От теоретика до экспериментатора. Видовой определитель

Уже давно прошли те времена, когда физики наивно делились на теоретиков и экспериментаторов, а фундаментальные открытия делались на клочке бумаги или при помощи мотка проволоки. В XX-ом веке физика, особенно физика микромира, стала неимоверно сложна и, как следствие, узкоспециализированна.

В данной заметке я попытаюсь представить современную классификацию ученых, работающих в области физики элементарных частиц. Обращаю внимание читателей заметки на то, что предлагаемая классификация ОФИЦИАЛЬНО НЕ ПРИНЯТА ни в одном физическом институте или международном центре, однако уже много лет неофициально используется всеми активно работающими "физиками- элементарщиками". Неофициальность классификации, на мой взгляд, оправдывает несколько вольный тон данной заметки, обилие явных жаргонизмов. Автор относит себя к феноменологам, иногда забредающим на территорию "модележников".

Итак, начнем нашу неофициальную (но отнюдь не шуточную!)классификацию.

Физики-теоретики. Элита, небожители, гении. Они занимаются самыми фундаментальными вопросами изучения окружающего мира. Как правило, идеи данной категории физиков не возможно проверить экспериментально в обозримом времени. В качестве примера физиков-теоретиков можно привести суперструнщиков, бранщиков, инфляционщиков. Грань между физиком-теоретиком и, например, чистым математиком чрезвычайно тонка. Известно, сколь сильно многие идеи теории суперструн и бран повлияли на развитие топологии и дифференциальной геометрии. Более близкий пример: квантовая теория поля, которая стимулировала бурное развитие теории обобщенных функций.

Из всего сказанного выше абсолютно не следует, что физики-теоретики выдумывают разные заумные штуки, абсолютно не имеющие ничего общего с реальностью. Наоборот, любая глубокая идея теоретиков базируется на непротиворечивости ее следствий всей совокупности твердо установленных на сегодняшний день экспериментальных фактов и объясняющих их теорий. Например, теория суперструн практически однозначно следует из современной квантовой теории поля. Физики-теоретики, на мой взгляд, одни из самых счастливых представителей человечества. Для них уже сейчас мир обрел ту полноту и глубину, до которой обычному человеку придется тянуться еще несколько сотен лет.

Следующую ступеньку занимают феноменологи. Это теоретики, чьи работы в принципе поддаются экспериментальной проверке на современных или будущих ускорителях, либо чья деятельность непосредственно связана с текущими экспериментами. Примеры феноменологов: ученые, которые развивают различные, в том числе и непертурбативные, методы теории сильных взаимодействий или вычисляют радпоправки высоких порядков, скажем, к аномальному магнитному моменту электрона или мюона. Грань между теоретиками и феноменологами постоянно изменяется с развитием современных технологий и ростом экспериментальных возможностей. Скажем, еще лет 15 назад людей, занимающихся исследованиями суперсимметрии или каналов распада бозона Хиггса, относили к теоретикам. Сегодня в свете новых возможностей американского ускорителя Tevatron (FNAL) и планируемого к запуску в CERNе суперколлайдера LHC, эти люди прочно перешли в ряды феноменологов.

Не следует думать, что феноменологи занимаются лишь "внедрением" идей физиков-теоретиков в эксперимент или "обслуживанием" потребностей физиков экспериментаторов. Я бы сказал, что феноменологи создают реалистическую теорию окружающего нас мира, базирующуюся на самых последних достижениях современных экспериментов. Для создания подобной реалистической теории феноменологам требуется не меньше изобретательности и интуиции, чем физикам-теоретикам. Например, Стандартная Модель взаимодействия элементарных частиц и ее возможные расширения суть феноменология. То есть, феноменология это настоящее и не очень далекое будущее теории микромира.

Следующими по списку идут ученые, занимающиеся компьютерным моделированием физических процессов. Несколько жаргонно назовем подобных людей "модележниками". Для чего нужны "модележники"? Одно дело — теоретически вычислить, например, распад бозона Хиггса на четыре лептона. И совсем другое дело — адаптировать полученный теоретический результат под конкретный эксперимент. Для этого необходимо рассчитать все нюансы прохождения лептонов через детектирующий объем экспериментальной установки с учетом эффективности срабатывания каждого типа детекторов и всесторонне изучить влияние паразитных сигналов от огромного числа неконтролируемых распадов других частиц, никак не связанных с исследуемым сигналом от бозона Хиггса, но возникающих при столкновении начальных ускоренных частиц. Для современных комплексных детектирующих установок, какими являются, например, детекторы D0 (FNAL, США), BELLE (KEK, Япония), ATLAS (CERN, Швейцария) и многих других, руками подобные вычисления провести принципиально невозможно. Только при помощи компьютеров, оснащенными специальными программами. Пишут, отлаживают и используют эти программы для прогнозирования поведения детекторов и исследования распадов частиц именно "модележники".

Естественно, что в программы моделирования регистрации распадов элементарных частиц с учетом специфики работы детекторов, закладываются только проверенные (или, как в случае с суперсимметрией, ожидаемые) свойства взаимодействия элементарных частиц, а также полученные путем множества независимых тестовых исследований и калибровок свойства каждого из типов детекторов. Любое отклонение реальных экспериментальных результатов от прогнозируемых должно быть тщательно исследовано на предмет ошибок в работе моделирующих программ и неправильных калибровок детекторов. Если ничего подобного не обнаруживается, то только в этом случае можно говорить о возможном открытии. Окончательная уверенность наступает тогда, когда аналогичный эффект обнаруживается на другой установке. Вот почему во многих ускорительных экспериментах строят несколько одинаковых по назначению, но разных по конструкции установок. В качестве примеров можно привести пары детекторов H1 и ZEUS в немецком ускорительном центре DESY под Гамбургом (структурные функции протона, рождение векторных мезонов и чарма, свойства померона), установки CDF и D0 во FNALе (открытие t-кварка), "великолепную четверку" детекторов электрон-позитронного коллайдера LEP в CERNе (свойства калибровочных бозонов, прецизионная проверка предсказаний Стандартной модели, возможное открытие бозона Хиггса). Бывает так, что сходные по своему назначению детектирующие установки строятся в абсолютно разных конкурирующих между собой научных центрах. Характерный пример: B-фабрики BaBar (Стенфорд, США) и BELLE (KEK, Япония), построенные для изучения эффектов CP-нарушения в системе нейтральных B-мезонов. Контакты между физиками, работающими на обеих установках, сведены к абсолютному минимуму, поэтому количественное совпадение экспериментальных результатов обеих групп является следствием фундаментальных законов Природы, а не "закулисного сговора" по совместной подгонке численных результатов участниками двух коллабораций.

От "модележников" только по чисто формальным признакам можно отделить физиков, которые занимаются компьютерной обработкой экспериментальных данных, полученных на работающих установках. Так называемых "обработчиков". Зачастую обработка реальных физических данных происходит при помощи тех же программ, что и адаптация теоретических предсказаний под работающую установку. Круг решаемых вопросов аналогичен.

Компьютерное моделирование — это тот мостик, который связывает теоретиков и экспериментаторов. Любые границы тут условны и надуманны. "Модележники" и "обработчики" — основная рабоче-мозговая сила современной физики высоких энергий. Их имена, в основном, составляют список авторов экспериментальной статьи — "братскую могилу" — для журнальных публикаций результатов работы экспериментальных коллабораций.

К следующей категории относятся непосредственно физики- экспериментаторы, ученые, которые создают экспериментальные установки в физике высоких энергий. Хороший физик-экспериментатор человек воистину уникальный! Он должен с одной стороны, быть в курсе возможностей самых современных технологий, а с другой уметь переводить на язык технических требований и условий теоретические рассуждения феноменологов. При каких энергиях можно родить бозон Хиггса? А с какой скоростью и с каким разрешением должен работать конкретный детектор, чтобы с требуемой степенью точности идентифицировать продукты распада Хиггса? Какой радиационной стойкостью должен обладать детектор? И т.д. и т.п. Нужны ответы на сотни конкретных вопросов, от которых зависит выбор материалов детекторов и технологии их производства. Зачастую, подобных технологий не существует в природе. Тогда физик-экспериментатор должен найти специалистов, которые эти технологии создадут или придумать, как можно обойтись без них. Каждый современный детектор для своего создания требует от физика-экспериментатора объема знаний и организаторских способностей не меньших, чем, например, при создании атомной бомбы. А технические коллективы, работающие над созданием каждого из современных ускорителей и детекторов, на порядки превышают советский и американский коллективы, работавшие над воплощением в жизнь атомного оружия! Есть особая категория физиков-экспериментаторов. Это "экспериментаторы — методологи". Они создают уникальные физические приборы. Как правило, ни в какие коллаборации не входят, но в случае удачи, их разработками пользуются все физики-экспериментаторы. Ярким представителем племени методологов является Жорж Шарпак — лауреат Нобелевской премии по физике 1992 года.

Физик-экспериментатор — соль, пот и опорная балка физики высоких энергий! Без его знаний, умений и таланта эта наука была бы всего лишь умствованием кучки высоколобых интеллектуалов. Однако, без высоколобых интеллектуалов чрезвычайно дорогая голая эмпирика физика-теоретика абсолютно неинтересна. Их симбиоз — это и есть настоящая ФИЗИКА высоких энергий.

Наконец, славное племя конструкторов, инженеров, технологов, программистов, рабочих высшей квалификации, без которых любой даже самый "головастый и рукастый" физик-экспериментатор не более чем полуслепой и почти беспомощный котенок. Это лаборанты наших дней. Зачастую подобные "лаборанты" имеют ученые степени докторов технических наук (или нечто эквивалентное на Западе), многочисленные уникальные промышленные разработки и занимают высокие посты на фирмах. Это те, кто создает материалы с заданными свойствами и производит электронику, кто налаживает связь и разрабатывает программное обеспечение для правильной работы "железа", кто своими руками собирает установку. Как правило, имена этих людей не появляются в статьях с физическими результатами, публикуемыми в ведущих научных журналах, им не присуждают Нобелевских премий. Для них это просто хорошо (очень хорошо!) оплачиваемая работа. Как поется в гимне космодрома Байконур: "Чернорабочие Земли готовят в космос корабли". Кстати, в CERNe такие "чернорабочие- лаборанты" составляют около 80-ти процентов всего штата постоянных высокооплачиваемых сотрудников, в то время как физики-теоретики и феноменологи менее 4-х процентов.

На этом я закончу классификацию. Надеюсь, что никого я не обидел, не принизил и не возвысил. Наоборот, мне хотелось через приведенную классификацию показать глубокую взаимосвязь различных областей работы в физике высоких энергий, показать, что в моей родной и любимой области науки важны все аспекты человеческой деятельности, определяющие лучшие достижения современной цивилизации.

Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"