C самого основания (1945 г. Лаборатория №3) Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) его создатель академик А.И. Алиханов включил в программу разработок не только оборонные задачи (создание тяжеловодного атомного реактора), но и фундаментальные задачи по изучению частиц высоких энергий. С тех пор ИТЭФ является одним из мировых лидеров - как в той, так и в другой научной области. К сожалению, с 2006 года фундаментальные исследования в ИТЭФ перестали поддерживаться Министерством образования и науки. РАН их не поддерживает, так как ИТЭФ принадлежит Росатому, а Росатом не может их поддерживать, поскольку у него нет задачи финансирования фундаментальных научных проектов. Эти ведомственные противоречия привели к значительному сокращению государственной поддержки фундаментальных исследований уникального научного центра. Тем не менее, ИТЭФ активно участвует в ведущих мировых проектах в области физики частиц. О том, почему сложилась такая ситуация, и как в этих условиях идет реализация научных программ, рассказал заместитель директора института, член-корреспондент РАН Михаил Данилов. Беседовала Ольга Орлова.
Михаил Владимирович, какие фундаментальные исследования сейчас проводятся в ИТЭФе?
Глобальной фундаментальной задачей нашего института является изучение свойств материи, ее состава, сил, воздействию которых она подвергается. За последнее время в нашей области произошли драматические изменения. Уже выяснено, что найден новый уровень строения материи - кварки. И в данный момент мы изучаем свойства этих частиц. Загадок здесь очень много. Например, для того, что построить все, что нас окружает, требуется всего два кварка и два лептона. Многочисленные адроны состоят из кварков. Адроны - общее наименование для элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Это - протон, нейтрон, гипероны, мезоны, а также все резонансные частицы. (Кстати, термин «адроны» ввел в науку академик Лев Борисович Окунь, который работает в нашем институте). Таблица элементарных частиц проще, чем таблица Менделеева, где до сих пор открывают новые элементы. Из “u” и “d” кварков образуются протоны и нейтроны, из протонов и нейтронов образуются ядра, вокруг ядер крутятся электроны и таким образом получаются атомы. Есть еще, как мы знаем, частичка нейтрино, без которой, например, не светило бы солнце. Но природа по неизвестным нам пока причинам создала другие два набора очень похожих частиц. В частности, их изучением я и занимаюсь - изучением кварков и лептонов дополнительных поколений – второго и третьего. Они имеют красивые названия – очарованный кварк, прелестный …(По русской терминологии u-верхний, d-нижний, c - очарованный, s - странный, t - истинный, b - прелестный)
Кто их так назвал?
Ученые. Но это не выражение отношения исследователей к частицам, это свойства самих частиц. Очарование – это квантовое число, прелесть – тоже квантовое число.
Чему же равно очарование?
Плюс единица.
Но всегда ли на Земле можно создать условия для экспериментального подтверждения теории в области физики элементарных частиц?
Если обратиться к теории суперструн, то в этой области действительно почти ничего нельзя пока проверить. От этой теории очень многого можно ожидать, о чем, в частности, рассказывал на недавней московской лекции и Нобелевский лауреат Дэвид Гросс. Но пока это только прогнозы, требующие проверки, которую на Земле осуществить трудно, хотя некоторые идеи появляются.
Если мы вернемся к нашей проблеме поколений кварков и лептонов, то перед нами стоят задачи, для решения которых у нас есть необходимые энергии. Мы изучаем, как возникают кварки, как они между собой связаны. В первом приближении это уже стало ясно. В человеческой жизни связь между родителями детьми прочнее, чем между бабушками и внуками. Так же и в физике частиц: между первым и вторым поколением связь теснее, чем между первым и третьим. Открыли мы это в международном эксперименте «АРГУС», который выполнялся в Гамбурге. Одним из объяснений того, почему нужно три поколения, является тот факт, что именно с помощью 3-х поколений естественно возникает различие свойств материи и антиматерии.
До какой степени различия свойств материи и антиматерии поняты?
