| | |
К ИСТОРИИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ
А. А. Ансельм
Историю теоретического отдела ПИЯФ следует отсчитывать с середины 50-х годов, задолго до образования ЛИЯФ/ПИЯФ. Именно тогда в Физико-технический институт пришла большая группа молодых теоретиков. В дальнейшем они стали ядром теоретического отдела ФТИ, а затем и теоретического отдела ЛИЯФ, который сейчас является теоретическим отделом ПИЯФ. Решающую роль в создании теоретического отдела ФТИ того времени сыграли И.М. Шмушкевич, Л.А. Слив (атомная физика) и К.А. Тер-Мартиросян, руководивший работой многих молодых теоретиков до своего переезда в Москву в 1956 году. В течение 50-х годов в теоретическое отделение влились: В.Н. Грибов, В.М. Шехтер, И.Т. Дятлов, С.В. Малеев, А.Д. Пилия, О.В. Константинов, Ю.В. Петров, А.Н. Ерыкалов, В.В. Анисович и А.А. Ансельм. Значительная часть этих теоретиков работает и по сей день или работает в Институте уже много лет.
Вот краткая и, очевидно, субъективная история теоретического отделения ПИЯФ.
Должен сказать, что я ограничиваю этот обзор теорией физики элементарных частиц. Хотя эта тема традиционно занимала центральное место в работе Отделения, она, конечно, не исчерпывала всех направлений его деятельности. Я позволил себе ограничить этот обзор физикой элементарных частиц по двум причинам. Во-первых, в этом томе собраны обзорные статьи по другим темам (физике твердого тела и атомной физике), написанные специалистами в этих областях. Во-вторых, это введение не претендует на исчерпывающую полноту и во многом отражает личную точку зрения и вкус автора.
В течение примерно пятнадцати лет, т. е. до отделения Ленинградского института ядерной физики от Физико-технического института, характер работы Теоретического отделения во многом определялся двумя факторами. Во-первых, молодые теоретики, собравшиеся в ФТИ, работали в теснейшем сотрудничестве друг с другом и с теоретиками, присоединившимися несколько позже (Я.И. Азимов, Л.Н. Липатов, Г.С. Данилов, Л.Л. Франкфурт, Э.М. Левин, М.Г. Рыскин и др.). Отчасти это было обусловлено общностью научных интересов, а отчасти, вероятно, и близостью по возрасту молодых теоретиков, присоединившихся в те годы.
Вторым очень важным фактором было то, что с самого начала выделился естественнонаучный лидер — В. Н. Грибов. Его уникальный талант и исключительная активность во многом сформировали облик Теоретического отдела 60-х годов.
В более общем смысле на выбор научного направления кафедры существенное влияние оказали Л.Д. Ландау и И.Я. Померанчук, с которыми у нас был очень тесный контакт, в том числе и по их научным школам в Москве. Поэтому многие важные работы в области физики элементарных частиц 50-х и начала 60-х годов были посвящены разработке проблемы «нуль-заряда» или «московского нуля» [теперь широко известного как полюс Ландау — ВвС-ЯИА]. Здесь можно упомянуть, например, суммирование «паркетных» диаграмм (К.А. Тер-Мартиросян и И.Т. Дятлов) и решение «паркетных уравнений» (А.А. Ансельм), открытие двумерной теории без нуль-заряда — на современном языке теории с асимптотической свободой — (А.А. Ансельм) и некоторые другие. Позднее, в духе Л.Д. Ландау, работа Теоретического отделения во многом касалась подхода, основанного на использовании аналитичности и унитарности. Здесь в первую очередь следует назвать работы В.Н. Грибова. Среди многих важных результатов этого направления можно назвать теорию рождения нескольких частиц вблизи порога, которая впоследствии была развита И.Т. Дятловым, В.В. Анисовичем и А.А. Ансельмом, а также исследования Грибова асимптотического поведения амплитуды упругого рассеяния при высоких энергиях.
