов–антипротонов, гамма-квантов, ядер, нейтрино, мю-
онов.
• разрабатывать новые более чувствительные и разнообразные средства для аст-
рофизических наблюдений.
Научная программа Большого адронного коллайдера является наиболее после-
довательной реализацией первого из перечисленных выше пунктов.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
Большой адронный коллайдер был задуман создателями как современный мощ-
ный физический прибор, позволяющий дать ответы на многие вопросы, поставлен-
ные физикой частиц. Эксперименты, для которых он предназначается, нацелены в
том числе на поиск бозона Хиггса и суперсимметричных партнеров – свидетельств
существования темной материи и темной энергии, а также справедливости Стан-
дартной модели; на исследование кварк-глюонной плазмы.
История Большого адронного коллайдера ведет начало с октября 1990 г., когда
на совещании в Аахене (Германия) руководители Европейского центра ядерных ис-
следований (ЦЕРН), в то время – К. Руббиа и Дж. Брианти, высказали предложение
соорудить в 27-километровом тоннеле действовавшего тогда электрон-позитронного
коллайдера ЦЕРНа протон-протонный ускоритель с энергией 16 ТэВ и светимостью
10
34
см
−2
с
−1
. Основой ускорителя должен был стать дипольный магнит, разрабо-
танный по типу «два в одном» (встречные пучки протонов удерживаются на орбите
с помощью одного магнита с двумя апертурами). Магнит был рассчитан на темпе-
ратуру 1,8 К (–271,2
0
С) и должен был обеспечивать магнитное поле 10 Тл. В 1994 г.
совет ЦЕРНа утвердил этот проект под названием «Большой адронный коллайдер»
с несколько измененными параметрами: магнитное поле – 8,33 Тл, полная энергия
в системе центра масс – 14 ТэВ (энергия каждого из ускоренных пучков – 7 ТэВ).
Сразу после утверждения проекта в рамках межправительственных соглашений,
заключенных ЦЕРНом со многими странами, включая Россию, США, Японию, Ин-
дию, Китай, ряд государств бывшего Советского Союза, началось совместное соору-
жение Большого адронного коллайдера на территории и под эгидой Европейского
центра ядерных исследований со штаб-квартирой в Женеве. Около 20 % вклада в
стоимость коллайдера и детекторов пришлись на долю стран, не являющихся чле-
нами ЦЕРНа, в первую очередь на Россию, США и Японию.
Заметим, что в реализации проекта Большого адронного коллайдера отражают-
ся характерные особенности современной физики частиц. Эта область естествозна-
ния в наши дни, как никогда ранее, имеет ярко выраженный интернациональный
характер, поскольку интегрирует национальные программы развитых стран мира.
Ведь критическая проверка предсказаний существующих теорий, поиск и открытие
новых фундаментальных частиц и закономерностей на недостижимом ранее уровне
проникновения в глубь материи требуют предельно возможных ныне значений энер-
гии, чувствительности приборов, колоссальных объемов экспериментальных данных
и скорости их обработки в режиме реального времени. Решение столь сложных задач
по плечу лишь большим международным коллаборациям ученых, специалистов во
многих областях науки и техники, обладающим значительными интеллектуальными
и материальными ресурсами и современными промышленными технологиями.
Большой адронный коллайдер – это 27-километровое кольцо, пробитое на 100-
метровой глубине в толще горных пород. Между двумя горными массивами – Юр-
скими горами и Альпами – под территорией Швейцарии и Франции расположилась

Большой адронный коллайдер
51
цепь ускорителей, где последовательно разгоняются частицыдо скорости, близкой
к скорости света. В кольце подземного тоннеля они достигают 11 тыс. оборотов
в секунду. Удерживают частицы встречных пучков двухапертурные сверхпроводя-
щие магнитыускорителя – коллайдера. Каждый сверхпроводящий диполь – один
из элементов системысверхпроводящих магнитов – весит около 25 т и имеет длину
15 м. Он может работать только при сверхнизкой температуре в 1,8 К, для чего
охлаждается жидким сверхтекучим гелием. Включаясь в работу, такой сверхпро-
водящий магнит создает поле величиной более 8 Тл. А всего диполей в системе
магнитов коллайдера 1236. Эту систему дополняют еще 860 квадруполей и более 6
тыс. корректирующих магнитов. Очень важную часть комплекса составляют четы-
ре детектора – огромные и сложнейшие сооружения, позволяющие анализировать
образующиеся в результате столкновений потоки частиц.
Большинство экспериментов по физике частиц теперь выполняется на ускорите-
лях частиц высоких энергий, в том числе на ускорителях со встречными пучками
частиц, которые и называются коллайдерами. Энергия каждого из пучков частиц
может достигать огромной величины, несколько тераэлектронвольт. Вся эта энергия
во время столкновения концентрируется в микроскопическом объеме, что приводит
к гигантским ее плотностям и множественному рождению частиц, среди которых
могут появиться и новые, ранее еще неизвестные. При подобных огромных плот-
ностях энергии воссоздаются (в малом объеме, конечно) условия для протекания
процессов, которые невозможны сейчас на Земле, но в изобилии могли случаться во
Вселенной на ранних стадиях ее возникновения.
Для регистрации сигналов от физических процессов (реакций), протекающих
во время столкновения частиц, используются сложнейшие детекторы. Современные
экспериментальные установки представляют собой комбинацию нескольких детек-
торов и достигают индустриальных масштабов – размеров в десятки метров и веса
в тысячи тонн. Потоки информации, поступающей в непрерывном режиме с детек-
торов, огромны. В экспериментах на ускорителях работают большие коллективы
физиков и инженеров из разных стран. Этого требует уникальный характер физи-
ческих установок, которых зачастую насчитывается одна-две на весь мир. Экспе-
риментына таких установках продолжаются долго, чтобыв максимальной степени
использовать их потенциал. Поэтому сам характер работыв современной физике
частиц сопряжен с широким международным сотрудничеством.
Для проведения экспериментов на Большом адронном коллайдере международ-
ными коллективами физиков были созданы четыре уникальные экспериментальные
установки – детекторычастиц ATLAS (A Toroidal Large hadron collider Apparatus),
ALICE (A Large Ion Collider Experiment), CMS (Compact Muon Solenoid) и LHCb
(The Large Hadron Collider beauty experiment). В научных коллаборациях, объеди-
нившихся для работына этих детекторах, участвуют ученые и инженерыиз полу-
тора сотен институтов более чем 30 стран мира.
Солиден не только вес и размер самих конструкций установок, измеряемый в
тоннах и метрах, но и научно-техническое наполнение их современными детектиру-
ющими элементами. Как известно, в одном столкновении двух сгустков протонов
происходят десятки событий, а в каждом событии рождаются тысячи частиц.
Экспериментальные установки должны быть способны зафиксировать «портрет»
события, определив траектории частиц, их типы, заряды, энергию. В нормальном
режиме работывсех четы
рех установок Большого адронного коллайдера поток
информации столь огромен, что собрать и переработать такой объем информации
невозможно обычными средствами. Представляется практически нереальным

