Вадим Кузьмин: от солнечных нейтрино до глубин космологии

Есть ученые, про достижения которых писать легко и приятно — они очевидные и яркие, их можно преподносить без всяких натяжек. К таковым относится Вадим Алексеевич Кузьмин, член-корреспондент РАН, большую часть жизни проработавший в ИЯИ РАН. 16 апреля исполнилось 85 лет со дня его рождения. К сожалению, его уже 7 лет нет с нами.

Наверняка многие читатели слышали про былую проблему солнечных нейтрино. Сначала зарегистрировали самые энергичные нейтрино борного цикла (опыт Дэвиса) — их сильно не хватало в сравнении с тем, что давали расчеты. Но борный цикл — не основной, недостачу нейтрино можно было бы списать на неточность модели Солнца. Основной цикл — протонный, в нем излучаются нейтрино меньших энергий, которые сложней зарегистрировать, но зато их поток однозначно связан с энерговыделением Солнца. Но как все-таки их зарегистрировать?

Именно этим занялся Вадим в начале 1960-х. Задача заключалась в поиске ядерной реакции, индуцируемой нейтрино небольшой энергии, такой, чтобы продукт этой реакции можно было обнаружить. Не просто обнаружить, а зарегистрировать единичные акты этой редкой реакции — выловить единичные ядра. Решение, найденное Кузьминым: галлий-германиевый метод, реакция захвата нейтрино галлием 71Ga + νe → 71Ge + e. Изотоп 71Ge нестабилен (период полураспада 11 дней) и может быть зарегистрирован по распаду. Этот метод реализован в подземной Баксанской нейтринной обсерватории и в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Оба эксперимента подтвердили недостачу нейтрино, объяснение которой теперь стало общим местом: нейтринные осцилляции.

Космические лучи известны с начала ХХ века. Чем крупнее появлялись детекторы, тем более высокие энергии космических частиц они регистрировали. Есть ли предел энергии этих частиц? Оказывается, есть. В середине 1960-х Вадим Кузьмин вместе с Георгием Зацепиным обнаружили его чисто теоретически. Пространство заполнено фотонами реликтового излучения с температурой 2,7 К. При очень большой энергии протона он может провзаимодействовать с реликтовым (микроволновым) фотоном, родив π-мезоны и потеряв значительную часть своей энергии. То есть спектр космических протонов должен резко падать выше порога рождения пионов при взаимодействии протонов с реликтовыми фотонами. Этот самый порог находится в районе энергии 1020 электронвольт. Одновременно и независимо от Зацепина с Кузьминым этот результат был получен и опубликован Грейзеном, явление получило название «порог ГЗК». В 1960-х годах не существовало достаточно больших детекторов, чтобы регистрировать протоны таких энергий, они появились к концу века. Одна из таких установок, японский массив детекторов AGASA площадью более 100 км2, зарегистрировала несколько частиц энергии выше 1020 эВ, так что это явно противоречило порогу ГЗК. Это вызвало большой «шухер» среди теоретиков, появились даже идеи, что специальная теория относительности нарушается при сверхвысоких энергиях. Однако вскоре вступили в строй новые установки, показавшие согласие спектра протонов с порогом ГЗК, самый большой детектор имени Пьера Оже в Аргентине а также Telescope Array в США продемонстрировали блестящее согласие. Научная общественность пришла к выводу, что команда AGASA неправильно прокалибровала энергию широких атмосферных ливней. В их спектре были и другие странности, а если принять эту ошибку, всё вставало на свои места. Так порог ГЗК был триумфально подтвержден.

Порог Грейзена — Зацепина — Кузьмина по современным данным. Красная линия — расчет, точки — результаты измерений установкой имени Пьера Оже (2017 год)
Порог Грейзена — Зацепина — Кузьмина по современным данным. Красная линия — расчет, точки — результаты измерений установкой имени Пьера Оже (2017 год)

Это работы Вадима Кузьмина, которые были воплощены и экспериментально проверены. Другие, наиболее интересные, его работы относятся к недосягаемым масштабам.

