Кубиты, стерильные нейтрино и кварк-глюонная плазма

— Как вы пришли в науку? Астгик Торосян, инженер-программист, лаборатория информационных технологий: — Все началось с любви к математике. Как известно, в теоретической физике математики очень много (если вообще не все). После школы встал вопрос выбора профессии, тогда было «модно» идти в экономисты; мне же всегда нравились точные науки, в частности математика, и я также решила пойти по этой дороге. Однако впоследствии я поступила на кафедру прикладной математики и информатики, а спустя два года перешла на кафедру теоретической физики. Работать над кубитами (кубит, или квантовый бит, — единица квантовой информации) предложил мой руководитель дипломной работы, а после окончания университета я поступила к нему на работу в Объединенный институт ядерных исследований. Здесь и начался мой путь. Мария Фомина, младший научный сотрудник, лаборатория ядерных проблем: — В школе мне всегда легко давалась математика, физика. Поэтому когда пришло время выбирать профессию, я точно знала, что она будет связана с точными науками. Выбрала физический факультет Воронежского государственного университета. Когда нужно было выбирать уже более узкую специальность, решила, что медицинская физика, а именно применение ядерной физики в медицине, мне вполне подойдет — и интересно, и для девушки подходяще. По этой специальности и закончила бакалавриат, но в магистратуру поступила на специальность «ядерная физика». На первом курсе магистратуры мне предложили поехать в Дубну, сначала на практику, а потом и на диплом. Что я и сделала. Именно в Дубне я связала свою жизнь с самой интересной, загадочной и распространенной частицей на Земле — нейтрино. Александра Фризен, младший научный сотрудник, лаборатория теоретической физики: — Мне кажется, что приход в науку — это всегда случайно, на самом деле. Сначала ты учишься. Я училась на физфаке в Саратовском университете. Специальность у меня была — динамика нелинейных систем. Колебания, волны, радиофизика. Курсу к третьему я просто поняла, что мне надоело этим заниматься. Потому что все одно и то же, но под разным соусом. И у нас как раз начали читать курс теоретической физики. Я пошла на кафедру теоретической физики и сказала: «Возьмите меня к себе!» А потом я приехала в Дубну, на конференцию, и решила остаться. Планов заниматься наукой у меня на третьем курсе точно не было. У меня были планы вплоть до того, чтобы уйти и заняться чем-нибудь другим. Так что это вышло случайно. В Дубне я нахожусь с пятого курса, то есть с 2006 года. Во-первых, мне понравился город. Во-вторых, мне понравился институт. И в-третьих, меня действительно что-то задело в том плане, что интересно стало. Хотя, конечно, это не совсем «возьмите меня к себе» было. Я же приехала на конференцию. На подобного рода мероприятиях, особенно на летних школах для молодых ученых, иногда сами профессора подходят и занимаются саморекламой. У нас на кафедре в Саратове все это знали и посоветовали мне там присмотреться. Так я нашла научного руководителя. Вы знаете, в XVII—XVIII вв. были такие специально обученные люди, которые спаивали людей, и потом те, кого напоили, неожиданно просыпались матросами на кораблях. Вот эти конференции проходили примерно так же. Что происходит? Слегка напоят, а проснешься уже на корабле! — Какова тематика вашей научной работы? А. Торосян: — Знаете, что такое кубит — квантовый бит? Вот я занимаюсь теорией квантовых вычислений. Мы рассматриваем квантово-механические системы (двух кубитов и пары кубит-кутрит), которые можно описать матрицей плотности. Имея в руках матрицу плотности, можно исследовать свойства перечисленных систем, находить условия сепарабельности (или перепутанности), мерить степень перепутанности, давать классификацию орбит соответствующих групп в соответствии с вырождениями матрицы плотности и многое другое. М. Фомина: — Я физик-экспериментатор, сейчас работаю над экспериментом DANSS, который проходит на Калининской АЭС. Этот эксперимент решает сразу две задачи: фундаментальную — лучше понять природу нейтрино, и прикладную — использовать