52
В.А. Матвеев, А.Н. Сисакян, А.Н. Скринский
производить запись первичной экспериментальной информации, полученной, на-
пример, за один год работыускорителя, на компакт-диски. Для обработки данных
детекторов Большого адронного коллайдера создана глобальная международная
вычислительная сеть на основе передовых GRID-технологий.
УЧАСТИЕ РОССИЙСКИХ УЧЕНЫХ В ПРОЕКТЕ БОЛЬШОГО АДРОННОГО
КОЛЛАЙДЕРА
На всех уровнях руководящих органов ЦЕРНа постоянно подчеркивается, что
вклад ученых и специалистов, институтов и предприятий России, а также неко-
торых республик постсоветского пространства в разработку и реализацию проек-
та Большого адронного коллайдера исключительно велик. Это касается не только
материально-технического обеспечения ряда ключевых позиций, но также исполь-
зования передовых идей и достижений в физике и технике ускорителей. Неслучай-
но две улицыЦЕРНа носят имена российских ученых, внесших основополагающий
вклад в мировую ускорительную науку, – академиков В.И. Векслера и Г.И. Будкера.
К счастью для физики, накопленный в СССР технологический и интеллектуаль-
ный потенциал, несмотря на трудные годы политических и экономических преобра-
зований, в значительной степени сохранился в России и других странах – бывших
республиках Советского Союза. И это одна из важных предпосылок эффективного
научного и технического вклада физиков России, стран – членов Объединенного ин-
ститута ядерных исследований (ОИЯИ) в проект Большого адронного коллайдера.
Ведущие научные центры России – Институт ядерной физики им. Г.И. Будке-
ра СО РАН, Институт ядерных исследований РАН, Петербургский институт ядер-
ной физики им. Б.П. Константинова РАН, Физический институт им. П.Н. Лебедева
РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики вы-
соких энергий, РНЦ «Курчатовский институт», Институт теоретической и экспе-
риментальной физики, РФЯЦ «Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики», РФЯЦ «Всероссийский научно-исследовательский ин-
ститут технической физики», Научно-исследовательский институт ядерной физики
им. Д.В. Скобельцына, МГУ, Объединенный институт ядерных исследований (коор-
динирующий деятельность ученых и специалистов из 18 стран – участниц ОИЯИ) –
эффективно включились в реализацию проекта – как в сооружение самого уско-
рителя, так и в создание экспериментальных установок, дополняющих друг друга
и в отношении решаемых задач, и в использовании экспериментальных методик и
технологий.
Реализация проекта «Большой адронный коллайдер» пришлась на самые труд-
ные для российской экономики времена. Тем не менее, благодаря устремлениям рос-
сийских физиков и усилиям Миннауки России, по распоряжению Правительства
Российской Федерации 24 июня 1996 г. был подписан протокол об участии в этом
проекте – приоритетном и глобальном научном проекте на рубеже XX и XXI вв. С
1997 по 2007 гг. российские научно-производственные центры выполнили огромный
объем работ по созданию и изготовлению необходимого оборудования для ускори-
теля и четырех экспериментальных установок-детекторов ATLAS, CMS, ALICE и
LHCb. Регулярное финансирование сооружения ускорителя и детекторов началось
в 1997 г. по распоряжению Правительства Российской Федерации от 22 мая 1996 г.
Этот документ предусматривал выделять в то время из бюджета Миннауки России
ежегодно 6 млн долл. (в рублевом эквиваленте) в течение 10 лет.

Большой адронный коллайдер
53
Для обеспечения передачи, обработки и анализа экспериментальных данных с
2000 г. начались работыпо созданию мировой распределенной вычислительной си-
стемына основе новейших технологий, получившей название GRID (решетка) [6, 7].
В этой сети нового поколения участвуют более сотни научных центров мира, ра-
ботают десятки тысяч компьютеров и хранится более 5 Пбайт научных данных (в
основном результатымоделирования будущих экспериментов на Большом адронном
коллайдере).
Научные центры России и стран – участниц ОИЯИ с самого начала активно
участвуют в освоении и развитии GRID-технологий. Наращиваются компьютерные
мощности и каналысвязи, создана разветвленная структура, объединяющая ком-
пьютерные центры ЦЕРНа с вычислительными комплексами научных центров ве-
дущих стран мира и обеспечивающая российским физикам доступ практически к
неограниченным мировым компьютерным ресурсам. Таким образом, выстраивается
система, которая позволяет получить полноценный, равноправный доступ к обра-
ботке гигантских массивов экспериментальных данных.
Перечислим основной вклад физических центров России в создание Большого
адронного коллайдера. СпециалистыИнститута ядерной физики СО РАН разра-
ботали, изготовили, установили в ЦЕРНе и наладили 360 диполей, 180 квадрупо-
лей для магнитов коллайдера, сверхвысоковакуумное оборудование, электронный
охладитель тяжелых ионов и множество другой высокотехнологичной аппаратуры
суммарным весом около 5000 т. В каналах перепуска Большого адронного коллай-
дера, созданных новосибирцами, пробный пучок дошел до нужной точки «с первого
выстрела».
Институт физики высоких энергий сдал «под ключ» 45 магнитов для системы
инжекции пучка на Большом адронном коллайдере.
СпециалистыИнститута ядерных исследований РАН и ОКБ им. В.М. Мясищева
создали прецизионные кассеты из композитных материалов с уникальными механи-
ческими свойствами.
По инициативе и при участии Петербургского института ядерной физики РАН
ЦНИИ «Электрон» изготовил радиационностойкие и нечувствительные к магнит-
ному полю фотоприемники.
Сотрудники Института физики высоких энергий, ОИЯИ и Научно-исследова-
тельского и конструкторского института энерготехники им. Н.А. Доллежаля разра-
ботали систему торцевых калориметров детектора CMS.
ВНИИ технической физики совместно с Институтом теоретической и экспери-
ментальной физики наладил технологию диффузионной сварки профилированных
стальных пластин в монолитные блоки для изготовления поглотителя переднего
адронного калориметра детектора CMS.
Большую роль в сложившемся международном разделении труда сыграли про-
мышленные предприятия России. Богородицкий завод техно-химических изделий
(Тульская обл.) изготовил сложные кристаллические детекторы из вольфрамата
свинца для электромагнитного калориметра.
Усилиями специалистов НПО «Машиностроитель» (г. Пермь) по инициативе
Московского инженерно-физического института при участии Петербургского инсти-
тута ядерной физики РАН и ОИЯИ разработана технология изготовления опорных
колец из углепластика для трекового детектора переходного излучения установки
ATLAS.
Сотрудники РНЦ «Курчатовский институт» активно участвовали в организации
массового производства кристаллов вольфрамата свинца для детектора ALICE.

54
В.А. Матвеев, А.Н. Сисакян, А.Н. Скринский
Еще на этапе разработки концептуальных проектов установок ATLAS, CMS и
ALICE сотрудники ОИЯИ внесли важный вклад в выбор технологий, изготовление
и испытания прототипов детекторов. Ими созданы камеры мюонного спектромет-
ра, жидкоаргонового и сцинтилляционного адронного калориметра для детектора
ATLAS, изготовленыбольшой дипольный магнит, дрейфовые камеры детектора пе-
реходного излучения, фотонного спектрометра на основе кристаллов вольфрамата
свинца для детектора ALICE. Детектор CMS благодаря работам, проведенным кол-
лаборацией российских институтов и научных организаций в странах – участницах
ОИЯИ, был оснащен торцевыми адронными калориметрами, катодными стриповы-
ми камерами переднего мюонного спектрометра и предливневым детектором элек-
тромагнитного калориметра.
Научно-организационная и экономическая эффективность участия России в
международном мегапроекте «Большой адронный коллайдер» чрезвычайно высо-
ка. Во-первых, в тяжелой ситуации 1990-х годов научно-техническое сотрудничество
с ЦЕРНом позволило поддержать отечественный научный потенциал. Во-вторых,
российские ученые и инженеры получили доступ к уникальному дорогостоящему
оборудованию и самым современным компьютерным технологиям.
Очевидно, что результатымеждународного сотрудничества в области физики
частиц будут использоваться для развития не только научных исследований и высо-
ких технологий, но и других приоритетных направлений в силу своей масштабности
и универсальности. Очевидно, однако, и то, что стратегически успешное развитие
физической науки в России, привлечение в науку талантливой молодежи, прекра-
щение «утечки умов» невозможно без реализации крупных «домашних» проектов,
прежде всего проектов масштабных исследовательских установок. К ним, например,
относится программа по физике элементарных частиц, разработанная в рамках про-
екта c-tau фабрики в Новосибирске [6], проект создаваемого в ОИЯИ коллайдера
NICA [7], способного обеспечить нашей стране лидерство в области физики тяжелых
ионов высоких энергий, и крупнейший в мире линейный коллайдер ILC [8], за право
строить который в России борется ОИЯИ. Важным направлением в современной
физике микромира должнытакже стать «домашние» программынеускорительных
экспериментов.
ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
К разгадке тайн Вселенной и природыматерии можно двигаться разными путя-
ми. Добившись максимально возможного в теперешних условиях повышения энер-
гии сталкиваемых частиц, ЦЕРН стал лидером в физике сверхвысоких энергий. Но
увеличение энергии ускорителей – не единственный путь к цели. Повышение свети-
мости ускорителей средних энергий, расширение спектра используемых в экспери-
ментах частиц, развитие неускорительных методов в физике микромира и астрофи-
зике – все это чрезвычайно перспективные направления исследования природы.
Физики и специалистыроссийских научных центров и Объединенного институ-
та ядерных исследований вместе со своими зарубежными коллегами трудятся над
созданием новой экспериментальной базыв области физики элементарных частиц
и тяжелых ионов в широком диапазоне энергий, а также изучением наноструктур
нейтронными источниками. Это еще один пример тесного международного сотруд-
ничества ученых, которое должно быть «обоюдоострым» и взаимовыгодным.