Это прежде всего проблема барионной асимметрии Вселенной: как произошел перекос между веществом и антивеществом. Проблема была поставлена А. Д. Сахаровым в 1960-х, но конкретное решение, предложенное Андреем Дмитриевичем, было нереалистичным — физика частиц к тому времени была недостаточно развита. Вадим Кузьмин вместе с Александром Игнатьевым, Николаем Красниковым и Альбертом Тавхелидзе предложил более реалистичное решение, основанное на теории Великого объединения, гласившего, что при энергиях 1015 ГэВ появляется новая физика, новые тяжелые частицы, лептокварки, там сильно нарушается закон сохранения барионного числа, там нарушается термодинамическое равновесие и там может нарушаться комбинированная четность, обеспечивающая симметрию между миром и антимиром. А это и есть условия Сахарова для образования барионной асимметрии.

Теория Великого объединения сейчас подвисла в воздухе — ее предсказания, например распад протона, не подтверждены, но и не опровергнуты. Так и идея Кузьмина не опровергнута, хотя подтверждения она (пока?) не получила.

Вадим также работал вместе с Валерием Рубаковым и Михаилом Шапошниковым над другим вариантом нарушения барионной симметрии, происходящей при более низкой энергии, на более поздней стадии эволюции Вселенной — за счет электрослабых взаимодействий.

Большинство вариантов нарушения барионной симметрии подразумевает нестабильность протона, вопрос — на каком уровне. Экспериментальный верхний предел постепенно понижается, но есть теории, где время жизни протона настолько велико, что экспериментальная регистрация его распада безнадежна. Вадим догадался, что может происходить другой красивый процесс — переход нейтрона в антинейтрон: нейтрон-антинейтронные осцилляции по аналогии с нейтринными осцилляциями. Квантовомеханический эффект осцилляций частиц делает редчайшие процессы наблюдаемыми: так произошло с осцилляциями К-мезонов и нейтрино. Эта красивая идея пока не подтверждена, и неизвестно, может ли быть подтверждена, но и без экспериментальной проверки она остается красивой.

Наконец, хотелось бы отметить классическую работу, предвосхитившую важнейшую мировоззренческую картину: теорию вечной инфляции — множественного рождения вселенных, образование Мультиверса (автор концепции — Андрей Линде). Эта работа сделана Вадимом Кузьминым совместно с Виктором Березиным и Игорем Ткачевым. В работе продемонстрировано, как происходит «почкование» вселенных, это сделано на основе решения уравнений общей теории относительности в некоторых упрощающих предположениях, которые, тем не менее, не меняют сути. Замкнутую Вселенную можно представить как пузырь, вложенный в пространство большего числа измерений, — такое вложение не обязательно реально, но помогает представить происходящее. На этом пузыре во время инфляции из-за флуктуаций плотности начинает расти выпуклость. По мере ее роста образуется сжимающаяся перемычка между родительским и дочерним пузырями. В конечном счете получаются две независимые вселенные, возможно, соединенные кротовой норой, оставшейся от перемычки. Возможно, кротовая нора испаряется, и вселенные теряют связь. Эта работа была сделана еще до того, как Андрей Линде выдвинул концепцию вечной инфляции, но она великолепно вписалась в эту грандиозную картину. Собственно, она и есть — вечное почкование пузырей пространства, образующее бесконечный Мультиверс.

Каждая из этих работ заслуживает отдельного развернутого рассказа. Главное качество Вадима Кузмина как ученого — великолепная интуиция, подкрепленная замечательной фантазией. Он из тех физиков, которые чувствуют результат еще до проведения вычислений. И еще он был потрясающим рассказчиком — это относилось как к докладам, так и к личному общению. Он умел очень увлекательно рассказывать о сложных вещах, да еще с артистизмом! Достаточно было зайти к нему в кабинет просто поболтать, и он начинал говорить о какой-нибудь новой идее так, что невозможно было не проникнуться ей и не поверить в нее.