нейтрино для мониторинга безопасности работы АЭС. Нейтрино — это самая распространенная во Вселенной частица, но при этом она одна из самых малоизученных: она не имеет заряда, а значит, не участвует в электромагнитных взаимодействиях и не входит в состав окружающего нас вещества. До сих пор не удается измерить ее массу — существуют только ограничения. Есть еще одно интересное явление, связанное с нейтрино, — нейтринные осцилляции. Что это такое? Есть три типа нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это разные частицы с разными массами, но при свободном движении они могут превращаться друг в друга, то есть если от источника летит мюонное нейтрино, то при удалении от него можно наблюдать уже электронное или тау-нейтрино. Как раз за открытие нейтринных осцилляций, доказывающих наличие массы у частицы, и была вручена Нобелевская премия по физике в 2015 году (согласно Стандартной модели нейтрино не имеет массы). Самым мощным источником нейтрино на Земле являются атомные станции. Во время выгорания ядерного топлива (в основном урана) образуется огромное количество реакторных нейтрино (если быть точным, то электронных антинейтрино), при этом нарабатывается оружейный плутоний. И каждое нейтрино несет некую информацию о том, что произошло в реакторе, потому что энергия нейтрино напрямую зависит от того, как выгорает топливо, какие элементы в данный момент там сгорели, какова мощность реактора. Соответственно, зная так называемый энергетический спектр этих частиц, можно сказать, что у нас на данный момент топливо состоит из такого-то количества урана, такого-то количества плутония, которое уже наработалось. Также можно сказать, какова тепловая мощность реактора в данный момент. Однако это просто только на словах. Во-первых, как я уже сказала, нейтрино трудно регистрировать. Во-вторых, АЭС — закрытые объекты, а для такого мониторинга детектор надо поставить близко к реактору — в нескольких метрах. А детектор — это так называемая сцинтилляционная жидкость, и она горючая, плюс ее нужно очень много — это гигантские детекторы. Поэтому на практике раньше такого мониторинга не получалось. Мы работаем прямо на реакторе Калининской АЭС, и у нас сцинтиллятор, не жидкий, а твердый — полистирол, и устройство наше компактное. То есть это кубический метр пластика — вот и весь детектор. Если поставить три таких куба вокруг активной зоны (реактор — это большой цилиндр порядка трех метров в диаметре и столько же — высотой), то мы сможем получить его «томографию»: с точностью 10—15 см понять, где уран выгорает быстрее, где сколько плутония, где какие температуры. Это позволит не только повысить безопасность, но и оптимизировать эксплуатацию. А это деньги. Мониторинг активной зоны реактора — это прикладная задача нашего детектора. Но существует и фундаментальная (и для меня как физика более интересная) задача — поиск короткопробежных осцилляций нейтрино в четвертый тип нейтрино — стерильное. Многие эксперименты, которые ставили для исследования реакторных нейтрино, показывали дефицит частиц, то есть детекторы регистрировали меньшее количество частиц, чем предполагалось. Это явление называют «аномалией реакторных антинейтрино». Одним из объяснений этого дефицита является возможность существования четвертого типа нейтрино — стерильного. Вот поиск осцилляций в это состояние и является фундаментальной задачей нашего детектора. Детектор DANSS работает с 2016 года, сейчас идет набор статистики. То есть, если они есть, мы это можем увидеть. Если их нет, мы это тоже увидим. Ведь измерять нейтрино так трудно, что существует вероятность того, что на других детекторах их просто пропустили, а мы измерим точнее — наш детектор находится всего в 11 метрах от активной зоны реактора, и вообще, никакого дефицита, аномалии не увидим. Доказательство или опровержение чего-то нового — это всегда интересно, как минимум. Ведь очень здорово себя считать причастной к какой-либо «новой» физике. А. Фризен: — Чем я сейчас занимаюсь? Сейчас объясню. Во Вселенной существует два способа образования массы. Первый механизм — на самом элементарном