Найдется все: как поисковый алгоритм «Яндекса» поможет в поиске антиматерии

В этом месяце «Яндекс» объявил о своей готовности участвовать в очередном эксперименте CERN (ЦЕРН — Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. — Прим. ред.), который, возможно, еще немного приблизит нас к ответу на главный вопрос Вселенной. По важности для науки этот эксперимент — он называется SHiP — вполне можно сравнить с поисками бозона Хиггса. Год назад подтверждение существования этого бозона доказало состоятельность так называемой Стандартной модели элементарных частиц — единственного экспериментально подтвержденного описания того, как устроен микромир, — то есть из чего, в сущности, состоит почти все на свете. Теперь авторы SHiP попытаются в некотором смысле выйти за границы Стандартной модели и узнать вещи, которые она пока объяснить не может.

Согласно Стандартной модели, материя состоит из собственно элементарных частиц фермионов и переносчиков взаимодействий между ними — бозонов (например, фотонов, переносчиков электромагнитного заряда). Фермионы, в свою очередь, состоят из неделимых лептонов (электрон, нейтрино, мюон) и кварков — строительного материала для протонов, нейтронов и множества недолговечных частиц с головокружительными названиями вроде «вопиюще экзотического адрона» или «странного прелестного мезона». Бозон Хиггса в этой схеме стоит немного особняком: он отвечает за наличие массы у большинства фермионов и в конечном счете — за то, что мы такие, какие есть, и не летаем, скажем, как фотоны, со скоростью света. Но в физике еще много загадок, и среди них такая: почему в мире практически нет античастиц, или антиматерии?

Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва в мире было примерно одинаковое количество материи и антиматерии. Но, как предполагают физики, существовала некоторая асимметрия — разница между количеством частиц и античастиц. Есть даже более-менее точные цифры: скажем, на миллиард пар кварков и антикварков приходился один лишний кварк. Еще спустя мгновение все пары аннигилировали, но остались только эти одинокие частицы, из которых теперь и состоит все вещество, в том числе мы с вами. Тем временем опыты по столкновению частиц в Большом адронном коллайдере показывают, что при их распаде образуется одинаковое количество частиц и античастиц. Почему так, в чем причина неравенства времен Большого взрыва и нынешней симметрии в коллайдере — бог его знает. Попытки понять, куда подевалось антивещество, предпринимались, в частности, авторами эксперимента LHCb по изучению свойств прелестных кварков, пояснить смысл которого популярным языком несколько затруднительно, но, в чем бы он ни заключался, эксперимент продолжается, и последние новости о нем можно узнать здесь.

SHiP пока находится в стадии подготовки, сами опыты запланированы на ближайшее десятилетие — подробности о них с цифрами, формулами и картинками смотрите в выступлении Андрея Голутвина, научного консультанта директора CERN и одного из инициаторов проекта. Если говорить очень грубо, авторы SHiP надеются открыть в лабораторных условиях непредсказанные Стандартной моделью частицы (собственно, название эксперимента так и расшифровывается: Search for Hidden Particles). Если их откроют, то это поможет лучше понять, что такое антиматерия и почему ее так мало. Между тем один из самых удивительных моментов эксперимента в том, что в нем собираются применить яндексовские технологии для хранения, поиска и распределенной работы с данными. поэтому мы попросили Андрея Устюжанина, руководителя совместных проектов «Яндекса» и CERN, хотя бы примерно описать, что все это значит.

• Эксперимент SHiP, кроме прочего, посвящен изучению симметрии частиц и античастиц. Можно как-то доступно или образно объяснить, что это за симметрия такая?

• Ну, представьте себе, что вы утром смотрите в зеркало: когда вы начинаете бриться правой рукой, вам кажется, что вы бреетесь левой. Хотя то, как вы бреетесь в зеркале и в реальности, — это одинаковый процесс. Симметрия у частиц — это примерно то же зеркальное отражение, только не благодаря какому-то зеркалу, а в результате разницы зарядов. У отрицательного электрона есть своя античастица позитрон, у которого такая же масса, такой же спин, но только заряд положительный. Мы знаем, что вся таблица Менделеева состоит из протонов, нейтронов, электронов. Если поменять их на античастицы, например, протоны на антипротоны, то мы получим ту же таблицу Менделеева, только для антиматерии, где в атомах положительные электроны будут крутиться вокруг отрицательно заряженных ядер. Но все это в теории. Мы можем наблюдать атомы антиматерии только в лабораторных условиях или очень редко в космосе.

• У вас есть какая-нибудь своя популярная версия, что такое SHiP? И что именно «Яндекс» поможет найти в этом эксперименте?

• SHiP позволит исследовать еще одну теоретическую модель, которая включает в себя Стандартную. Имеется в виду поиск целого класса новых частиц, которые, возможно, тоже являются базовыми элементами материи. Их называют тяжелыми лептонами, heavy neutral leptons, или еще майорановскими нейтрино. Есть надежда, что эти лептоны многое смогут прояснить, в том числе природу асимметрии вещества и антивещества. Для этого «Яндекс» предоставляет CERN свои сервисы — технологии машинного обучения, алгоритмы обработки больших данных, позволяющие искать и моделировать редкие и очень редкие события, которые физики наблюдают в коллайдере.

• Очень редкие события?

• Ну, так физики называют какие-то важные редкие явления, которые происходят при столкновении и распаде частиц. Например, очень редкое событие — это распад прелестного мезона, который еще называют Bs-мезоном, на пару из мюона и антимюона. Как говорит Стандартная теория и доказывает опыт LHCb (в котором «Яндекс» тоже принимал участие), такое с этим мезоном происходит в трех случаях из миллиарда распадов. Но что если мы что-то упустили и на самом деле с ним такое происходит 30 или 100 раз на три миллиарда случаев? А что тогда происходит с другими частицами? И нет ли в таком случае повода пересмотреть Стандартную модель? Тут нужны более точные и мощные технологии, чтобы фиксировать подобные явления. И это важно, потому что дает возможность лучше узнать, как ведут себя элементарные частицы. Не очень сложно?

• Если можно еще проще объяснить, было бы хорошо.

• Чтобы было понятнее: редким событием можно считать и клик по контекстному объявлению в поисковой выдаче. Один и тот же человек крайне редко кликает по одному и тому же объявлению больше одного-двух раз. И одно из чудес или совпадений в том, что, например, яндексовский поисковой алгоритм «Матрикснет» можно использовать для поиска самых разных событий. И для ранжирования страниц в выдаче, и для фильтрации спама, и для предсказания кликов по объявлениям, и для выделения редких распадов частиц и античастиц.

• Про какие-то практические последствия ученые уже говорят? Как я понимаю, антивещество — это вполне реальная вещь. Что с ним вообще можно сделать?

• Когда это реальное антивещество соприкасается с веществом из нашей таблицы Менделеева, они аннигилируют, все исчезает, остается только энергия. Антиматерию научились синтезировать, сохранять какое-то очень непродолжительное время в ионизированном виде, но все это на уровне атомов. Вообще, для физиков исследования фундаментальных явлений ценны сами по себе. Это огромная польза для науки и для тех из нас, кому нужна более четкая картина реальности. Практические последствия — дело времени. Когда Фарадей в начале позапрошлого века научился генерировать электричество с помощью проволочной катушки и магнитного стержня, он же не думал, что через сто лет все на планете будет работать на электричестве. Если затраты по созданию антивещества, а они колоссальные, когда-нибудь начнут окупаться, то, наверно, будет какой-то прорыв в энергетике. А в обозримом будущем как минимум кто-то получит Нобелевскую премию, кто-то — новые учебники по физике.