55
Список литературы
[1] Higgs P. Broken symmetries, massless particles and gauge fields // Phys. Lett. 1964.
Vol. 12. P. 132.
[2] Сахаров А.Д. Нарушение CP-инвариантности. С-асимметрия и барионная асим-
метрия Вселенной // Письма ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32.
[3] Козлов Г.Л., Красников Н.В., Матвеев В.А. Введение в Стандартную модель –
основу современных представлений о строении материи // В глубь материи. Фи-
зика XXI века глазами создателей экспериментального комплекса на Большом
адронном коллайдере в Женеве. М.: Этерна, 2009. С. 319.
[4] Вайнберг С. Идейные основы единой теории слабых и электромагнитных взаи-
модействий // Успехи физических наук. 1980. Т. 132. С. 201.
[5] Ellis J. The superstring: theory of everything, or of nothing? // Nature. 1986.
Vol. 323. P. 595.
[6] Skrinsky A. INP Studies for Tau/Charm Factory // SLAC Proceedings. 1994. № 451.
[7] The Project of Tau-charm factory with crab waist in Novosibirsk / Blinov A. [et al] //
ICFA Beam Dyn. Newslett. 2009. Vol. 48. P. 268-279.
[8] Sissakian A.N., Sorin AS., Toneev V.D. Search for a mixed quark-hadron phase of
QCD matter at the JINR Nuclotron // Phys. Part. Nucl. 2008. Vol. 39. P. 1062.
[9] Skrinsky A.N. Accelerator prospects for high energy physics. Report on 33d ICHEP,
Moscow, 2006 // World Scientific. Vol. 1. P. 175 / ed. by A. Sissakian, G. Kozlov,
E. Kolganova. Singapore, 2006.
THE LARGE HADRONIC COLLIDER – A NEW WAY
TO COGNITION OF MATTER
c 2010 V.A. Matveev
5
, A.N. Sisakyan
6
, F.N. Skrinskiy
7
Abstract
As deepening into the structure of matter that surrounds us, a human being
reveals more new mysteries and unknown phenomena. Some mysteries have been
solved, but there are still some unresolved questions. The next step to achieving new
knowledge will probably be possible with the Large Hadronic Collider constructed
by the international team of scientists and engineers in European Center for Nuclear
Research (CERN) (Geneva, Switzerland). The Large Hadronic Collider is a great
embodiment of progressive scientific and engineering thought.
5
Matveev Viktor Anatolievich, academician, director of the Institute for Nuclear Research of the
Russian Academy of Sciences, 117312, Moscow, pr. 60-letiya Oktyabrya, 7a, Russian Federation; e-mail:
matveev@inr.ac.ru.
6
Sisakyan Alexey Norayrovich, academician, director of Joint Institute for Nuclear Research, 141980,
Moscow region, Dubna, st. Joliot-Curie 6, Russian Federation; e-mail: sisakyan@jinr.ru.
7
Skrinskiy Alexander Nikolaevich, academician, director of Budker Institute for Nuclear Research of
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentyev, 11,
Russian Federation; e-mail: a.n.skrinsky@inp.nsk.su.