уровне: изначально безмассовые элементарные частицы становятся массивными через механизм Хиггса. Поэтому все частицы, которые составляют Стандартную модель, имеют массу. И на самом деле этот факт очень сильно нарушает глобальную симметрию во Вселенной. На этом природа не остановилась и все яйца в одну корзину складывать не стала. Кварки начинают взаимодействовать между собой, чтобы образовать адроны. И получается так, что это взаимодействие обретает массу. Это второй механизм. То есть был кварк в 5 МэВ, он начал взаимодействовать с соседями и стал весить 300 МэВ. И вот этот сильновзаимодействующий кварк, находящийся внутри протона, из протона вытащить нельзя — есть такое правило. И естественно, наверное, у ученых возникла идея: как же эти кварки можно достать и могут ли они вообще быть свободными? Тогда делаем мысленный эксперимент: мы начинаем ядро сжимать. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков и глюонов. Если мы его сжимаем, протоны и нейтроны начинают между собой перекрываться. Они перекрываются, и уже становится непонятным, какой кварк какому нуклону принадлежит. И о таком состоянии говорят, что произошел фазовый переход, то есть кварки освободились. Это состояние называется кварк-глюонной плазмой, предполагается, что вся наша материя была в таком состоянии сразу после Большого взрыва. Предполагается. Но эта кварк-глюонная плазма до сих пор вызывает очень много споров среди ученых. Для того чтобы ее найти, как раз и проводятся эксперименты, например на LHC, а в Дубне будут проводиться на коллайдере NICA. И я занимаюсь — в теоретическом смысле — поиском фазового перехода от состояния адронной материи, привычной нам, к состоянию кварк-глюонной плазмы. Предполагается, что там должен существовать фазовый переход. И на самом деле, возможно, даже два типа фазовых переходов: очень мягкий, когда кварки могут сосуществовать с адронами, и жесткий, когда сначала были только адроны, а потом сразу кварки и глюоны. Но нужно понимать, что эти процессы совсем не похожи на то, что мы себе представляем в нашем обычном, большом и классическом (в смысле не микро- и не квантовом) мире. Кварк-глюонная плазма существовала всего 0,1 секунды после Большого взрыва и в очень ограниченном объеме. И потом произошел искомый переход. Мы развиваем модель того, как он мог произойти. Очень ограниченный объем. Крайне ограниченное количество времени. Потом сразу начинает происходить расширение этой материи. Начинается охлаждение, и мы уже не видим эти свободные кварки. Мы их видим уже в адронах, пионах (π-мезонах), резонансах и каонах (К-мезонах), да в чем угодно! И вот самый интерес — как раз именно в том, чтобы найти и понять, возможно ли это состояние кварк-глюонной плазмы, освобождение кварков и глюонов, или нет. — Какие у вас планы на будущее? А. Торосян: — Хотелось бы продолжить работать в этой сфере; мне нравится заниматься аналитическими, а также численными расчетами, используя системы компьютерной алгебры. Мы рисуем многомерные объекты, считаем вероятности перепутанности, получаем новые формулы и приходим к красивым выводам. Очень нравится быть частью всего этого. М. Фомина: — Если сказать коротко о моих планах на будущее, то это наука, наука и наука. Я уже не представляю себя в другом направлении физики, не говоря уже о других специальностях. Нейтринная физика сейчас очень актуальна во всем мире. О другом разделе физике не приходится думать вообще. Поэтому для меня очень важно продолжить участие в эксперименте DANSS и защитить кандидатскую диссертацию — это и является самыми важными планами на ближайшее будущее. А. Фризен: — Сложный вопрос. У меня, наверное, есть интерес к астрофизике. Там есть такой объект, как нейтронные звезды, которые позволяют предположить, что внутри них материя может находиться в состоянии кварк-глюонной плазмы. Потому что это очень маленькие, компактные и горячие объекты. Интересуют черные дыры. Возможно, я этим займусь вдобавок. Потому что это пересекающиеся области. И человек, который изучает нейтронные звезды, очень широко использует в том числе и ту модель, которой я занимаюсь.