Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц существует более 40 лет. Она создана профессором Ю.В.Новожиловым под непосредственным руководством академика Владимира Александровича Фока — основоположника Петербургской-Ленинградской школы теоретической физики. Эта школа известна во всем мире такими именами как А.А.Фридман, Г.А.Гамов, Л.Д.Ландау, В.Н.Грибов и др.
Человека всегда интересовали два вопроса: каковы те мельчайшие частицы, из которых образуется все вещество, включая самого человека, и как устроена Вселенная, частью которой является он сам. Двигаясь в своем познании в двух этих противоположных направлениях, человек, с одной стороны, двигаясь по ступеням вниз (молекула — атом — ядро — протоны, нейтроны — кварки, глюоны), пришел к пониманию процессов, происходящих на сверхмалых расстояниях, а с другой стороны, двигаясь по ступеням вверх (планета — солнечная система — галактика), подошел к пониманию устройства Вселенной в целом.
При этом оказалось, что Вселенная не может быть стабильной, и были получены экспериментальные факты, подтверждающие, что около 10 млрд. лет назад вся Вселенная, в момент возникновения в результате "Большого взрыва", сама имела микроскопические размеры. При этом для анализа процесса ее развития на этом раннем этапе необходимы знания о микромире, получаемые в экспериментах на современных ускорителях элементарных частиц. Причем, чем больше энергия сталкиваемых на ускорителе частиц, тем меньше расстояния, на которых может быть изучено поведение материи, и тем раньше тот момент, начиная с которого мы можем проследить эволюцию Вселенной. Так произошло смыкание исследований микро- и макро-космоса.
Еще 50 лет назад считалось, что вся материя состоит из атомов, а те, в свою очередь, построены из трех фундаментальных частиц — положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, формирующих центральное ядро, и отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра.
В настоящее время установлено, что протоны и нейтроны построены из еще более "фундаментальных" объектов — кварков. Шесть типов кварков наряду с шестью лептонами (электрон, мюон, тау и три соответствующих нейтрино) и четырьмя промежуточными векторными бозонами и служат теми строительными блоками, из которых построено все вещество во Вселенной.
Физика высоких энергий и элементарных частиц и изучает свойства и поведение этих фундаментальных составляющих материи. Их свойства проявляются в четырех известных взаимодействиях — гравитационном, слабом ядерном, электромагнитном, сильном ядерном. По современным представлениям слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия — это два различных проявления одного типа взаимодействия — электрослабого. Физики надеются, что в ближайшем будущем это взаимодействие будет вместе с сильным ядерным включено в Теорию Большого Объединения, а возможно и вместе с гравитационным в Единую Теорию Взаимодействия.
Для изучение фундаментальных частиц и их взаимодействий необходимо строить гигантские ускорители (устройства, в которых элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкиваются друг с другом). Из-за своих огромных размеров (десятки километров) ускорители строятся в подземных туннелях. Самые мощные ускорители работают или строятся в лабораториях CERN (Женева, Швейцария), Fermilab (Чикаго, США), DESY (Гамбург, Германия), SLAC (Калифорния, США).
В настоящее время в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Женеве в Швейцарии полным ходом идет строительство самого мощного ускорителя элементарных частиц LHC (Большого Адронного Коллайдера), способного ускорять не только элементарные частицы (протоны), но и атомные ядра. Ожидается, что при столкновении ядер свинца, разогнанных до сверх- высоких энергий, на этом ускорителе удастся получить новое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, при котором кварки и глюоны — составные элементы протонов и нейтронов сталкиваемых ядер — объединятся вместе. С точки зрения анализа развития Вселенной, такое состояние вещества было на стадии, существовавшей примерно через 10 микросекунд после "Большого взрыва".
Для регистрации признаков формирования кварк-глюонной плазмы при столкновении ядер свинца на ускорителе LHC строится огромная экспериментальная установка и планируется проведение на ней специального эксперимента — ALICE (A Large Ion Collision Experiment). Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц принимает участие в подготовке эксперимента ALICE в ЦЕРНе и разработке программы физических исследований для него.
Физика высоких энергий и элементарных частиц не только дает человеку возможность познать окружающий его мир, но и способствует развитию и внедрению самых современных технологий. В постановке и проведении экспериментов по физике высоких энергий участвуют обычно сотни ученых, инженеров, специалистов в области электроники, материаловедения и, особенно, компьютерных технологий. Необходимая скорость сбора и обработки информации в процессе столкновения частиц при высоких энергиях превышает все мыслимые пределы. Практически все современные компьютерные технологии развивались прежде всего из-за потребностей физики высоких энергий. Наиболее значительным достижением в этой области за последние годы стало создание Всемирной Паутины — World Wide Web, всеобще принятый формат для представления информации в Интернете, изобретенный в CERN около 10 лет назад для мгновенного доступа к информации для сотен ученых из десятков лабораторий в различных странах, работающих в области физики элементарных частиц. Первые WWW серверы в Санкт-Петербурге заработали на физическом факультете СПбГУ, в НИИ Физики СПбГУ и в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине.
По мере развития методов квантовой теории поля, основного математического аппарата теории элементарных частиц, стало ясно, что их с большим успехом можно использовать и в других областях теоретической физики. В результате, наряду с продолжающимися исследованиями в области современной теории элементарных частиц, которые являются приоритетными на кафедре, возникли и новые направления. Разрабатываются новые математические методы — теория квантовой симметрии и некоммутативных пространств. Методы функционального интегрирования, диаграмм Фейнмана и теория перенормировок активно используются в последнее время в теории критических явлений (теории фазовых переходов) и теории гидродинамической турбулентности.
Методам квантовой теории поля в последние годы найдены и совсем неожиданные применения, которые, на первый взгляд, довольно далеки от теоретической физики в ее традиционном понимании. В частности, возникли и бурно развиваются (в том числе, на кафедре) теория самоорганизующейся критичности, экономическая физика, теория нейронных сетей, в которых моделируются наиболее универсальные механизмы самоорганизации сложных систем на основе элементарных представлений о характере взаимодействия их компонент. Опыт изучения моделей такого типа, накопленный в области квантовой теории поля и статистической физике, а также использование компьютерных экспериментов, позволяет получать интересные количественные результаты в экономике, нейрофизиологии и биологии.
Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц ежегодно выпускает до 10 специалистов по Программе "Теория взаимодействия элементарных частиц и квантовая теория поля". Преподавательский и научный состав кафедры состоит из 14 докторов и 7 кандидатов наук (на кафедре нет сотрудников без научных степеней). Основатель кафедры Ю.В.Новожилов и заведующий кафедрой М.А.Браун имеют почетные звания Заслуженный деятель науки, несколько сотрудников в разные годы были удостоены Университетских премий, а также званий Соросовского профессора.
Все члены кафедры имеют широкие связи с зарубежными коллегами из университетов Германии, Франции, Италии, Испании, Швейцарии, США и др., регулярно выезжают в командировки для проведения совместных исследований. Работы сотрудников кафедры имеют приоритетный характер и активно цитируются в мировой научной периодике. Практически все сотрудники кафедры работают при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований, часть сотрудников имеют финансирование от зарубежных фондов INTAS, NATO, DAAD, CRDF, INFN и др.
Выпускники кафедры получают широкое образование по теоретической и математической физике, соответствующее самым высоким мировым стандартам. Часть студентов получают наряду со степенью магистра СПбГУ и степени зарубежных высших научных заведений (например, Ecole Politechnique). После окончания обучения выпускники имеют широкие возможности для продолжения своего образования и научной деятельности как в России, так и за рубежом. Не менее половины выпускников, как правило, остаются в аспирантуре на кафедре, часть выпускников принимается в институты РАН (Петербургский институт ядерной физики, Петербургское отделение математического института), часть выпускников принимается в аспирантуру зарубежных университетов.