56
Òåîðåòè÷åñêàÿ Ôèçèêà, 11, 2010 ã.
ÑÎÒÐÓÄÍÈ×ÅÑÒÂΠÌÅÆÄÓÍÀÐÎÄÍÛÕ
ÎÐÃÀÍÈÇÀÖÈÉ  ÅÂÐÎÏÅÉÑÊÎÃΠÖÅÍÒÐÀ ßÄÅÐÍÛÕ
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÉ (ÖÅÐÍ) Â ÆÅÍÅÂÅ È
ÎÁÚÅÄÈÍÅÍÍÎÃΠÈÍÑÒÈÒÓÒÀ ßÄÅÐÍÛÕ
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÉ (ÎÈßÈ) Â ÄÓÁÍÅ
c 2010 À.Í. Ñèñàêÿí
1
Àííîòàöèÿ
Àíàëèçèðóþòñÿ íåêîòîðûå îñîáåííîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ ìåæäóíàðîä-
íûõ îðãàíèçàöèé  Åâðîïåéñêîãî öåíòðà ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé (ÖÅÐÍ) â Æå-
íåâå è Îáúåäèíåííîãî èíñòèòóòà ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé (ÎÈßÈ) â Äóáíå.
Ñîòðóäíè÷åñòâî ÎÈßÈ è ÖÅÐÍà ñòàðòîâàëî ñðàçó ïîñëå ó÷ðåæäåíèÿ ýòèõ îðãà-
íèçàöèé, òî åñòü áîëåå 50 ëåò íàçàä. Îíî îñíîâàíî íà òðåõ îáñòîÿòåëüñòâàõ. Ïåðâîå 
èñòîðè÷åñêè âîçíèêøàÿ âçàèìíàÿ äîïîëíÿåìîñòü íàó÷íûõ ïðîãðàìì, ðåàëèçóåìûõ
â ýòèõ îðãàíèçàöèÿõ; âòîðîå  çàèíòåðåñîâàííîñòü ñòðàí  ó÷àñòíèö ÎÈßÈ, íàðÿ-
äó ñ ïðÿìûìè êîíòàêòàìè, â ñîçäàíèè îáúåäèíåííûõ êîëëåêòèâîâ äëÿ ó÷àñòèÿ â
êðóïíûõ áàçîâûõ ïðîåêòàõ, â òîì ÷èñëå â ïðîåêòàõ ÖÅÐÍà; òðåòüå  òðàäèöèîí-
íîå âíèìàíèå îáåèõ îðãàíèçàöèé ê îáðàçîâàòåëüíûì ïðîãðàììàì. Îáðàçîâàòåëüíàÿ
òðàäèöèÿ íåñêîëüêî ñèëüíåå ðàçâèòà â Äóáíå, ÷åì â Æåíåâå. Ñàìàÿ èçâåñòíàÿ èç
îáðàçîâàòåëüíûõ ïðîãðàìì, êîòîðàÿ ðåàëèçóåòñÿ ñîâìåñòíî,  ýòî ñóùåñòâóþùàÿ
áîëåå 40 ëåò øêîëà ÖÅÐÍà  ÎÈßÈ äëÿ ìîëîäûõ ôèçèêîâ.
Ýêñïåðèìåíòû íà Áîëüøîì àäðîííîì êîëëàéäåðå íàöåëåíû íà óñòðàíåíèå ¾áå-
ëûõ ïÿòåí¿ â ôèçèêå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Îñîáî âûäåëþ ôèçèêó òÿæåëûõ èîíîâ.
Ýòî íàïðàâëåíèå âî ìíîãîì îáÿçàíî ñâîèì âîçíèêíîâåíèåì ó÷åíûì èç Äóáíû 
ôèçèêàì-òåîðåòèêàì, âîñïèòàííèêàì øêîë Í.Í. Áîãîëþáîâà è Ì.À. Ìàðêîâà, ïðåæ-
äå âñåãî À.Ì. Áàëäèíó, Â.À. Ìàòâååâó è À.Í. Òàâõåëèäçå è èõ êîëëåãàì. Èìåí-
íî ôèçèêà òÿæåëûõ èîíîâ, èëè ðåëÿòèâèñòñêàÿ ÿäåðíàÿ ôèçèêà, êàê íàçûâàë åå
À.Ì. Áàëäèí,  îñíîâà ïðîãðàììû ALICE è ôðàãìåíòàðíî ïðèñóòñòâóåò â ïëàíàõ
ðàáîòû äðóãèõ óñòàíîâîê Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà.
Ãëàâíàÿ öåëü ïðîãðàììû ALICE  èçó÷åíèå êâàðê-ãëþîííîé ìàòåðèè, èëè êâàðê-
ãëþîííîé ïëàçìû. Îíà ñóùåñòâîâàëà â ïåðâûå ìãíîâåíèÿ ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà,
â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ïðîèçîøëà íàøà Âñåëåííàÿ. Â êâàðê-ãëþîííîé ïëàçìå èç-çà
áîëüøèõ ñêîðîñòåé íå ìîãëè ôîðìèðîâàòüñÿ ïðîòîíû, íåéòðîíû è äðóãèå ÷àñòèöû.
 ýêñïåðèìåíòàõ íà óñòàíîâêå ALICE ïëàíèðóåòñÿ âîñïðîèçâåñòè óñëîâèÿ ñóùåñòâî-
âàíèÿ êâàðê-ãëþîííîé ìàòåðèè. Øàíñû íà óñïåõ âåñüìà âûñîêè, ïîñêîëüêó ¾ëîá
â ëîá¿ áóäóò ñòàëêèâàòüñÿ èîíû ñâèíöà ïðè î÷åíü âûñîêèõ ýíåðãèÿõ. Ïðîãðàììà
ALICE îöåíèâàåòñÿ ïðèìåðíî â 25 ìëí øâåéöàðñêèõ ôðàíêîâ è ïðîâîäèòñÿ â òåñ-
íîì ñîòðóäíè÷åñòâå ñ ðîññèéñêèìè èíñòèòóòàìè è ìåæäóíàðîäíûì Îáúåäèíåííûì
èíñòèòóòîì ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé.
 ðåàëèçàöèþ ïðîåêòà Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà âîâëå÷åíî áîëåå 530 ñïå-
öèàëèñòîâ èç Äóáíû, 200 èç íèõ  ïðåäñòàâèòåëè ñòðàí  ó÷àñòíèö ÎÈßÈ. Îíè ïðè-
íèìàëè ó÷àñòèå â ðàçðàáîòêå íàó÷íîé ïðîãðàììû Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäå-
ðà è êîíöåïòóàëüíûõ ïðîåêòîâ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñòàíîâîê. Çíà÷èòåëüíûé âêëàä
âíåñëè â ñîçäàíèå è èçãîòîâëåíèå ñèñòåìû ïîäàâëåíèÿ ïîïåðå÷íûõ êîëåáàíèé ïó÷êà
1
Ñèñàêÿí Àëåêñåé Íîðàéðîâè÷, àêàäåìèê, äèðåêòîð Îáúåäèíåííîãî èíñòèòóòà ÿäåðíûõ èññëåäî-
âàíèé, 141980, Ìîñêîâñêàÿ îáë., ã. Äóáíà, óë. Æîëèî Êþðè, 6, Ðîññèéñêàÿ Ôåäåðàöèÿ; ýëåêòðîííàÿ
ïî÷òà: sisakyan@jinr.ru.