Это одна из загадок, над которой мы до сих пор работаем. Если бы этого различия не было, то, как показал Андрей Сахаров, не было бы избытка материи, из которой мы с вами состоим. Были бы одни фотоны. Они собственно в основном и остались от первых минут Вселенной. Но за счет того, что после Большого Взрыва остался некоторый избыток вещества - мы с вами и смогли появиться на свет. В международном исследовании свойств прелестных частиц и античастиц, проведенном в Японии, различие было измерено и совпало с предсказаниями одной из теорий. Однако этот механизм не достаточен для объяснения избытка материи над антиматерией во Вселенной. Пока можно констатировать, что механизм различия свойств материи и антиматерии еще не выявлен до конца.
Какие еще научные направления разрабатываются в вашем институте?
Еще одним направлением, над которым мы работаем, является попытка понять, из чего состоит Вселенная. Простое вещество в ней, как мы знаем, составляет всего 5% всей Вселенной, около 25 % – темная материя. Изучить ее состав пытаемся двумя способами. Первый – найти с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе, суперсимметричные частицы. Теория суперсимметрии была впервые предложена в России. Научные сотрудники ФИАНа Гольфанд и Лихтман написали об этом первую статью.
В чем состояла их идея?
Идея заключалась в том, что если у нас есть какой-то набор фундаментальных частиц, то в случае существования суперсимметрии их количество удвоится. Каждому фермиону будет соответствовать бозон и наоборот. Само по себе это является революционным развитием общей теории. Есть большие надежды, что эти суперсимметричные частицы будут все-таки найдены.
Если в коллайдере количество частиц удвоится, а – предположительно – суперсимметричные частицы есть основа темной материи, то почему основного вещества 5%, а темной материи около 25%?
Дело в том, что в нашем мире обнаружить строгую идеальную симметрию почти невозможно. Предполагается, что суперсимметричные частицы несколько тяжелее обычных. Мы ожидаем, что их масса будет в несколько сот раз больше массы протона. Мне кажется, что это даже красиво - когда симметрия есть, но немного нарушена. Если бы суперсимметрия соблюдалась во всем, то мы бы давно ее обнаружили в обычной жизни. Но вообще сама идея суперсимметрии возникла для того, чтобы сделать теорию самосогласованной - это очень элегантный способ сделать теорию самосогласованной на всех расстояниях и на всех энергиях. Сейчас теория элементарных частиц вполне удовлетворительно описывает все, что мы знаем, но она не является самосогласованной, поскольку если мы меняем масштаб энергий, то очень не просто ее оставить справедливой.
Но суперсимметрия не отменяет "стандартную" теорию элементарных частиц?
Конечно, нет. Хотя по-прежнему остается много вопросов… Например, в теории имеется множество параметров, которые не предсказываются, а должны браться из экспериментов.
Например?
Например, массы кварков и лептонов и константы связи между ними. И мы надеемся, что экспериментальное измерение этих параметров может помочь построить новую более общую теорию.
Почему новый коллайдер, от которого так много ждут ученые, называется адронным?
Коллайдеры классифицируются по типу частиц, которые в них сталкиваются. В БАК сталкиваются протоны, а они, как мы уже говорили, являются адронами. Наш институт участвует в разработке всех 4-х детекторов, используемых в БАК. Сначала части этих установок изготавливаются в различных институтах во всем мире, а потом доставляются к месту сборки. Вклад России в создание этих детекторов очень большой.
Что еще могут обнаружить эксперименты на БАК?
Ожидается также, что будет открыта последняя недостающая частица современной теории - бозон Хиггса, которая объяснит механизм возникновения массы у фундаментальных частиц.
Если суперсимметричные частицы все-таки будут найдены, то каковы последствия этого открытия для человечества?
Во-первых, это просто интересно. Это можно сравнить с удвоением частиц, которое произошло, когда была открыта антиматерия и количество частиц удвоилось. Эта революция произошла в 1932 году, а теперь такая же может произойти и сейчас. Эти частицы нужны для многих целей. Одна из них – это объяснение темной материи во Вселенной. Самая легкая и долгоживущая суперсимметричная частица является основным кандидатом в частицы, из которых состоит темная материя.