Борис Штерн

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
22 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
res
res
25 дней(-я) назад

Колоритнейшая личность была. Жил на полную катушку! Светлая память.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
23 дней(-я) назад

«При очень большой энергии протона он может провзаимодействовать с реликтовым (микроволновым) фотоном, родив π-мезоны и потеряв значительную часть своей энергии» — такое объяснение порога Грейзена-Зацепина-Кузьмина показалось фантастическим — ведь у протона с энергией 10^20 eV  релятивистская масса на  23 порядка больше, чем у реликтового (микроволнового) фотона.
Заглянул в статью Зацепин Г.Т., Кузьмин В.А. О верхней границе спектра космических лучей (1966) http://www.jetpletters.ru/ps/785/article_12115.pdf
— они ответственность за физический механизм порога переложили на японских авторов —
Hayakawa S., Yamamoto Y. Ultra-High Energy gamma-Rays from Intergalactic Space. Progr. Theor. Phys., 30, 71, 1963.
https://academic.oup.com/ptp/article/30/1/71/1928685
Японские авторы, в свою очередь, сослались на статью — G. Cocconi, Proc. Moscow Conference on Cosmic Rays (1960), II, 309, — до неё я не смог добраться по интернету.
К слову, — в статье японцев, — в качестве допущения, — температура фотонного газа принята равной 58000 K. Похоже, физический механизм порога чересчур гипотетический.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
23 дней(-я) назад

Заметил у себя ошибку: в статье японских авторов температура фотонного газа 5800 K — как на Солнце.

res
res
23 дней(-я) назад

Насчет «релятивистской» массы почитайте заметки Окуня в УФН. Очень много неверных толкований, вопрос тонкий … ))

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
22 дней(-я) назад
В ответ на:  res

Соглашусь, масса — понятие неоднозначное, — то же самое можно сказать про любую другую физическую величину.
Мне, в свое время, понравилась статья — Окунь Л.Б. Понятие массы (УФН 1989_07).
https://ufn.ru/ru/articles/1989/7/f/
Если не комфортна «релятивистская» масса, то можно пользоваться синонимами: фиктивная, кажущаяся, активная…, — по Окуню, в уравнениях её всегда надо представлять произведением переменного безразмерного лоренцовского множителя на постоянную величину с размерностью массы. По тогдашнему мнению Льва Окуня — это позволяет обезопасить человеческую психику от парадоксов релятивизма.
К слову , — такой подход широко практикуется во всех областях человеческой деятельности, -например, рубль — то растет, то уменьшается в зависимости от внешнеэкомической обстановки, — но, согласно Окуню, — в целях сохранения психического здоровья, — не стоит представлять это как физическое изменение размеров или массы рублевой монеты или банкноты.

res
res
22 дней(-я) назад

Насколько я помню, Л.Б. предостерегал от вольного отношения к массе. Растет энергия, масса же понятие, относящееся к системе покоя частицы. Хотя он приводит далеко не тривиальную эволюцию взглядов самого АВТОРА на его соотношение Е=Мс2 ))

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
22 дней(-я) назад
В ответ на:  res

Да…, вольное отношение к массе чревато невольным, непредсказуемым взрывом, — хоть ядерным, хоть социальным…, — и, похоже, — это неизбежный для нас способ творить немыслимое, безумно интересное будущее ))

Борис Штерн
ТрВ
22 дней(-я) назад

Масса это релятивистский инвариант. Не зависит от энергии частицы

Валерий Морозов
21 дней(-я) назад
В ответ на:  Борис Штерн

Поэтому лучше избегать разговоров о массе. Борец с релятивистской массой Радий Храпко (его письмо в УФН инициировало статью Окуня) прорвался таки в УФН с невнятной статьей, где фигурирует масса фотона.

Радий пожалуй рекордсмен среди фриков. Его статью о якобы имеющемся у световой волны с круговой поляризацией спина, не описываемого электродинамикой, была направлена в сотню журналов по всему миру и отвергнута. Попытки объяснить товарищу, как это происходит на самом деле с участием, пожалуй, главного специалиста по этим задачам Игоря Соколова (Мичиган, две статьи в УФН по таким задачам) не убелили Радия.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
21 дней(-я) назад
В ответ на:  Борис Штерн

«Инвариантная» масса ненамного лучше «релятивистской» в ситуации с порогом Г-З-К.
Цитирую Игоря Иванова: инвариантная «…масса частицы — величина, которая связана с полной энергией E и импульсом p формулой m^2 = E^2/c^4 – p^2/c^2»
https://elementy.ru/LHC/HEP/measures/invariant-mass
По этой формуле нетрудно посчитать для протона с E=10^20 eV его «инвариантную» массу:
при его скорости, скажем, 0.9*c,  получается m_inv=1.325*10^-16 kg, — это на 11 порядков больше массы «покоя».
Другой вариант: допустим, инвариантная масса протона и его масса покоя — это одно и то же.  Тогда по той же формуле нетрудно оценить скорость, — назову её «инвариантной», — v_inv=3.195*10^19 m/s — это на 11 порядков больше скорости света в вакууме.
Вот как-то так.

Борис Штерн
ТрВ
21 дней(-я) назад

Формула правильная. Дальше вы пишите глупости. Не позорьтесь. Читайте учебники

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
21 дней(-я) назад
В ответ на:  Борис Штерн

В учебниках такое не прочитаешь. Похоже, у нас разное представление о позоре.
Вы, главное, не принимайте мои комментарии уж очень всерьез, — легче воспринимайте чужие глупости, — на площадке ТрВН можно увидеть такие, по сравнению с которыми мои выглядят библейской мудростью.
Мне важно, чтобы меня не банили — мне интересна реакция на мои глупости, — и я изо всех сил стараюсь излагать свои замечания предельно осторожно, деликатно и толерантно.
Вот как-то так.

Последняя редакция 21 дней(-я) назад от Владимир Аксайский
Валерий Морозов
21 дней(-я) назад

Это все по большей части определения. С ними бороться бесполезно. Но иногда можно переопределить. Вот на заре теории относительности инвариантная масса не использовалась, но применялись инертная и тяжелая массы. Это ни у кого не вызовет раздражения, если употребление этих терминов уместно.

Упомянутый Храпко, по существу боролся с терминологией, похоже ему была ближе инертная масса для объяснения СТО студентов инженерного профиля.

Валерий Морозов
21 дней(-я) назад

Учебники надо читать, причем лучше разные. Только обязательно хорошие.

res
res
21 дней(-я) назад
В ответ на:  Борис Штерн

Ну, ошибся человек в вычислениях (скорее всего с2 где-то потерял). Кто не делал ошибок в вычислениях, пусть первым бросит камень ))
По поводу E=Mc2 хватает разночтений (до сих пор!). УФН заметки Л.Б. Окуня как раз дают прекрасную историческую ретроспективу эволюции толкования этого соотношения самим АВТОРОМ.
А масса, да, релятивистский инвариант. С этим никто и не спорит ))

Последняя редакция 21 дней(-я) назад от res
Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
20 дней(-я) назад

Не раз с изумлением убеждался — теоретики, даже самые известные, порой допускают вольное обращение с размерностями и численными оценками размерных величин, — вот, например, путаница с размерностями в статье Чандрасекара: https://elementy.ru//novosti_nauki/433690/Zhizn_za_predelom_Chandrasekara?ofm=1#fm5338345
Я сам, например, чтобы не запутаться в размерностях, — особенно, в оценках по громоздким формулам, — использую Mathcad.
Mathcad мне нравится своей уникальной способностью работать с размерными величинами, — причем в одном выражении могут уживаться величины в образе разных систем — Si, MKS, CGS, US, — при желании, можно дополнительно сконструировать свои размерности. Mathcad осваивается за час — в объеме, достаточном для численных оценок: интуитивно понятный интерфейс, — порядок записи величин и выражений — как учили в школе: слева направо и сверху вниз, — в общем прекрасное подручное средство, не требующее даже элементарных навыков программирования, — хотя, для любителей, есть и язык и много чего ещё.
В качестве иллюстрации привожу скриншот mathcad-файла с оценкой инвариантной массы протона m_inv с энергией E_p=10^20 eV и скоростью v_p=0.9*c.
На файл потратил пару минут.
Нюанс: по умолчанию нулевой порог порядка величин равен 15, — я обычно выставляю 150 — это позволяет отображать величины, вплоть до 10^-150, мне этого хватает с лихвой, — для этого надо пройти по меню: Format->Result->Tolerance-> Zero threshold (15), можно 150.

proton_invariant_mass.jpg
res
res
20 дней(-я) назад

Гораздо удобнее работать с энергетическими единицами — E, Pc, Mc2, где М — масса покоя. Всё лучше выражать в ГэВ. Например масса покоя протона, Мс2 примерно 0.938 ГэВ. А то в порядках запутаешься ))

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
19 дней(-я) назад
В ответ на:  res