Ñîòðóäíè÷åñòâî ìåæäóíàðîäíûõ îðãàíèçàöèé
57
óñêîðèòåëÿ, âûïîëíèëè âåñüìà òî÷íûå ðàñ÷åòû ìàãíèòíûõ ïîëåé è ñèë, ÷òî êðàéíå
âàæíî ïðè ñîçäàíèè ìàãíèòíûõ ñèñòåì ñ ìîùíûìè ïîëÿìè ïðè êîëîññàëüíûõ ðàç-
ìåðàõ óñòàíîâîê.
Ê îñóùåñòâëåíèþ ïðîåêòà Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà áûëà ïðèâëå÷åíà
ïðîìûøëåííîñòü íå òîëüêî Ðîññèè, íî è ñòðàíó÷àñòíèö ÎÈßÈ. Ìèíñêèé çàâîä
¾Îêòÿáðüñêàÿ ðåâîëþöèÿ¿, îïûòíîå ïðîèçâîäñòâî ÎÈßÈ, çàâîä â Òâåðñêîé îáëà-
ñòè, ÎÀΠ¾Ñàâåëîâñêèé ìàøèíîñòðîèòåëüíûé çàâîä¿ ïîëó÷èëè ñïåöèàëüíûå ïðèçû
çà âêëàä â ñîçäàíèå Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà.
Îòìå÷ó êîìïëåìåíòàðíîñòü íàó÷íûõ ïðîãðàìì ÖÅÐÍà è ÎÈßÈ. ÖÅÐÍ ñåãî-
äíÿ  ýòî â îñíîâíîì ôèçèêà ñâåðõâûñîêèõ ýíåðãèé, ÎÈßÈ  ôèçèêà òÿæåëûõ èîíîâ
â øèðîêîì äèàïàçîíå ýíåðãèé  è ìàëûõ, ãäå îñóùåñòâëÿåòñÿ ñèíòåç ñâåðõòÿæåëûõ
ýëåìåíòîâ, è áîëüøèõ, ãäå âîçìîæíû ïðîÿâëåíèÿ êâàðê-ãëþîííîé ìàòåðèè è èçó÷å-
íèå íàíîñòðóêòóð ñ ïîìîùüþ íåéòðîííûõ èñòî÷íèêîâ.
Äîëæåí çàìåòèòü, ÷òî â ïîãîíå çà âûñîêèìè ýíåðãèÿìè èîíîâ íåèçó÷åííîé îñòà-
ëàñü îáëàñòü ýíåðãèé îêîëî äåñÿòêà ìèëëèàðäîâ ýëåêòðîíâîëüò (â ñèñòåìå öåíòðà
ìàññ), à ýòà îáëàñòü îêàçàëàñü î÷åíü èíòåðåñíîé. Äåëî â òîì, ÷òî ïîâûøåíèå ýíåðãèè
äî êàêîãî-òî îïðåäåëåííîãî ìîìåíòà ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ áàðèîííîé ïëîòíîñòè,
ïîñëå ÷åãî íà÷èíàåòñÿ åå óìåíüøåíèå, òî åñòü ïðè î÷åíü âûñîêèõ ýíåðãèÿõ íå óäà-
åòñÿ èññëåäîâàòü ñèñòåìû ñ íàèáîëüøåé áàðèîííîé ïëîòíîñòüþ. Ïðèâåäó ãðóáóþ
àíàëîãèþ. Íàïðèìåð, ñìåøàííóþ ôàçó ¾âîäà-ïàð¿ ïðè íîðìàëüíîì äàâëåíèè ìîæ-
íî èçó÷àòü ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 100°Ñ è áåññìûñëåííî ïðè òåìïåðàòóðå 1000°Ñ.
Òàêèì îáðàçîì, âûÿâëåíî ¾áåëîå ïÿòíî¿ â îáëàñòè îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèõ ýíåðãèé
ïðè èçó÷åíèè êâàðê-ãëþîííûõ ñâîéñòâ ìàòåðèè. Èññëåäîâàòü åãî ïðåäïîëàãàåòñÿ â
ðàìêàõ íåìåöêîãî ïðîåêòà FAIR, â êîòîðîì ïðèíèìàþò ó÷àñòèå ñîòðóäíèêè ÎÈßÈ
è ðîññèéñêèõ ôèçè÷åñêèõ öåíòðîâ, à òàêæå íà êîëëàéäåðå NICA, ñîîðóæàåìîì â
Äóáíå. Ýòî áîëåå êîìïàêòíàÿ ïî âñåì ïàðàìåòðàì áàçîâàÿ óñòàíîâêà, ÷åì Áîëü-
øîé àäðîííûé êîëëàéäåð. Íà ýòàïå ïëàíèðîâàíèÿ ïðîåêò NICA ïîëó÷èë ïîääåðæ-
êó Îòäåëåíèÿ ôèçè÷åñêèõ íàóê ÐÀÍ è ïðåçèäåíòà ÐÀÍ àêàäåìèêà Þ.Ñ. Îñèïîâà,
çàòåì áûë îäîáðåí ìåæäóíàðîäíûì Ó÷åíûì ñîâåòîì ÎÈßÈ, Êîìèòåòîì ïîëíîìî÷-
íûõ ïðåäñòàâèòåëåé ïðàâèòåëüñòâ ñòðàí  ó÷àñòíèö ÎÈßÈ è âêëþ÷åí â ïðîãðàììó
ðàçâèòèÿ èíñòèòóòà íà 20102016 ãã.
Ó÷àñòèå â êðóïíûõ ïðîåêòàõ ïîìîãàåò ñîõðàíèòü íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé è ïðîìûø-
ëåííûé ïîòåíöèàë. Â 1990-å ãîäû Ðîññèÿ è ñòðàíû ÑÍÃ, ñòàâøèå ó÷àñòíèêàìè ïðî-
åêòà ¾Áîëüøîé àäðîííûé êîëëàéäåð¿, ïîëó÷èëè óíèêàëüíóþ âîçìîæíîñòü áûòü íà
ïåðåäîâîì ðóáåæå íàóêè. Òîãäà ýòà âîçìîæíîñòü áûëà î÷åíü íåòðèâèàëüíîé.
Ñåé÷àñ â ïîâåñòêå äíÿ Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà  ôèçè÷åñêèå ýêñïåðè-
ìåíòû. Äëÿ òîãî ÷òîáû áûòü âîñòðåáîâàííûìè â ýòèõ ýêñïåðèìåíòàõ, íàäî èìåòü
ñîáñòâåííóþ ñîâðåìåííóþ óñêîðèòåëüíóþ áàçó. Èíòåðåñíûå èäåè óñêîðèòåëåé åñòü
â Èíñòèòóòå ôèçèêè âûñîêèõ ýíåðãèé, â Èíñòèòóòå ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé è â Èí-
ñòèòóòå ÿäåðíîé ôèçèêè èì. Ã.È. Áóäêåðà. Â ÎÈßÈ â 2010 ã. çàêîí÷èëàñü ìîäåð-
íèçàöèÿ íóêëîòðîíà (íóêëîòðîí-Ì)  ïåðâîãî ýòàïà ïðîåêòà NICA. Ýòî ïîçâîëÿåò
íà÷àòü ïîèñê ñèãíàëîâ î ñóùåñòâîâàíèè ñìåøàííîé ôàçû êâàðê-ãëþîííîé è àäðîí-
íîé ìàòåðèè, ïðîÿâëåíèé äåêîíôàéíìåíòà è âîññòàíîâëåíèÿ êèðàëüíîé ñèñòåìû.
ß ãëóáîêî óáåæäåí â òîì, ÷òî ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî äîëæíî áûòü íà-
ïðàâëåíî íà ðàçðàáîòêó ïàðòíåðñêèõ ïðîãðàìì, çàêëþ÷åíèå ñîãëàøåíèé î ñîâìåñò-
íîé ðàáîòå ñ ó÷åòîì âçàèìíîé çàèíòåðåñîâàííîñòè ñòîðîí, èìåÿ â âèäó óêðåïëåíèå è
¾äîìàøíåé¿ ðîññèéñêîé íàó÷íîé áàçû. Â ýòîé ñâÿçè ìíå êàæåòñÿ óìåñòíûì ïðèâåñòè
öèòàòó èç ðå÷è ãåíåðàëüíîãî äèðåêòîðà ÖÅÐÍà Ë. Ìàéàíè: ¾Â ÖÅÐÍå ìû âûñîêî
öåíèì êëþ÷åâóþ ðîëü Äóáíû, êîòîðóþ îíà èãðàåò áëàãîäàðÿ ñâîåìó ñîáñòâåííîìó

58
..
îïûòó è ðåñóðñàì, à òàêæå ðåøàþùèé âêëàä, ñäåëàííûé óñèëèÿìè ñòðàí-ó÷àñòíèö,
â ñîçäàíèå Áîëüøîãî àäðîííîãî êîëëàéäåðà¿. Ýòîò óíèêàëüíûé îïûò ïðèñóù âñåì
ðîññèéñêèì ôèçè÷åñêèì öåíòðàì. Äóìàþ, îí äîëæåí íàéòè äîñòîéíîå ïðèìåíåíèå
â íàøåé ðàáîòå íå òîëüêî çà ãðàíèöåé, íî è â Ðîññèè.
COOPERATION OF INTERNATIONAL ORGANIZATIONS –
EUROPEAN CENTER FOR NUCLEAR RESEARCH
(GENEVA) AND JOINT INSTITUTE FOR NUCLEAR
RESEARCH (DUBNA)
c 2010 A.N. Sisakyan
2
Abstract
Some aspects of international organizations cooperation - European Center for
Nuclear Research (Geneva) and Joint Institute for Nuclear Research (Dubna) are
analyzed. The founders of Joint Institute for Nuclear Research were the Russian
Academy of Sciences and the Ministry of mechanical engineering of the USSR.
2
Sisakyan Alexey Norayrovich, academician, director of Joint Institute for Nuclear Research, 141980,
Moscow region, Dubna, st. Joliot-Curie 6, Russian Federation; e-mail: sisakyan@jinr.ru.

Теоретическая Физика, 11, 2010 г.
59
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В
НИИЯФ МГУ
c 2010 Э.Э. Боос
1
, В.И. Саврин
2
Аннотация
Статья посвящается 20-летию образования отдела теоретической физики
высоких энергий НИИЯФ МГУ. Излагаются история создания и основные на-
правления исследований Отдела. Особенно отмечаются творческие связи со-
трудников отдела с российскими и зарубежными научными центрами и уни-
верситетами.
В 1990 г. на основе нескольких теоретических лабораторий и групп в Научно-
исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского
государственного университета им. М.В. Ломоносова был создан отдел теоретиче-
ской физики высоких энергий (ОТФВЭ) с целью объединения усилий теоретиков
для решения задач современной физики элементарных частици выполнения работ
в рамках государственной научно-технической программы «Физика высоких энер-
гий».
Отдел включает в себя три лаборатории: лабораторию аналитических вычисле-
ний в физике высоких энергий (ЛАВФВЭ, зав. лаб. д-р физ.-мат. наук В.А. Ильин),
лабораторию теории фундаментальных взаимодействий (ЛТФВ, зав. лаб. д-р физ.-
мат. наук, профессор физического факультета МГУ Э.Э. Боос) и лабораторию тео-
рии поля (ЛТП, зав. лаб. д-р физ.-мат. наук, профессор В.Е. Троицкий).
Основная тематика отдела связана с физикой элементарных частици физи-
кой высоких энергий, с одним из наиболее быстро развивающихся во всем мире
направлений исследований в области физики. Цель этих исследований – получе-
ние знаний о самых фундаментальных свойствах материи на расстояниях порядка
10
−16
− 10
−17
см и меньше.
Перед физикой высоких энергий и теоретической физикой высоких энергий в
частности сегодня стоит целый ряд нерешенных проблем. Стандартная модель (СМ),
с одной стороны, весьма успешно, в ряде случаев на уровне точности 0,1 %, описыва-
ет существующие экспериментальные данные, однако, с другой стороны, имеет ряд
внутренних проблем, как, например, проблема иерархии масштабов; не дает ответа
на многие вопросы, такие как количество и структура поколений кварков и лепто-
нов; имеет много свободных параметров и т. д. Недавно обнаруженные нейтринные
осцилляции никак не предсказывались СМ, значение плотности энергии вакуума,
вычисляемое в рамках СМ, примерно на 120 порядков превышает значение космоло-
гической постоянной, краеугольный камень в построении СМ – механизм спонтан-
ной симметрии Хиггса – пока не нашел своего экспериментального подтверждения
и соответствующий этому механизму бозон Хиггса пока не найден в эксперимен-
тах. Механизм Хиггса СМ в его простейшем варианте не стабилен по отношению
к петлевым квантовым поправкам. Теория гравитации стоит особняком от СМ, а
проблема включения гравитации становится все более острой, особенно в свете по-
следних астрофизических наблюдений о присутствии темной материи и ускоренном
расширении Вселенной.
1
Боос Эдуард Эрнстович, заведующий отделом экспериментальной физики высоких энергий
НИИЯФМГУ, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, Российская Федерация; электронная почта:
boos@theory.sinp.msu.ru.
2
Саврин
Виктор
Иванович,
заместитель
директора
по
научной
работе
НИИЯФ
МГУ, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, Российская Федерация; электронная почта:
savrin@theory.sinp.msu.ru.