Как еще можно найти темную материю?
Второй путь – это поиск частиц темной материи в низкофоновых экспериментах. Частица темной материи может толкнуть ядро обычного вещества, и возникнет ядро отдачи, которое можно зарегистрировать. К сожалению, эти процессы очень редки, энергии, которые при этом выделяются, очень малы, поэтому технически они с трудом осуществимы. Если на БАК мы собираемся рождать новые суперсимметричные частички при большой энергии, а затем смотреть, как они распадаются, то в этом случае мы ищем их взаимодействие с нашим обычным веществом.
Как это делается в земных условиях?
Эксперименты проводятся в подземных лабораториях, чтобы избежать фона от различных источников, а детекторы создаются на земле.
Но помимо обычного вещества и темной материи, во Вселенной идут поиски темной энергии - что в этом направлении делается в институте?
Первым свидетельством существования темной энергии, которая, как мы теперь думаем, доминирует во Вселенной, явилось наблюдение ускоренного разлета вещества Вселенной. Это удалось обнаружить при изучении сверхновых звезд. У нас в институте работает группа В.С. Имшенника, - которая, пожалуй, лучше всех в мире знает, как сверхновые взрываются.
Почему это важно знать?
Это необходимо, чтобы доказать, что они себя одинаково ведут на разных расстояниях и являются таким образом «стандартной свечой». Для того чтобы знать, как Вселенная расширяется, надо знать механизмы взрывов сверхновых.
Большой адронный коллайдер и подземные лаборатории – это день сегодняшний. А что вас ждет завтра?
Следующий проект, который сейчас активно обсуждается – это электрон-позитронный коллайдер. Решение о его строительстве еще не принято, но уже сейчас ведется его разработка, над которой работают несколько сотен ученых. В частности, сотрудники нашего института создают модель одного из детекторов этого нового коллайдера, который заработает в лучшем случае лет через пятнадцать. Это характеризует то, как нам приходится работать - если мы сейчас не будем готовиться к экспериментам на новых ускорителях, то мы не будем к ним готовы в тот момент, когда их запустят. Создание детекторов и подготовка экспериментов занимает в нашей области, к сожалению, больше десяти лет.
Вот, например, вместо обычного фотоумножителя, который используется во многих областях нашей жизни – даже далеких от науки - в нашей стране был разработан твердотельный фотоумножитель. Вместо большого прибора вы увидите маленький-маленький приборчик, но он делает примерно то же самое, что и большие приборы. Только в последнее время японцы сумели сделать нечто похожее. Пока что мы лидируем в мире в этой области. В России имеется несколько групп, которые над этим работали. В частности, группа Б.А. Долгошеина из МИФИ, с которой мы тесно сотрудничаем. С ней вместе мы создаем уже физический прибор на основе этих маленьких детекторов, которые у нас и проверяются. Таким образом, мы разрабатываем новый тип детектора частиц. ИТЭФ активно работает и с группой В.М. Головина, которая успешно разрабатывает похожий фотодетектор. Во всем мире чувствуется интерес к этой инновационной разработке. Меня даже попросили сделать пленарный доклад об этой технологии на крупнейшей конференции, что не часто бывает - технологии обычно не являются сильной стороной российской науки.
Конек России - теоретические обобщения?
Не совсем. У нас имеется очень сильная экспериментальная физика. И фундаментальные открытия всегда приводят к новым технологиям. Так уж исторически сложилось, что понимание фундаментальных процессов приводило к их применению в практической жизни. Но глубинная цель науки – это все-таки само познание. Если человек не будет познавать Природу и себя, то он вымрет и перестанет существовать как часть этого мира или превратится в обезьяну.
Если мы считаем, что существование науки есть необходимость для человечества и ее отсутствие ведет к деградации общества, то давайте обратимся к тому, как существует сегодня наука. Ваш институт не входит в систему Академии науки, а находится в ведомстве Росатома. Как в связи с этим ИТЭФ переживает период реформирования российской науки?
У нас действительно сложные отношения с Академией наук, не в смысле - плохие, а организационно сложные. И это одна из болевых точек. Реформирование науки в нашей стране предполагает, что все фундаментальные исследования сосредоточены в Академии наук. В действительности это не так: среди десяти наиболее цитируемых институтов в России, насколько я помню, половина не являются академическими - МГУ им. Ломоносова, наш ИТЭФ, ОИЯИ в Дубне и РНКЦ «Курчатовский институт». Тем не менее, принятая сейчас концепция реформирования науки построена на том, что фундаментальные исследования проводятся только в Академии наук, и поэтому должны финансироваться через Академию. По этому поводу Министерство образования и науки в прошлом году полностью прекратило финансирование фундаментальных исследований нашего института. В результате мы в течение полугода получали 30% от объема финансирования предыдущего года - тоже не слишком щедрого. Институт покинула значительная часть молодых исследователей. В течение полугода было разрушено то, что мы делали на протяжении последних 10-15 лет. Мы так старательно привлекали молодежь, что у нас в институте средний возраст сотрудников не возрастал, а падал - в отличие от других институтов.
Сейчас какова ситуация?
По-прежнему неопределенная. У Росатома нет задачи финансировать фундаментальную науку. Министерство может поддерживать только разработки, направленные на основную свою деятельность. Наша же работа может быть интересна энергетикам лишь в перспективе, а не в ближайшие годы. Поэтому сегодня необходимо иметь государственную программу, которая поддерживала бы фундаментальную науку независимо от ведомственной подчиненности.
Казалось бы, это естественно выделять деньги в соответствии с научными заслугами и потенциалом, а не по ведомственной принадлежности…
Конечно, решающим фактором в таком вопросе должен быть уровень института, но пока я не вижу механизма устранения существующего противоречия. В этом-то и проблема будущего нашего института.
Может быть, стоит более настойчиво привлекать внимания к этому вопросу?
Эта проблема известна руководству обоих ведомств - Минобрнауки и Росатома. Но пока решения этого вопроса нет.
А внимание общественности? У вас есть пресс-центр?
Откуда у нас такие деньги?! Хотя популяризировать науку, безусловно, надо. И каждый, как может, в этом лично участвует. Я, например, стараюсь достаточно часто бывать на телевидении, давать интервью, участвую во всяких форумах, в частности, в том форуме, который организовало Министерство образования и науки.
Насколько эффективно, на ваш взгляд, ведется реформирование российской науки?
Происходит пропорциональное сокращение всех институтов, что, на мой взгляд, неправильно. Должны быть выработаны критерии, которые позволяют подходить дифференцировано к институтам, лабораториям, направлениям и только в этом случае можно поддерживать наиболее эффективно работающих ученых. Способы для оценки деятельности бывают различными. Наиболее принятым в мире является подход, когда сами ученые оценивают друг друга с помощью экспертных советов. К сожалению, в нашей стране эта система не развита. И, наверное, ее создать очень непросто. Традиции наши таковы, что эти советы реагируют на былые регалии, на прошедшие достижения и не оценивают настоящего положения дел. Именно поэтому средний возраст в Академии наук очень высокий. Но и это в лучшем случае. В худшем случае решения принимаются из коррупционных соображений. Поэтому, на мой взгляд, наиболее рациональным способом на данном этапе является измерение эффективности с помощью количественных критериев: в основном - это индекс цитируемости и выступления на конференциях. Эти критерии достаточно универсальны, так что их можно применять и для сравнения областей науки. Конечно, цитируемость в разных областях различается, но если нормировать на средний или максимальный уровень цитируемости в каждой области, то можно понять, где в мире находится данный институт или данный человек, потому что, если вы нормируете на средний уровень цитируемости в данном направлении, то вы тем самым вводите единую шкалу для всех. И, кстати, такой метод у нас в институте уже очень эффективно работает 13 лет.
Как, с этой точки зрения, вы можете оценить ваш институт? Где находится ИТЭФ на мировой карте научных центров данного профиля?
Вообще физика в нашей стране в силу ряда исторических причин, находится среди наиболее развитых направлений на мировом уровне. Опять-таки, если мы вернемся к цитируемости, то среди десяти наиболее цитируемых ученых в СССР – да и сейчас, кажется, - большинство физики. Хотя во всем мире, если брать целиком науку, среди 50 самых цитируемых ученых нет ни одного физика, по той причине, что цитируемость в биологии, биофизике, медицине, молекулярной биологии на порядок выше, чем в физике. Сам факт того, что наших физиков цитируют так часто, говорит о том, что внутри страны развитие физики очень мощное.
Так вот, если количественно оценивать деятельность нашего института, то одним из показателей являются пленарные доклады на основных конференциях. Последние 20 лет, когда стало возможно свободно ездить и не зависеть от решений соответствующих инстанций, учеными ИТЭФ было сделано 12 докладов, т.е. около процента от всей нашей области в мире. Это не так мало. Без ученых из нашего института не обходится ни одна основная конференция. А среди 10 наиболее цитируемых молодых физиков у нас в стране –4 человека из нашего института.
Одно из направлений реформирования Академии – это введение образовательных центров. Что у вас происходит в этом смысле?
Я считаю, что это должно быть основным направлением в процессе интеграции науки и образования. Исторически сложилось так, что российская наука сосредоточена в основном в НИИ, а не в университетах, хотя есть и исключения. Поэтому, думаю, нецелесообразно мгновенно копировать западный подход, когда наука в основном развивается в университетах. Этого нужно добиваться постепенно, а пока следует привлекать образование в научные центры. Ведь создавать новое труднее, чем сохранять старое. Стратегическое направление, по которому бы стоило идти, уже давно проверено в Физтехе - эта система базовых кафедр и научно-образовательных центров. Но правительство решило иначе, и сейчас выделяются деньги на развитие науки именно в университетах, где она по большей части или не развивалась, или заметно ослабла.
Как при том бедственном положении, когда ИТЭФ оказался фактически вне бюджетного финансирования, вам удается финансировать образовательные проекты?
С трудом. Изыскиваем средства разными нестандартными путями. Наш научно-образовательный центр функционирует давно. Мы все время хотели предложить правительству эту идею в качестве направления, по которому стоило бы двигаться. У нас в институте обучалось ежегодно на всех курсах около 100 студентов. Кстати, когда потребовался молодой талантливый физик, чтобы поговорить с президентом, его нашли именно в нашем институте… В любом случае мы стараемся для молодежи создавать привилегированные условия – более комфортные, чем для основных сотрудников института. Например, у нас есть премия для молодых ученых, которые больше, чем зарплата доктора наук.
Но вообще-то это не совсем нормальная ситуация. Что же это за доктор – если он стоит меньше аспиранта?
Это вынужденные меры – с целью привлечь и удержать молодежь.
Какая система поощрений научных успехов существует у вас в институте?
Мы ежегодно рассматриваем результаты деятельности научных работников и для каждого человека имеется целый ряд показателей: цитируемость, выступления на конференциях, семинарах и т.д. Всего около 16 видов критериев, по которым начисляются баллы. И по этим баллам научный сотрудник проходит аттестацию. Если она пройдена успешно, то он получает прибавку к зарплате и руководителям групп выделяются деньги для поддержки молодых людей, с которыми он работает. Это является одним из способов микрорегуляции науки на уровне отдельного ученого. И кроме этого появляются проекты, которые целенаправленно финансируются, но это уже большие работы, такие, например, как создание детекторов. Такие работы не могут финансироваться по описанной схеме. При утверждении проекта проводится большая предварительная работа, оценивается возможность и реалистичность создания приборов, их качество. Также и в стране надо иметь локальный микроуровень и уровень проектов, должны быть программы, которые финансируют большие проекты.
См. также:
Дмитрий Казаков: "Нашей науке не хватает большого дела"
"Как связать в одной упряжке творца и менеджера?" Интервью с Юрием Оганесяном
Лев Кофман:"Космология - это дом для всей физики"
Дмитрий Казаков: "Три вопроса и три ответа в физике высоких энергий"