С середины 60-х годов доминирующей темой работы кафедры стала теория комплексных угловых моментов. Это направление возникло из пионерских работ Редже («полюса Редже»), и Грибов был одним из основателей этого нового направления. За несколько лет были получены фундаментальные результаты такой значимости, что на некоторое время Отделение теории ФТИ стало Меккой этой новой, бурно развивающейся области физики. Для изучения теории комплексных угловых моментов в Ленинград приезжали многие теоретики ведущих научных центров Запада. В стенах Отделения практически все теоретики по физике элементарных частиц перешли на «Реджеологию», за исключением В.М. Шехтера, который с присущей ему спокойной независимостью занимался симметриями — направлением, весьма популярным на Западе, но незаслуженно (как мы узнали позже) обделенным в то время в нашей стране. Когда в 1971 году Гатчинский филиал ФТИ стал Ленинградским институтом ядерной физики, Отдел теории филиала, заведующим которым был В.Н. Грибов, естественным образом стал Теоротделом ЛИЯФ. Многие теоретики, ранее направленные в «Метрополис», перешли в ЛИЯФ. С этого момента начинается официальная история Теоротдела ЛИЯФ, позднее Теоротдела ПИЯФ.
Начало 70-х годов было для Отделения трудным временем. Теория комплексных угловых моментов во многом себя исчерпала, но она, как это часто бывает, дала начало новому интересному направлению — дуальным моделям. Ее развитие привело в дальнейшем к струнным моделям, которые некоторое время были самым популярным предметом теории физики элементарных частиц.
В то же время тематика работ Теоретического отделения ЛИЯФ нуждалась в изменении. Новым направлением, которое в конечном итоге стало одним из важнейших для Отделения, стало изучение асимптотического поведения различных процессов при высоких энергиях путем суммирования избранных наборов диаграмм Фейнмана. Начало этой деятельности было положено пионерскими работами В.Н. Грибова и Л.Н. Липатова, которые рассмотрели асимптотическое поведение в глубоконеупругом рассеянии в дважды логарифмическом приближении. В качестве теоретико-полевой модели они выбрали нереалистичную псевдоскалярную связь. Впоследствии Ю.Л. Докшицер по предложению А.А. Ансельма решил аналогичную задачу для неабелевой калибровочной теории. К тому времени стало известно, что цветное калибровочное взаимодействие SU(3) является реалистичной теорией сильных взаимодействий, и поэтому эти результаты имели важное физическое значение.
На основе формальных результатов, полученных Грибовым, Липатовым и Докшицером, Л.Н. Липатову удалось построить партонную картину глубоконеупругого рассеяния, согласующуюся с квантовой хромодинамикой, в которой партонные структурные функции, в отличие от наивной партонной модели, эволюционируют с Q2, квадратом переданного импульса. Сегодня эти уравнения известны как уравнения эволюции Докшицера-Грибова-Липатова-Айтарелли-Паризи (уравнения ДГЛАП).
На короткое время работы по квантовой хромодинамике (КХД) стали доминирующей темой в научной жизни Отделения. Большое количество работ, опубликованных Отделением по этой тематике, было обобщено в обзорной статье Докшицера, Дьяконова и Трояна («ДДТ»), которая приобрела мировую известность. Позднее Ю.Л. Докшицер и С.И. Троян усовершенствовали двойное логарифмическое приближение КХД путем суммирования однократно логарифмических членов (Modified Leading Logarithmic Approximation - MLLA). В серии работ Я.И. Азимова, Ю.Л. Докшицера, С.И. Трояна и В.А. Хозе был разработан принцип партон-адронной дуальности, с помощью которого вычисления MLLA можно было непосредственно применять к различным адронным распределениям в аннигиляциях e+e-.
Работа по асимптотике амплитуд рассеяния при высоких энергиях в КХД во многом базировалась на опыте, накопленном в рамках Теоретического отделения по двум направлениям: теории комплексных угловых моментов и вычислению асимптотик амплитуд в квантовой электродинамике (работы В.Н. Грибова, Л.Н. Липатова, А.П. Бухвостова, В.Г. Горшкова, Г.В. Фролова). Е.М. Левин и М.Г. Рыскин, развивая работы В.Н. Грибова и Л.Н. Липатова по глубоконеупругому рассеянию, смогли перейти в новую кинематическую область предельно малых значений масштабной переменной Бьёркена x. Для этого представление о кварк-глюонной структуре адронов соединяется с идеями теории комплексных угловых моментов. Значительное значение имеют так называемые «полуусиленные» реджеонные диаграммы (в классификации реджеонной теории поля Грибова).
В области не столь малых бьёркенских x (но всё ещё x << 1) поведение структурных функций контролируется так называемым помероном БФКЛ (здесь БФКЛ означает Балицкий, Фадин, Кураев и Липатов). Предсказание о росте структурных функций ~ l/\/x с уменьшением x к настоящему времени экспериментально наблюдается на коллайдере HERA в DESY (Гамбург).
Сегодня, после 25 лет работы, мировой авторитет Теоретического отдела ПИЯФ в области пертурбативной квантовой хромодинамики очень высок. Можно сказать, что пертурбативная КХД является визитной карточкой Теоретического отдела.
Параллельно с пертурбативной КХД в Отделении ведутся исследования, связанные с проблемами КХД, выходящими за рамки пертурбативного анализа. Так, Я.Я. Балицкий и А.В. Юнг разработали новый метод вычисления функциональных интегралов, являющийся обобщением традиционного метода наискорейшего спуска. Впоследствии А.В. Юнг применил этот метод для решения ряда интересных задач.
Развивая методы оценки функциональных интегралов, Д.И.Дьяконов и В.Ю.Петров совместно с молодыми теоретиками Отделения М.В.Поляковым и П.В.Побылицей построили последовательную теорию инстантонного вакуума КХД — вакуума, населенного редкими инстантоноподобными флуктуациями. Им удалось самосогласованно описать большое число параметров адронной физики при низких и промежуточных энергиях. Недавно Д.И.Дьяконов и В.Ю.Петров показали, что явление удержания цвета также может быть понято в рамках представлений об инстантонном вакууме.
Другим подходом, который активно развивается в отделении теории, является метод правил сумм КХД. Здесь следует отметить ряд интересных результатов, полученных Д.И.Дьяконовым, А.В.Юнгом, Я.Я.Балицким и В.М.Брауном.
Особой областью, которая в последнее время привлекает интерес как теоретиков, так и экспериментаторов, является изучение классических пионных полей. Некоторые решения уравнений нелинейной сигма-модели и возможность создания классических полей при столкновениях ядер при высоких энергиях впервые обсуждались в работе А. Ансельма. Впоследствии эта тема получила дальнейшее развитие в работах А. А. Ансельма, М. Г. Рыскина и А. В. Шуваева.
Среди других исследований, связанных с непертурбативными проблемами КХД, следует отметить тонкий анализ, проведенный В.В. Анисовичем и А.В. Саранцевым, который, по-видимому, привел к открытию глюбола; работы Д.И. Дьяконова и М.И. Эйдеса по киральной теории возмущений; интересную работу Н.Г. Уральцева по распадам адронов, содержащих b-кварки; теоретическое предсказание В.А. Хозе о том, что тяжелый t-кварк с массой 150 ГэВ и выше не может адронизироваться из-за слишком короткого времени жизни и поэтому будет первым кварком, который будет обнаружен в «чистом» состоянии.
В 70–80-х годах М.И. Стрикман и Л.Л. Франкфурт изучали явления, происходящие при взаимодействии лептонов и адронов высоких энергий с ядрами. Значительную роль в этом анализе сыграли ненуклонные (кварконные) степени свободы в ядрах. Результатом этих работ стало выдвижение ряда экспериментальных предложений, которые к настоящему времени частично реализованы в различных лабораториях мира. Актуальным проблемам релятивистской ядерной физики посвящен ряд работ В.В. Анисовича и его сотрудников. В последнее время М.Г. Рыскин и Е.Г. Друкарев успешно развивают метод правил сумм КХД для описания ядер.
Теория слабых взаимодействий для нашего Теоретического отделения является несколько менее традиционной, чем теория сильных взаимодействий. Тем не менее, работы, связанные с теорией слабых взаимодействий, велись и продолжаются. Проблема нарушения четности в атомной физике обсуждалась в работах А.И. Москалева и Р.М. Рындина (подробнее см. статью А.И. Михайлова «Нарушение четности в атомах и молекулах» в этом обзоре).
Вопрос о нарушении CP-симметрии в распадах тяжелых мезонов изучался в ряде работ Я. И. Азимова, А. А. Ансельма, Н. Г. Уральцева и В. А. Хозе.
Соответствующие эксперименты запланированы на нескольких установках, и ожидается, что их результаты прояснят природу нарушения CP-симметрии.
Оценки электрического дипольного момента нейтрона были получены в работах А.А. Ансельма, Д.И. Дьяконова и Н.Г. Уральцева в рамках моделей, связанных со сложным смешиванием бозонов Хиггса. ЭДМ нейтрона оказался порядка (или немного больше) величины экспериментального предела, найденного, в частности, в отделе нейтронных исследований ПИЯФ.
В. Е. Бунаков и В. П. Гудков высказали ряд интересных предложений по поиску нарушения СР-симметрии в ядрах.
А. А. Ансельм и Н. Г. Уральцев в ряде работ показали, что различные естественные расширения стандартной модели приводят к возможности существования безмассового голдстоуновского бозона — ариона, слабо взаимодействующего с веществом. Предложен ряд экспериментов по поиску арионного дальнодействия. Они проводились в МГУ, Институте метрологии и Институте ядерной физики СО РАН и в ПИЯФ. А. А. Ансельм принимал непосредственное участие в ряде этих экспериментов.
Попытка объяснить иерархию масс генерации и углов смешивания была предпринята И.Т.Дятловым, который заменил традиционные связи Юкавы на связи хиральных векторов. На качественном уровне ему удалось воспроизвести экспериментально наблюдаемую иерархию.
Хорошо известно, что в результате мгновенных флуктуаций поля калибровочного бозона W барионное число не сохраняется в рамках стандартной модели. Это явление, не наблюдаемое в обычных условиях из-за экспоненциального подавления, должно проявляться при высоких температурах на ранних стадиях эволюции Вселенной. Д.И. Дьяконов и В.Ю. Петров внесли существенный вклад в теорию этого процесса, учитывающую, в частности, сильное взаимодействие Юкавы тяжелого t-кварка.
А. А. Ансельм и З. Г. Бережиани выдвинули идею о том, что матричные элементы матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы могут быть вакуумными средними значениями некоторых псевдоголдстоуновских бозонов, определяемыми минимизацией вакуумной энергии. Это предположение аналогично гипотезе, согласно которой θ-параметр лагранжиана КХД определяется средним значением аксионного поля. Рассматривая углы смешивания как динамические степени свободы, А. Ансельм и З. Бережиани смогли найти соотношения для углов смешивания и масс кварков, которым удовлетворяют экспериментальные данные.
Ряд сотрудников Теоретического отделения занимаются теоретическими проблемами, которые, хотя и не имеют прямой связи с экспериментом, но важны с точки зрения развития теории. Здесь в первую очередь следует отметить работы Л. Липатова по вычислению высших порядков теории возмущений; его результаты получили мировое признание.
Г.С. Данилов, И.Т. Дятлов и В.Ю. Петров исследовали физику удержания цвета на примере простейшей модели квантовой хромодинамики. А.А. Иогансен и А.В. Юнг выполнили ряд интересных исследований по теории струн и топологическим квантовым теориям поля. Г.С. Данилов и В.А. Кудрявцев также работают над теорией струн, хотя и в совершенно иных аспектах. Г.Данилов предложил новый метод расчета многопетлевых амплитуд взаимодействующих суперструн. В.Кудрявцев разрабатывает реалистичную модель суперструн, пытаясь описать наблюдаемый спектр адронных состояний.
Среди других чисто теоретических работ можно отметить статьи А. Ансельма и А. Иогансена, продемонстрировавшие ошибочность теоремы Адлера-Бардина о неперенормируемости аксиальной аномалии, а также статью тех же авторов по проблеме иерархии, т. е. проблеме существования двух совершенно различных шкал масс в теориях великого объединения.
Перечисленные здесь результаты ни в коем случае не исчерпывают научную жизнь Теоретического отделения в области физики элементарных частиц. Это естественно. Невозможно даже перечислить все направления работы за 25 лет существования ПИЯФ и тем более за 40 лет, если начинать историю нашего Теоретического отделения с середины 50-х годов. Этот рассказ является частичной и, как уже было сказано во введении, безусловно, довольно субъективной попыткой описать историю Теоретического отделения. Настоящий сборник содержит ряд обзоров оригинальных работ, что, вероятно, хотя бы отчасти компенсирует недостатки этой истории. К сожалению, не все ведущие сотрудники Теоретического отделения откликнулись на призыв оглянуться назад и попытаться оценить то, что было достигнуто за 25 лет. Поэтому остается только надеяться, что настоящий сборник даст хотя бы некоторую картину работы Теоретического отделения ПИЯФ.
В заключение немного официальной информации о Теоретическом отделении. В его состав входят 80 человек, в основном, кандидаты и доктора наук (14). Отделение состоит из 8 секций, четыре из которых связаны с физикой элементарных частиц. Из восьми заведующих секциями недавно сменилось пять. Было сочтено, что это очень полезно для омоложения руководства Теоретического отделения. Заведующие секциями поддержали эту инициативу. В настоящее время секции возглавляют следующие ученые:
⚬ Л.Н. Липатов - Квантовая теория поля.
⚬ Д.И. Дьяконов - Физика высоких энергий.
⚬ М.И. Эйдес - Теория электрослабых взаимодействий (заменил А. Ансельма).
⚬ В.Ю. Петров - Теория сильных взаимодействий (заменил И.Т. Дятлова).
⚬ М.Г. Рыскин - Теоретическая ядерная физика (заменил В.В. Анисовича).
⚬ С.В. Малеев - Физика твердого тела.
⚬ А.И. Михайлов - Атомная физика (заменил А.Н. Москалева).
⚬ А.Н. Ерыкалов - Физика ядерных реакторов (заменил Ю.В. Петрова).
Как уже упоминалось, основателем и бессменным руководителем Теоретического отдела был В. Н. Грибов, уехавший в Москву в 1980 году. В 1983 году руководителем (в настоящее время директором) Теоретического отдела стал А. А. Ансельм. Как и во многих других местах, большой проблемой в нынешней жизни Теоретического отдела является отъезд многих наиболее способных физиков. Многие талантливые члены Отделения либо нашли постоянную работу в различных западных университетах, либо работают за границей в течение многих лет и возвращаются только изредка. Конечно, мы можем утешаться мыслью, что большое количество членов, нашедших работу за границей, очевидным образом свидетельствует о высоком научном уровне нашего Теоретического отдела, но в то же время очевидно, что отсутствие в какой-либо момент 1/4 его членов, и в основном наиболее активных, оказывает крайне пагубное влияние на научную работу.
Другая проблема — проблема молодежи. До недавнего времени, несмотря на резкое падение приема студентов-физиков в вузы в целом по Санкт-Петербургу, количество одаренных молодых теоретиков, желающих поступить и принятых на теоретический факультет, оставалось на более или менее постоянном уровне. Видимо, для небольшого числа молодых людей возможность заниматься теоретической физикой все же важнее любых материальных соображений. Однако очевидно, что если оплата труда упадет ниже уровня выживания, то приток молодежи в физику (и вообще в науку) прекратится. Но размышления на эту тему явно выходят за рамки данной статьи.
Статья заимствована из сборника "ПИЯФ XXV. Отделение теоретической физики".
|
|