60
Э.Э. Боос, В.И. Саврин
Осмысление экспериментальных данных, предсказание новых результатов и на-
правлений исследований требовало создания адекватных теоретических подходов к
описанию взаимодействий элементарных частиц. Возникла необходимость в разра-
ботке новых методов квантовой теории поля, которая является фундаментом тео-
рии физики микромира, а также в построении различных моделей взаимодействия
элементарных частиц, как принципиально новых, так и приближенных, феномено-
логических.
Наконец, потребовалось создание высокоэффективных методов расчета (в том
числе и компьютерных) характеристик взаимодействия элементарных частиц: се-
чений рассеяния, структурных функций, спектров связанных состояний, спиновых
свойств и др. Эти и ряд других проблем обусловили основные направления исследо-
ваний ОТФВЭ, такие как: разработка новых теорий и моделей взаимодействия эле-
ментарных частицпри энергиях от 1 ТэВ и выше (например, суперсимметричных
теорий, теорий суперструн и теорий с дополнительными измерениями пространства-
времени); разработка новых эффективных аналитических, численных и компьютер-
ных методов расчетов процессов с участием многих частицв конечных состояниях
на древесном и петлевом уровнях; расчет процессов столкновения элементарных ча-
стицв различных калибровочных теориях (стандартной модели и ее обобщениях) и
выработка на этой основе рекомендаций для постановки экспериментов на действу-
ющих и планируемых коллайдерах; разработка новых методов в квантовых теориях
за рамками теории возмущений и вычисление на их основе спектров и других ха-
рактеристик связанных состояний и диссипативных систем.
Сотрудники ОТФВЭ с самого начала существования отдела активно вовлечены
в работы по разработке программ физических исследований практически на всех
существующих и планируемых коллайдерах: LEP, Tevatron, HERA, LHC, LC, CLIC,
NICA.
Отличительной чертой исследований, проводимых в ОТФВЭ, всегда было самое
тесное сотрудничество с экспериментальными коллаборациями и группами. Одним
из наиболее ярких достижений сотрудников отдела в этом направлении явилось
создание пакета программ CompHEP, получившего всемирную известность и пред-
назначенного для автоматизации расчетов процессов столкновения элементарных
частици их распадов в рамках современных теорий калибровочных полей. Он нахо-
дится в свободном доступе по адресу http://theory.sinp.msu.ru/comphep и позволяет
физикам (даже имеющим небольшой опыт работы с компьютером) рассчитывать
сечения и строить различные распределения для процессов столкновения элемен-
тарных частицв рамках стандартной модели и ее обобщениях.
На основе программы CompHEP был выполнен целый ряд уникальных пионер-
ских расчетов и исследований. К их числу можно отнести следующие:
• первые в мире вычисления сечений рождения и различных распределений для
4-х фермионных процессов на e+e- коллайдерах LEP1, LEP2, LC, которые
включают одновременно различные сигнальные процессы с образованием W-
и Z-бозонов, бозонов Хиггса и их последующими распадами, а также все непри-
водимые фоновые процессы;
• первые в мире вычисления и моделирование всех вкладов в процессы образова-
ния одиночного t-кварка на адронных коллайдерах Tevatron и LHC, создание
соответствующего генератора событий SingleTop, которые легли в основу от-
крытия этого процесса в эксперименте D0 на коллайдере Tevatron и недавнего
его наблюдения в эксперименте CMS на коллайдере LHC;

Теоретическая физика высоких энергий в НИИЯФ МГУ
61
• расчеты, моделирование и изучение перспектив поиска лептокварков, аномаль-
ных взаимодействий W-бозонов на коллайдере, аномальных взаимодействий
t-кварка, поиска бозонов Хиггса в различных суперсимметричных моделях,
поиска проявлений дополнительных измерений пространства-времени на кол-
лайдерах Tevatron, LHC и LC и многое другое.
Широко известными в мире стали результаты сотрудников отдела в области по-
строения и развития новых моделей и теорий за рамками СМ. Впервые последо-
вательно изучена линеаризованная модель Рандалл – Сундрума с дополнительным
компактным пространственным измерением в стабилизированном случае, найдены
спектры масс радиона и возбуждений гравитона Калуцы – Клейна, построен эф-
фективный лагранжиан взаимодействия с полями СМ; построена теория квантовой
гравитации в локально-анизотропном пространстве-времени, в которой некоммута-
тивность пространства-времени в совокупности с его компактностью радикально из-
меняет ультрафиолетовое поведение квантовых теорий поля и позволит вычислять
физические характеристики без процедуры бесконечной перенормировки. Доказаны
дисперсионные соотношения для амплитуды упругого рассеяния вперед в некомму-
тативной квантовой теории поля в случае, когда условие некоммутативности задано
только для пространственных переменных.
Признанными являются результаты по созданию методов и описанию связанных
состояний в КХД и других калибровочных теориях. Развит подход, получивший
название мгновенной релятивистской гамильтоновой динамики, в котором удается
последовательно описать различные формфакторы, в частности формфактор дей-
трона, сечение упругого рассеяния с участием различных составных частиц.
В рамках квазипотенциального подхода в квантовой теории поля изучены свой-
ства электромагнитного взаимодействия в системах релятивистских заряженных ча-
стици объяснена природа новых возможных узких электромагнитных резонансов
как состояний, погруженных в континуум.
Среди экспертов широкую известность получили рекордные на сегодняшний
день результаты сотрудников по развитию новых методов и вычислению петлевых
интегралов Феймана в калибровочных теориях поля.
Сотрудники ОТФВЭ внесли серьезный вклад в развитие компьютерной системы
нового типа (GRID) в связи с подготовкой и началом исследований на вступившем
в строй Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, которая основана на идее
распределенных по разным странам региональных центров для хранения, обработки
и анализа данных экспериментов. В результате этих усилий НИИЯФ МГУ являет-
ся ведущей организацией по созданию соответствующей GRID-инфраструктуры в
России в рамках международных проектов LCG и EGEE, направленных на автома-
тизированную поддержку анализа экспериментальных данных по физике высоких
энергий.
Среди наиболее известных работ сотрудников можно назвать следующие:
• выделение процессов одиночного рождения топ-кварка методом нейронных се-
тей (Phys. Rev. D, 1997–2002, Phys. Lett., 2000–2002);
• моделирование ожидаемых эффектов на коллайдерах нового поколения в стан-
дартной модели и за ее рамками с помощью новой версии программ CompHEP
4.4.0. (Eur. Phys. J., 2003; Nucl. Inst. Meth., 2003);
• описание бозона Хиггса в модели MSSM в режиме интенсивного взаимодей-
ствия (Phys. Rev. D. Vol. 66. 2002. P. 055004);

62
Э.Э. Боос, В.И. Саврин
• построение эффективных лагранжианов для физических степеней свободы в
модели Рэндалл-Сундрума (Class. Quant. Grav. Vol. 19. 2002. P. 4591–4606);
• феноменологическая интерпретация рождения открытого чарма на коллай-
дере HERA в рамках полужесткого подхода (Eur. Phys. J. C. Vol. 24. 2002.
P. 425–437);
• определение характеристик взаимодействия, связанных с поляризацией в рас-
падах суперсимметричных партнеров фермионов (Eur. Phys. J. C30. 2003.
P. 395–407)
• исследование тройного и четверичного взаимодействия бозона Хиггса в модели
двух-хиггсовского дублета с нарушением CP-инвариантности (Eur. Phys. J.
C28. 2003. P. 223–236);
• исследование классических канонических распределений для диссипативных
систем (Mod. Phys. Lett., B17. № 23. 2003. P. 1219–1226).
Теоретические работы, проводимые в ОТФВЭ, всегда находились в русле ми-
ровых исследований, в ряде случаев находясь на их переднем крае. Совместные
исследования на протяжении многих лет проводятся с такими ведущими научны-
ми центрами в области физики высоких энергий, как ДЭЗИ и Институт Макса
Планка (Германия), ЦЕРН (Швейцария), КЕК (Япония), ФНАЛ (США), ЛАПП
(Франция). Сотрудники ОТФВЭ плодотворно сотрудничали со многими ведущи-
ми университетами мира, например с университетами городов Лондона, Хельсинки,
Токио, Гамбурга, Лиссабона, Лейпцига, Дублина, Сеула, Чикаго и др. Среди рос-
сийских научных центров особенно плодотворными являются контакты с ИФВЭ
(Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИЯИ РАН, Новосибирским, Санкт-Петербургским и
Самарским университетами.
Работы, выполненные сотрудниками отдела, широко известны научной обще-
ственности в стране и за рубежом. Оценкой их существенного вклада служит то,
что им поручаются выступления с докладами на международных конференциях с
представлением докладов по совместным работам, выполненным в международных
коллаборациях и рабочих группах. В среднем участники научной школы ежегодно
участвуют примерно в 20-ти конференциях, посвященных различным аспектам фи-
зики элементарных частици теоретической физики высоких энергий, и выпускают
около 70 новых публикаций.
Коллектив ОТФВЭ с момента его создания ежегодно получал несколько грантов
российских и зарубежных фондов, включая программы «Фундаментальная ядерная
физика», «Физика высоких энергий», «Университеты России», гранты Конкурсного
центра научного естествознания (Санкт-Петербург). В последующие годы получе-
ны многочисленные гранты РФФИ и фонда «Династия», а также фондов INTAS,
CERN-INTAS, DFG и др. За особые достижения сотрудниками ОТФВЭ получены
Международная премия им. Бесселя (2002 г.) и Ломоносовская премия МГУ 1-й
степени (2007 г.).
В течение многих лет значительная часть сотрудников ОТФВЭ входит в состав
ведущей научной школы, поддерживаемой грантом Президента РФ. Неоднократ-
но присуждались гранты Президента РФ по поддержке молодых кандидатов наук
отдела.
Большое внимание уделяется подготовке научных и педагогических кадров по
специальности «Физика высоких энергий и элементарных частиц». Сотрудники на

63
протяжении многих лет читают курсы лекций на физическом факультете МГУ, в
других университетах страны и за рубежом, подготовили и опубликовали учебные
пособия, рекомендованные для многих институтов и университетов. Многие сотруд-
ники ОТФВЭ участвуют в работе Научно-образовательного центра «Исследование
фундаментальных взаимодействий элементарных частици моделирование процес-
сов для современных экспериментов», созданного совместно НИИЯФ МГУ и ИЯИ
РАН на базе отделов и кафедр.
В течение последних лет прочитан ряд спецкурсов для студентов старших кур-
сов физического факультета МГУ, например, по теории динамических уравнений в
квантовой теории поля, по теории перенормировок в локальной квантовой теории
поля, по физике элементарных частици Стандартной модели и др. Ежегодно со-
трудники отдела осуществляют научное руководство в среднем 5 дипломниками и
3 аспирантами физического факультета МГУ.
С 1985 г. преимущественно силами ОТФВЭ ежегодно проводилась международ-
ная школа-семинар для молодых ученых по квантовой теории поля и физике вы-
соких энергий. С 1991 г. эта школа-семинар была преобразована в международное
рабочее совещание (QFTHEP), проводимое в разных регионах страны совместно с
другими университетами и получившее международное признание. В этих совеща-
ниях принимали участие около 100 исследователей из России и других республик
бывшего СССР и до 30 иностранных ученых.
Theoretical High Energy Physics in SINP MSU
c 2009 E.E. Boos
3
, V.I. Savrin
4
Abstract
The article is dedicated to 20 year anniversary of Theoretical High Energy Phy-
sics Division, SINP MSU. It describes the organization history and principal re-
search directions of the Division. It’s stressed especially creative connections of
Division’s members with Russian and other world’s scientific centers and universi-
ties.
3
Boos Eduard Ernstovich, Head of the Experimental High Energy Physics Division, SINP MSU,
119991, Moscow, Lenin mountains, 1, Russian Federation; e-mail: boos@theory.sinp.msu.ru.
4
Savrin Viktor Ivanovich, Deputy Director on Science, SINP MSU, 119991, Moscow, Lenin moun-
tains, 1, Russian Federation; e-mail: savrin@theory.sinp.msu.ru.

64
Теоретическая Физика, 11, 2010 г.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ
В РЕШЕТОЧНОЙ КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАМИКЕ
c 2010 В.Г. Борняков
1
, М.И. Поликарпов
2
Аннотация
В статье обсуждаются компьютерные методы изучения непертурбативных
свойств КХД, основанные на решеточной регуляризациии КХД. Представлен
обзор последних результатов, полученных в компьютерных вычислениях в ре-
шеточной КХД. В частности, представлены результаты для спектра масс ад-
ронов, константы связи, масс легких кварков, структуры вакуума КХД.
1. Введение
Квантовая хромодинамика (КХД) – это квантово-полевая теория сильных взаи-
модействий элементарных частиц. КХД возникла в начале 70-х годов прошлого века
в результате синтеза представления о цвете кварков, партонной картины глубоко
неупругого взаимодействия и аппарата неабелевых калибровочных полей. Фунда-
ментальные поля, входящие в лагранжиан КХД, – это кварковые и глюонные поля.
В начале 60-х годов Гелл-Манн и Цвейг обнаружили, что свойства адронов, т. е.
элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, позволяют разде-
лить их на группы (мультиплеты) и эта классификация может быть объяснена, если
предположить, что они состоят из более мелких частиц, названных позднее кварка-
ми. В те же годы в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию электронов на
протонах было обнаружено, что протоны ведут себя так, как если бы они состояли
из слабо взаимодействующих составляющих, названных Бьоркеном и Фейнманом
партонами. Довольно долго было непонятно, можно ли рассматривать кварки как
настоящие частицы. Они не наблюдались в эксперименте, что можно было объяс-
нить только существованием сильной связи между ними. Это не согласовывалось
со свойством слабого взаимодействия между партонами, и связь между кварками и
партонами была неясна.
Этот парадокс был разрешен открытием у КХД свойства асимптотической сво-
боды. Самодействие глюонов, которые являются переносчиками сильного взаимодей-
ствия, приводит к тому, что при увеличении расстояния между кварками константа
сильного взаимодействия
α
S
возрастает. Это объясняло, почему кварки, слабо вза-
имодействующие на малых расстояниях и больших энергиях, оказываются сильно
связанными при увеличении расстояния между ними и не могут вылететь из адрона.
Последнее свойство получило название конфайнмента кварков.
Согласие с экспериментом многочисленных результатов, полученных в КХД, в
основном с помощью методов теории возмущений, доказывает, что КХД правиль-
но предсказывает и описывает многие свойства сильных взаимодействий в области
высоких энергий. Однако при низких энергиях из-за возрастания
α
S
теория возму-
щений неприменима, и для вычислений при низких энергиях нужны другие, непер-
турбативные, методы вычислений в КХД, позволяющие решать такие задачи, как
1
Борняков Виталий Геннадьевич, д. ф.-м. н., в.н.с. Института физики высоких энергий,
142281, Московская обл., г. Протвино, ул. Победы, 1, Российская Федерация; электронная почта:
vitaly.bornyakov@ihep.ru.
2
Поликарпов Михаил Игоревич, д. ф.-м. н., в.н.с. Института теоретической и эксперименталь-
ной физики, 117218, г. Москва, Б. Черемушкинская ул., 25, Российская Федерация; электронная
почта: polikarp@itep.ru.

Компьютерные методы вычислений в КХД
65
вычисление фундаментальных параметров КХД –
α
S
и массы кварков, вычисление
спектра масс адронов, разработка теории конфайнмента и многие другие. Методом,
который позволяет решать эти задачи, избегая при этом неконтролируемых при-
ближений, является метод компьютерных вычислений, использующий решеточную
регуляризацию КХД.
В 1974 г. К. Вильсон [1] сформулировал основные идеи решеточной КХД (РКХД).
Затем, в 1980 году, М. Кройц[2], используя этот подход, выполнил первые компью-
терные расчеты физических величин в неабелевой калибровочной теории с группой
симметрии SU(2). В 80-е и 90-е годы прошлого века большая часть результатов бы-
ла получена в приближении, не учитывающем вклады виртуальных кварковых пар.
Это приближение – неконтролируемое, т. е. нельзя, оставаясь в рамках этого при-
ближения, сделать отклонение от точного результата сколь угодно малым. Тем не
менее было получено немало результатов, способствовавших развитию нашего пони-
мания непертурбативных свойств КХД. Использование такого приближения было
обусловлено отсутствием адекватных компьютерных мощностей и недостаточно вы-
сокой эффективностью используемых алгоритмов.
f
π
f
K
3M
Ξ
M
N
2M
B
s
M
Υ
ψ(1P
1S)
Υ(1D
1S)
Υ(2P
1S)
Υ(3S
1S)
Υ(1P
1S)
LQCD/Exp’t ( n
f
= 0)
1.1
1
0.9
LQCD/Exp’t ( n
f
= 3)
1.1
1
0.9
Рис. 1. Сравнение некоторых физических величин, вычисляемых на решетке с
максимальной точностью, с экспериментальными значениями. Слева – результаты
для приближения, не учитывающего эффекты виртуальных кварковых пар, спра-
ва – решеточная КХД с
u, d, s кварками
В последние 10 лет произошел постепенный переход к систематическому изуче-
нию РКХД с учетом виртуальных кварковых пар, что позволило получить резуль-
таты для многих физических наблюдаемых с точностью в несколько процентов, и
точность вычислений повышается с каждым годом. Увеличение точности решеточ-

66
В. Г. Борняков, М. И. Поликарпов
ных вычислений иллюстрируется на рис. 1, где показаны результаты для некоторых
констант распада и масс, полученных без учета эффектов виртуальных кварковых
пар (левый рисунок) и с учетом этих эффектов (правый рисунок). На рисунке пока-
заны отношения решеточных значений физических величин к их эксперименталь-
ным значениям. Видно, что на левом рисунке отклонение от экспериментальных
значений составляет в некоторых случаях более 10 %, а на правом все результаты
согласуются в пределах погрешностей.
Такой прогресс стал возможен благодаря быстрому росту быстродействия со-
временных суперкомпьютеров (компьютеры, которые используются в современных
исследованиях, примерно в
10
7
раз мощнее тех, которые использовались в начале
80-х годов) и многократному повышению эффективности численных алгоритмов.
Решеточными вычислениями занимается довольно большое сообщество физиков.
Ежегодные международные конференции (в 2011 году состоялась 29-я) собирают
до 400 ученых, работающих на этом направлении. Выполнение высокоточных реше-
точных вычислений требует больших ресурсов – и человеческих, и материальных.
В этом отношении деятельность физиков-теоретиков, занимающихся решеточными
расчетами, похожа на деятельность экспериментаторов. И подобно эксперимента-
торам решеточники объединяются в коллаборации. В Европе самые большие ре-
шеточные коллаборации – UKQCD, объединяющая физиков, работающих в Вели-
кобритании, и QCDSF, основу которой составляют физики из Германии. В США
физики-решеточники обьединились в большую коллаборацию USQCD. Сильные ре-
шеточные группы есть в Японии и Италии. В России это перспективное направление
развивается в ИТЭФ, ИФВЭ и ОИЯИ.
В самое последнее время вычисления в решеточной КХД достигли точности, ко-
торая сравнима, а для некоторых величин и превосходит точность, полученную в
эксперименте. Это, с одной стороны, позволяет проверить надежность решеточных
вычислений, а с другой – позволяет делать предсказания. Число таких предсказа-
ний, позднее подтвержденных экспериментом, невелико, но оно будет расти. Резуль-
таты решеточных вычислений широко используются в феноменологических расче-
тах, наравне с экспериментальными данными они включаются в обзоры свойств
элементарных частиц, составляемые Particle Data Group, их используют для про-
верки многочисленных моделей КХД. Задачи, решаемые в рамках РКХД, можно
сформулировать следующим образом:
• проверка КХД как теории сильных взаимодействий;
• объяснение явлений удержания кварков внутри адронов, спонтанного наруше-
ния киральной симметрии;
• вычисление фундаментальных параметров КХД;
• вычисление других физических величин, важных для понимания сильных вза-
имодействий;
• поиск отклонения от стандартной модели.
1.1. Основные определения
Решеточная формулировка калибровочных теорий поля имеет следующие осо-
бенности. Теория формулируется в евклидовом пространстве в формализме функци-
онального интеграла. Переход от 4-мерного пространства Минковского к 4-мерному
пространству Евклида производится заменой реального времени
t на мнимое время,

Компьютерные методы вычислений в КХД
67
t → ix
0
(виковский поворот). Преимущество перехода к евклидову пространству со-
стоит в том, что выражение для производящего функционала
Z имеет вид, похожий
на статистическую сумму:
Z =
DADϕe
−S(A,ϕ)
,
(1)
где
S – действие теории в евклидовом пространстве; A
µ
(x) – калибровочное по-
ле;
ϕ(x) – поле материи. Это позволяет интерпретировать больцмановский фактор
e
−S(A,ϕ)
как плотность вероятности. Интеграл (1) называется функциональным, т. е.
интегрирование идет по значению полей в каждой точке пространства, что делает
интеграл бесконечномерным. В общем случае строгое определение функционально-
го интеграла в пространстве Минковского возможно только в формализме теории
возмущений. В евклидовом пространстве возможно дать определение и вне рамок
теории возмущений – с помощью дискретизации пространства-времени, как описано
ниже.
Аналогия уравнения (1) со статистической физикой становится еще более яв-
ной после введения обрезания путем перехода к дискретному пространству-времени.
Рассмотрим конечный объем в четырехмерном евклидовом пространстве,
0 < x
1
, x
2
,
x
3
, x
4
≤ L, и введем четырехмерную гиперкубическую решетку с шагом решетки
(длиной ребра)
a. Узлы решетки расположены в точках пространства x = an, n =
(n
1
, n
2
, n
3
, n
4
), целые числа n
i
пробегают значения от 1 до
N, где N = L/a – число
узлов решетки в каждом направлении. Компоненты импульса ограничены макси-
мальным значением
π/a.
←−

−→



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


©emirsaba.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет