Кафедра физики частиц и космологии: постигая единство микро- и макромира

В последние десятилетия сформировалась и стала быстро развиваться новая область фундаментальной науки на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. Это связано с осознанием того факта, что законы микромира играют важнейшую роль в эволюции Вселенной, особенно на ранних её этапах; эти законы во многом определяют и свойства астрофизических объектов. Кроме того, результаты, полученные в космологии и астрофизике, существенно дополняют представления о мире элементарных частиц; примеры будут вскоре приведены. Наконец, звезды и квазары могут служить источниками как известных частиц высоких энергий, таких как фотоны и нейтрино, так и гипотетических частиц, например, аксионов.

Ответом на вызов времени и стало создание кафедры физики частиц и космологии на физическом факультете. Эта теоретическая кафедра была основана в декабре 2008 года по инициативе сотрудников физического факультета МГУ и Института ядерных исследований РАН.

Первым заведующим кафедрой стал академик РАН А.Н. Тавхелидзе, а с 2011 года ее возглавляет академик РАН В.А. Рубаков. Стоит сказать, что основатели кафедры весьма своевременно уловили тенденции развития фундаментальной физики. Кафедра была одной из первых в мире по данной тематике, а сейчас аналогичные кафедры или институты имеются во многих ведущих вузах мира, включая университеты Парижа, Нью-Йорка, Мюнхена, Барселоны, Лозанны, Токио. С коллегами из разных стран кафедра поддерживает устойчивые научные связи.

Рис.1. Академики А.Н. Тавхелидзе (слева) и Н.Н. Боголюбов.

Деятельность кафедры следует идее академика Н.Н. Боголюбова, который начал воплощать её на кафедре квантовой статистики: приглашать ведущих учёных из академических институтов и ОИЯИ для преподавания на физическом факультете, которые читали бы курсы лекций и работали со студентами и аспирантами физического факультета в качестве научных руководителей, будучи внешними совместителями.

Обучение студентов на кафедре ориентировано на научную работу в сотрудничестве со специалистами из различных институтов — ИЯИ РАН, ИТМФ МГУ, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ, ФИАН, МИ РАН, ИКИ РАН и других.

Но вернемся к физике. На наших глазах космология стала точной наукой, в первую очередь благодаря бурному развитию методов наблюдений и интерпретации их результатов. Исследования реликтового микроволнового излучения, распределения галактик, темпа расширения сегодня и в прошлом, гравитационного линзирования позволили получить стройную, количественную космологическую картину, характеризуемую высоким уровнем точности. При этом целый ряд свойств Вселенной и заполняющей её материи не вписываются в существующие представления об элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях, что, несомненно, является вызовом для науки.

Некоторые нерешенные проблемы фундаментальной физики

Чтобы дать представление о характере задач, возникающих на стыке физики частиц, космологии и астрофизики, коротко перечислим некоторые нерешенные проблемы в этой области. Один круг проблем связан с составом материи/энергии в современной Вселенной, который сейчас хорошо известен благодаря космологическим и астрофизическим наблюдениям.
	Баланс энергий в современной Вселенной

Плотность энергии (в основном это энергия покоя, E=mc2 обычного вещества — протонов, атомных ядер, электронов — составляет около 5% полной плотности энергии в современной Вселенной, еще менее 1% дают нейтрино. Все остальное — «неизвестно что». Это «неизвестно что» делится на две фракции: тёмную материю и тёмную энергию. Они различаются своими свойствами по отношению к гравитационным взаимодействиям. Тёмная материя испытывает такие же гравитационные силы, как и обычная материя, она собирается в сгустки (галактики, скопления галактик) и играет доминирующую роль в образовании крупномасштабной структуры Вселенной. Скорее всего, тёмная материя состоит из новых нейтральных массивных стабильных (или очень долгоживущих) элементарных частиц, которые до сих пор не зарегистрированы в экспериментах на Земле. Задача теоретиков — предложить конкретные модели физики частиц с частицами тёмной материи, а экспериментаторов — открыть эти частицы.

В отличие от тёмной материи тёмная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию, она равномерно распределена в пространстве, не собирается в сгустки, а её главная роль — обеспечивать наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Природа тёмной энергии — возможно, наиболее трудная проблема фундаментальной физики.

Наконец, само наличие обычного вещества и отсутствие антивещества в современной Вселенной само по себе представляет проблему, которую сформулировал А.Д. Сахаров в 1967 году. Дело в том, что в ранней, горячей Вселенной относительный избыток вещества над антивеществом составлял величину порядка 10-9, и этот «перекос» необходимо объяснить, исходя из представлений физики микромира.

Подчеркнём, что тёмная материя и избыток вещества над антивеществом являются прямыми и неоспоримыми свидетельствами неполноты современной теории микромира — Стандартной модели физики элементарных частиц.

К этому кругу вопросов примыкает и вопрос о роли нейтрино в космологии. Реликтовые нейтрино, будучи очень лёгкими частицами, оказывают специфическое влияние как на процесс формирования структур во Вселенной (галактик и их скоплений), так и на свойства реликтового микроволнового излучения. Следующие отсюда космологические ограничения на массы нейтрино сегодня сильнее ограничений, полученных из прямых наземных экспериментов Троицк ?-масс и КATRIN; вполне возможно, что массы нейтрино будут впервые измерены именно методами космологии!

Второй круг проблем имеет отношение к астрофизике частиц и многоканальной (multimessenger) астрономии. Речь идет об источниках космических частиц высоких и сверхвысоких энергий — протонов, атомных ядер и в особенности нейтрино и ?-квантов. В самое последнее время в этой области наметился ощутимый прогресс, о котором отчасти уже написано в «Советском физике» (статья* А.В. Плавина и др. в номере 4(145) за 2020 год). Изучение наиболее мощных астрофизических источников, таких как квазары — гигантские черные дыры — с помощью одновременной регистрации электромагнитного излучения в широком диапазоне энергий и нейтринного излучения становится новым словом в астрофизике. Еще одним источником информации о катастрофических событиях в космосе, используемым параллельно с электромагнитным и нейтринным излучением, становятся гравитационные волны. К астрофизическим аспектам научного направления кафедры примыкает и задача поиска новых гипотетических частиц, которые могут рождаться в астрофизических объектах — звездах, квазарах и т.д.

Чрезвычайно интересным является вопрос о самых первых стадиях эволюции Вселенной, предшествовавших горячей стадии. Результаты наблюдательной космологии, и в первую очередь данные по реликтовому микроволновому излучению, однозначно свидетельствуют о том, что известная горячая стадия не была первой в развитии Вселенной, что ей предшествовала совершенно иная стадия (а, возможно, несколько различных стадий), про которую можно сказать, что именно на ней происходило образование первичных неоднородностей во Вселенной, которые в конечном итоге развились в галактики, скопления галактик и другие структуры. Наиболее популярной и разработанной гипотезой здесь служит космическая инфляция — экспоненциальное расширение Вселенной с гигантским темпом. Однако пока нельзя исключить и другие возможности, такие как модель с отскоком (сжатие — остановка сжатия — расширение Вселенной). Теоретические исследования в этой области направлены на разработку конкретных моделей и получение предсказаний, доступных проверке в идущих и будущих экспериментах.

Научные направления кафедры и результаты 2017–2022 г.г.

Этот краткий список нерешенных проблем иллюстрирует те научные направления, которые являются основными для кафедры: космология, астрофизика частиц, физика микромира. Разумеется, исследования на стыке физики частиц, астрофизики и космологии требует развития соответствующих теоретических подходов, среди которых особое место занимает квантовая теория поля, а также построения моделей физики частиц, выходящих за рамки Стандартной модели, и разработки теории гравитации. Все эти направления представлены в научной программе кафедры и отражены в научной работе студентов и аспирантов. Кроме того, сотрудники кафедры обучают студентов и ведут научную работу по развитию методов компьютерного моделирования физических процессов в космологии, астрофизике и физике частиц, а также методов обработки экспериментальных данных, включая методы машинного обучения.

Среди результатов, полученных сотрудниками кафедры вместе со студентами и аспирантами, можно обратить внимание на следующие: • Подтверждение на высоком уровне достоверности галлиевой нейтринной аномалии в эксперименте BEST, которая указывает на существование стерильного нейтрино (рис. 2). • Построение самосогласованных моделей ранней Вселенной без начальной сингулярности. • Построение моделей космической инфляции с низким энергетическим масштабом и получение предсказаний для будущих экспериментов. • Создание феноменологической модели и стратегии поиска новых тяжелых нейтральных лептонов (рис. 3). • Построение метода функционального интегрирования для моделей квантовой гравитации. • Наблюдение фотонов с энергией выше 300 ТэВ, связанных с высокоэнергетическим нейтрино из области Лебедя, в эксперименте Ковёр-2. • Обнаружение корреляции прихода высокоэнергичных нейтрино с радиовспышками от радио-ярких блазаров. • Численный расчет гравитационной Бозе-Эйнштейновской конденсации скалярной тёмной материи с образованием Бозе-звёзд (рис. 4). • Численный расчет гравитационной Бозе-Эйнштейновской конденсации скалярной тёмной материи с образованием Бозе-звёзд (рис. 4). • Получение ограничений на компоненту тёмной материи, распадающуюся после рекомбинации.
	Рис.2. Область в пространстве параметров стерильных нейтрино, предпочтительная с точки зрения существующих экспериментов, в том числе эксперимента BEST на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.
	Рис.3.Чувствительность идущих и будущих экспериментов к тяжелым нейтральным лептонам.
	Рис.4. Образование Бозе-звезды (правый рисунок) в результате эволюции облака скалярной тёмной материи, изображенного на левом рисунке.

Разумеется, этот краткий перечень — далеко не исчерпывающий. За истекшие 5 лет сотрудниками кафедры опубликовано более 100 статей в ведущих мировых научных журналах, из них 15 статей с участием студентов кафедры, включая 4 статьи с участием учащихся бакалавриата.

Ещё о кафедре

Кроме заведующего кафедрой академика РАН В.А. Рубакова и заместителя заведующего профессора В.В. Белокурова, сотрудниками кафедры являются другие активные ученые — доктора или кандидаты наук, основным местом работы которых служит Институт ядерных исследований РАН. Их — 12 человек, включая академика РАН И.И. Ткачёва, членов-корреспондентов РАН Д.С. Горбунова, М.В. Либанова и С.В. Троицкого. Кафедра обеспечивает научное руководство студентами и аспирантами и чтение набора спецкурсов, необходимого для подготовки физиков-теоретиков по следующим основным направлениям:

• космология,

• физика элементарных частиц,

• квантовая теория поля,

• астрофизика частиц,

а также по смежным направлениям, таким как

• методы обработки экспериментальных данных, включая методы машинного обучения,

• методы компьютерного моделирования физических процессов в космологии, астрофизике и физике частиц.

Кроме того, сотрудники кафедры ведут 3 спецкурса по магистерской программе Н9 Школы «Космос» — «Физика астрочастиц и тёмная материя» и 5 спецкурсов в Филиале МГУ в г. Сарове (некоторые — совместно с сотрудниками Отделения ядерной физики и кафедры теоретической физики физфака).

На основе курсов, чтение которых ведётся на кафедре, сотрудниками кафедры опубликовано около десятка монографий; практически все они переведены на английский язык и пользуются популярностью в России и мире.

Студенты кафедры почти ежегодно занимают призовые места на конкурсе дипломных работ им. Р.В. Хохлова, многие имеют именные стипендии или стипендии фонда «Базис». Успешные студенты и аспиранты участвуют в работах по грантам их научных руководителей (в общей сложности 30 студентов и аспирантов в 2017–2022 годах), принимают активное участие в конференциях и школах для молодых учёных по тематике кафедры. Можно с удовлетворением отметить, что около 60% выпускников магистратуры кафедры сегодня продолжают заниматься научной работой в университетах и исследовательских институтах, в основном в России.

Задачи, стоящие перед фундаментальной физикой на стыке космологии, физики частиц и астрофизики, чрезвычайно сложны, но и исключительно интересны. Представляется, что кафедра физики частиц и космологии вносит достойный вклад в решение этих задач как своими научными результатами, так и подготовкой учёных высшей квалификации. Можно с уверенностью сказать, что дальнейшее развитие научных направлений кафедры приведет к ещё более впечатляющим продвижениям в наиболее фундаментальной области знаний, ориентированной на изучение глубинной структуры вещества и её связи с физическими процессами, происходящими во Вселенной.

Заведующий кафедрой физики частиц и космологии профессор,

академик РАН В.А. Рубаков,

Заместитель заведующего кафедрой физики частиц и космологии профессор В.В. Белокуров

Примечание Главного редактора:

А.В. Плавин, Ю.Ю. Ковалев, Ю.А. Ковалев, С.В. Троицкий. Нейтрино высоких энергий от ядер активных галактик. «Советский физик» №4(145), 2020. https://phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2020/04(145)-2020/28492/

Ежегодник газеты «Советский физик».2020 год. С.206-209.