Согласен, — это удобно и, похоже, не только в физике.
Уже лет пятьдесят как зримо обозначилась идея ввести энергетические единицы в жизнь планетарного социума, — в частности, универсальную «энерговалюту» — например «энергорубль».
Скажем, 1 рубль это 5 кВт*час, — тогда сегодняшняя средняя пенсия в РФ – это 288 миллиардов джоулей, — дух захватывает от такой громадной пенсии.
Пионеры-энтузиасты идеи энерговалюты  — интеллектуалы типа Линдона Ларуша, Побиска Кузнецова и им подобные  – сами по себе интересные, неординарные люди, с ними не соскучишься – это видно, например, из интервью Виктора Кузина с Линдоном  Ларушем 1ноя1993 в США, штат Миннесота, г.Рочестер, федеральная тюрьма. Привожу два фрагмента из ответов Ларуша.
Авторская шутка Ларуша на тему нашей перестройки:
«Л.: Разрешите мне вставить небольшой анекдот, не нарушающий общего хода мыслей. Эту шутку я повторял много раз, начиная с 1990 года. В течение десятилетий КПСС говорила народу, что капитализм — это воровство и бандитизм. А потом Горбачев заявил: товарищи, мы должны все стать капиталистами. Его соответственно и поняли. Вот обычное явление.»
Афоризм Ларуша, помогающий понять — что такое прибыль:
«Прибыль — это не то, что вы украли!».

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
18 дней(-я) назад

В тему энерговалюты: она уже есть, — это криптовалюта в форме биткоина и т.п., — и производится она майнингом — круглосуточной, круглогодичной, безостановочной и, похоже, неостановимой работой огромного уже сейчас и всё возрастающего числа компьютеров.
Уже пару лет назад на годовое производство биткоинов было затрачено больше электроэнергии, чем его потребляет такая страна, как Аргентина.
Это не противоречит «пчелиной» версии майнинга — и, похоже, образ земного рая как роя не самый фантастический, — и может быть использован как криптоинструмент прогнозирования криптобудущего))
http://trv-science.ru/2017/08/15/totalnyj-mining/

Гончаров А.И.
Гончаров А.И.
18 дней(-я) назад

Уважаемый г. Аксайский!
Не могли бы Вы конкретизировать? С учетом действующих тарифов на электроэнергию и реальной средней пенсией? (1 рубль — это 0,17квт/ч)

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
18 дней(-я) назад
В ответ на:  Гончаров А.И.

Я взял средний размер пенсии 16 тыс.руб в РФ по состоянию на 01янв2021
https://www.vedomosti.ru/economics/news/2021/03/29/863596-v-mintrude-nazvali-srednii-razmer-pensii-v-rossii
1 рубль = 5 кВт*час взял из статьи — Юркова Т.С. Перспективы становления российского рубля в качестве мировой энерговалюты
http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=3372
Цитирую: «Вся ранее выпущенная Банком России денежная масса обеспечивается такими же финансовыми активами из расчета 1 рубль — 5 кВт-часов (10% стоимости энергорубля). РФ должна взять на себя обязательство в течении 5 лет довести обеспечение «старого» рубля до «энергорубля».»
Привожу расчет средней пенсии в энергетических единицах, ГДж=10^9 Дж, 1 гигаджоуль – это 1 миллиард джоулей:
ср_пенсия=(16000 руб*5 кВт*час/руб)/мес=288 ГДж/мес=2.26*10^6 ккал/сут
Расчет гипотетический и допускает корректировку конкретным пользователем, — например, Вами.
Если хотя бы половину ср_пенсии выдавать в виде продуктов питания по их калорийности, — то ср_пенсионер, — кроме себя, — сможет кормить полтысячи родственников и знакомых, — ну, или оказывать гумпомощь.
Из Википедии: «С 19 до 30 лет мужчина, ведущий преимущественно сидячий образ жизни, в среднем в сутки нуждается в 2300-2500 ккал. С 31 до 50 лет – в 2100-2300 ккал. 50 лет и старше – менее 2000 ккал.»

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
18 дней(-я) назад

Полезный факт: 2000 ккал/сут ~ 100 Вт ~ 100 Дж/сек – это тепловыделение человека в положении сидя в платном общественном месте.
https://tehtab.ru/Guide/Engineers/HumanBeing/MetabolicHeatGain/
Пенсионер, — посещай  театр и кино
Согревай свою душу и зал заодно.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (3 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: