Статьи

Інтерв’ю з українцем, який працює на Великому адронному колайдері: «Фізика – це як секс»

Інтерв’ю з українцем, який працює на Великому адронному колайдері: «Фізика – це як секс»

Які експерименти проводяться на Великому адронному колайдері (ВАК)? Що таке Стандартна модель та як вона з’явилася? Що означає відкриття бозона Хіггса? Як впіймати нейтрино та чому ці частинки є новим напрямом у розумінні Всесвіту? Регалії українського фізика Миколи Хандоги досить великі – науковий співробітник Лабораторії ядерної фізики та фізики високих енергій Університету Сорбонни, учасник експерименту ATLAS в CERN, PhD з фізики елементарних частинок. Його участь в експериментах, які проводяться на адронному колайдері (CERN) і великий досвід дозволяють читачеві зрозуміти, що зараз відбувається у фізиці та який великий пристрій побудують після ВАК.

ITC.ua розпочинає серію статей з українськими вченими, котрі працюють у великих наукових інститутах, популяризують науку та можуть розказати, що нас чекає в науковому майбутньому.

Ким ви працювали до співпраці із CERN?

Я дніпрянин, у 2007 році закінчив фізичний факультет Дніпровського національного університету й того ж року вступив до аспірантури за спеціальністю «Теоретична фізика». Мене з дитинства цікавило, як влаштований наш світ, а отже, дуже хотілося і самому докластись до досліджень у цьому напрямі. На жаль, подібно до багатьох своїх друзів, в Україні я не довів справу до захисту, почав працювати в іншій сфері. Але через кілька років тяга до фізики все-таки взяла своє і я поїхав до Парижа, щоб продовжити те, що почав.

Великий адронний колайдер

Уже у Франції довелося трохи повчитися, щоб скоригувати профіль спеціалізації з теоретичної на експериментальну фізику. Теоретики та експериментатори фактично займаються одними й тими самими речами, але використовують для того різні методи, а отже, і бачать ці речі дещо по-різному. Як на мене, вузьким місцем сучасної фізики є саме недостатня кількість непояснених експериментальних даних. У другій половині ХХ століття теоретики добряче попрацювали, отже тепер м’яч на боці експериментаторів.

Який ваш профіль спеціалізації? Чим ви займаєтеся на Великому адронному колайдері (ВАК)? Розкажіть про свій звичайний робочий день.

ВАК – це експериментальна установка, яка розганяє протони майже до швидкості світла. Collide з англійської означає «стикати», що натякає нам на дуже просту суть роботи колайдера: прискорені частинки стикають між собою, щоб подивитися, що з того буде. Але що значить «подивитись»? Чим на них дивитись? Звісно, що не очима.

На ВАК облаштовано чотири точки зіткнень протонів, навколо яких побудовано чотири експерименти – ATLAS, CMS, LHCb та ALICE. Їх ще називають детекторами, але, наприклад, експеримент ATLAS, на якому працюю я, розміром з восьмиповерхівку – 25 метрів заввишки та 45 метрів завдовжки, нашпигований стійкою до радіації хай-тек-електронікою, надпровідними магнітами тощо. Інші експерименти трохи менші, але цілком співмірні за масштабом.

Великий адронний колайдер
Великий адронний колайдер

У колаборації ATLAS працює понад три тисячі фізиків, і це не рахуючи інженерів, комп’ютерних спеціалістів, технічного персоналу тощо. Це одна з найбільших наукових колаборацій у світі. Усі ці люди не знаходяться весь час у Женеві: вони є співробітниками майже двохсот наукових установ по всьому світі. Проте досить часто ми подорожуємо до ЦЕРНу: інколи на тижні чи місяці, інколи й на кілька років. Сам ЦЕРН – це щось на зразок місця зустрічі: переважна більшість людей, які там знаходяться, є співробітниками інших установ і працюють там тимчасово.

Кожна стаття, яка публікується від імені колаборації, підписується усіма її членами – дехто жартівливо називає подібні статті, де перелік імен може займати декілька сторінок, «братськими могилами».

Звісно, що робота в подібній колаборації, розпорошеній по всій земній кулі, має свою специфіку. Це справжнє перехрестя культур, робочих підходів і звичок.

Працюють науковці, як водиться, у наукових установах. Це можуть бути лабораторії в університетах чи науково-дослідних інститутах (НДІ). Робоче місце науковця, мабуть, найбільше схоже на робоче місце IT-спеціаліста: на столі лаптоп і пара моніторів.

Через те, що наш експеримент такий величезний, спектр діяльності науковця дуже широкий. У цілому можна виділити три великі частини:

  1. робота над інструментальним оснащенням детектора;
  2. розробка алгоритмів і програмного забезпечення для обробки даних з детектора;
  3. аналіз даних для отримання фізичних результатів;

Перший пункт зазвичай передбачає «роботу руками» – тобто з приладами та інструментами у спеціально обладнаних приміщеннях. Фізичне виготовлення та випробування елементів детектора – це часто робота в «чистій кімнаті» – там треба мати спеціальний одяг, дотримуватись правил задля зменшення запиленості і т. ін.

Останні два пункти можна робити просто з робочого комп’ютера, вони часто вимагають певних навичок з програмування та загальної комп’ютерної грамотності. У колайдері кожну секунду відбувається 40 мільйонів зіткнень, ці дані фіксуються, відбираються, записуються. Отже фактично це аналіз великих даних. Ці дані доступні всім учасникам експерименту завдяки розгалуженій системі обміну даними, яка називається CERN GRID. До наших послуг обчислювальний кластер з тисячами ядер CPU та сотнями ядер графічних процесорів GPU.

Для аналізу цих даних зараз дуже широко використовуються передові статистичні методи, нейромережі, розгалужені обчислення на кластері. Кожен проєкт – це перш за все розробка ПЗ. Для контролю версій використовуємо сервіс GitLab.

Ми інколи жартуємо, що стати фізиком – це неймовірна можливість одночасно зафейлитися як інженер, як математик і як програміст. Бо насправді кожен з нас уміє всього потроху. У певній кількості інженери, звісно ж, присутні, але зазвичай це стосується розробки та підтримки якихось великих систем для усього ЦЕРНу – як-от обчислювальний кластер. Для дрібніших задач інженери не дуже добре пристосовані, і це перш за все пов’язано зі специфікою наукової роботи. Інженери добре справляються в тих випадках, коли мають чітко визначену задачу, яку треба виконати зрозумілим для них способом. У науці ж пріоритети можуть швидко змінюватися в залежності від міркувань, які стосуються саме фізики та її прогресу. Інженери від того шаленіють, бо в них на меті саме розв’язання інженерної задачі.

Ось є в нас, наприклад, загальний фреймворк, який для всієї колаборації обробляє дані з детектора та реконструює картину зіткнення частинок. Його архітектуру писали професійні інженери з розробки систем. Але конкретні фічі розробляють уже фізики, бо легше фізика навчити писати програмний код, аніж інженера навчити фізики.

Фото в кімнаті, з якої здійснюється управління експериментом АТЛАС
Фото в кімнаті, з якої здійснюється управління експериментом АТЛАС

Звісно, що інженери все роблять якісніше. Пам’ятаю, у ЦЕРНі ми ходили дивитися на експеримент з вироблення антиматерії. Наш гід був якраз інженер, і він наочно показував нам різницю. «Дивіться, оце робили інженери», – і показує акуратно зібрану установку, до якої підходить пучок дротів, дбайливо проведених по стіні. «А оце, – каже, – фізики». І ми бачимо якесь кубло з дротів виду «вибух на макаронній фабриці», за якою ледь проглядається наспіх зібрана установка. З кодом та сама біда – коли його пишуть аспіранти першого року, то краще туди не заглядати. Але в цьому штука – фізики можуть не знати «як», зате знають «що», і це в нашій ситуації важливіше.

Мій робочий день виглядає якось так: о восьмій ранку прямо з дому робочий мітинг по відео за участю колег з Азії, у яких уже пізній вечір. Доповіді, обмін результатами, обговорення, пропозиції. Потім їду на роботу: у кампус Jussieu Університету Сорбонни на березі Сени. Там я пару годин працюю над нашим проєктом з використанням графових нейромереж (graph neural network) для класифікації подій на колайдері, у яких формується W-бозон. Далі по обіді я спускаюся на цокольний поверх, одягаю білий халат і проводжу вимірювання нещодавно зібраних силіконових сенсорів – майбутніх пікселів для апгрейду внутрішнього детектора нашого експерименту. О шостій вечора в мене знову мітинг, тепер уже з колегами з Америки, де ми обговорюємо інший наш проєкт – використання нейромереж для корекції перехресного сигналу з калориметра.

Отже, робочий час розподіляється між роботою з розробки детекторних систем, отриманням нових результатів з аналізу даних та обговоренням усього цього на робочих мітингах.

Як взагалі влаштована робота співробітників на ВАК, ваших колег зокрема?

Кожен працює на якусь наукову установу, але при цьому є певна свобода у виборі роботи. Уся праця обертається навколо внутрішніх проєктів – як я вже казав, це може бути розробка детекторних систем, обробка даних чи їх аналіз. Кожен бере участь у кількох таких проєктах, у кожному з яких можуть бути залученими від кількох осіб до кількох сотень. При цьому майже ніколи ці люди не працюють в одній установі, отже координують свою роботу дистанційно. Через це ми маємо стільки мітингів – від кількох на тиждень до кількох на добу. Інколи, звісно, треба бачитися й особисто. Ось тут допомагають поїздки в ЦЕРН, який є звичайним місцем зустрічі. Але є і традиція їздити «в гості» напряму – так, наприклад, торік я мав тритижневе відрядження у Бразилію.

Звісно, така велика кількість людей повинна мати певну організаційну структуру та ієрархію – хтось повинен визначати пріоритети, оцінювати роботу колег і робити заяви від імені експерименту. Ця структура існує, усі такі посади є виборними на термін від двох до чотирьох років. Формальним головою експерименту є spokesperson – це і є людина, яка має формальний мандат говорити від імені експерименту. Нинішня голова ЦЕРНу Фабіола Джіанотті раніше була саме головою експерименту ATLAS.

Фото на фоні експерименту CMS
Фото на фоні експерименту CMS

Звісно, що, де є ієрархія, там завжди є і певна політика, внутрішня кухня та якісь кулуарні питання. Але в цілому, як на мене, усе тримається в пристойних межах.

Існує досить сувора (може, навіть занадто сувора) процедура внутрішньої перевірки результатів для публікації. Адже кожна стаття публікується від імені кожного учасника експерименту, тому ніхто не бажає публічно пошитися в дурні, поставивши своє ім’я під помилковим результатом.

Усі добре пам’ятають історію з італійським експериментом OPERA, який досліджував проходження нейтрино від ЦЕРН через італійські Альпи. У 2011 році цей експеримент опублікував приголомшливі результати: стверджувалось, що зафіксовано нейтрино, які подорожують швидше за світло! Новину обговорювали по всьому світі, адже це фактично ламало всі наші уявлення про сучасну фізику і напряму суперечило основам теорії відносності. Справа навіть вийшла за межі спільноти фізиків: про відкриття написали всі провідні газети світу. Проте згодом виявилося, що отриманий результат був хибним: експериментатори неправильно врахували один із сотень факторів, які впливають на точність вимірювань. Звісно, що подібний провал не найкращим чином відбився на кар’єрах тих, хто мав стосунок до експерименту OPERA. Наступного року цей експеримент закрили.

У яких експериментах ви брали участь?

Оскільки я працюю у великому експерименті, який дає змогу спробувати дуже різні речі, майже всю свою кар’єру фізика я працював лише в ATLAS. При цьому фізично можна попрацювати в різних університетах, державах, ба навіть на різних континентах – залишаючись при цьому членом колаборації ATLAS. В ATLAS є брат – експеримент CMS, який теж розташований на ВАК, у протилежній точці кільця колайдера. Там теж працюють під три тисячі науковців. CMS досліджує ті самі речі, але побудований трохи за іншим принципом.

Великий адронний колайдер
Так виглядає експеримент ATLAS

Два експерименти порівнюють лише кінцеві результати, при цьому обговорювати між собою способи їх досягнення заборонено. Це зробили для того, щоб результати були максимально незалежними й аби виключити можливе дублювання помилок при їх отриманні. Я працював на CMS протягом кількох місяців перед тим, як почати робити дисертацію на ATLAS. Великі результати типу відкриття бозона Хіггса вимагають незалежного підтвердження від обох експериментів.

Через певну схожість експериментів переходи фізиків з ATLAS у CMS та навпаки – не рідкість. Якось мені довелося доповідати на конференції результати з однієї теми від імені обох експериментів – це теж поширена практика. Менші експерименти можуть мати по кілька десятків учасників, там уся система організації дещо інша.

Що вас найбільше дивує в роботі ВАК?

Мене дивує і захоплює, як люди із зовсім різних культур здатні об’єднуватися, знаходити спільну мову та досягати результатів. За роки роботи в цьому середовищі я жодного разу не бачив навіть натяку на зневагу до когось через стать, країну походження, віру й таке інше. Ми всі колеги, вагу мають лише досвід і здатність досягати результату. Мені б хотілося, щоб такий підхід мав ширше розповсюдження. При цьому, звісно, китайські науковці лишаються китайцями, французи – французами, а українці (і це я знаю точно) – українцями. Але ось ця інтернаціональна культура співпраці – вона справді захоплює.

Які відкриття зробили після бозона Хіггса? Як щодо гравітаційних хвиль? Що є актуальним предметом досліджень у ВАК?

Я гадаю, на це запитання важко буде відповісти без того, щоб дати коротенький огляд стану речей у сучасній фізиці. Сподіваюсь, що після нього стане трошки зрозумілішим, що взагалі вважати відкриттям і де в цій картині знаходяться бозон Хіггса та гравітаційні хвилі.

Сучасна фізика почала формуватись приблизно сто років тому, на початку ХХ століття. Тоді ж окреслилися два головних напрями – квантова фізика та загальна теорія відносності (ЗТВ). Вийшло так, що квантова фізика працює на дуже малих масштабах, а ЗТВ – на дуже великих. Тому інколи говорять, що сучасна фізика – це фізика двох нескінченостей: нескінченно малого та нескінченно великого.

Великий адронний колайдер
Так виглядає знайдений бозон Хіггса при обробці наукових даних (горбок на графіку)

ЗТВ на сьогодні вважається панівною теорією для опису гравітації. Історично ЗТВ здебільшого «дивилась вгору»: її цікавили зірки, галактики, чорні діри й оте все велике. Квантова ж теорія опікувалася рештою взаємодій, а саме електромагнітною, сильною та слабкою. Були цікаві роботи (типу праць Хокінга), які включали квантові ефекти до космологічних явищ, але по-справжньому «помирити» ці дві гілки фізики досі нікому не вдалося. На наше щастя, гравітація на десятки порядків слабша за три інші взаємодії, тому фізиці вдається розвиватися, попри певні негаразди в узгодженні квантової теорії та ЗТВ. Обидві теорії є дуже успішними й чудово підтвердженими експериментально.

Великий адронний колайдер
Згідно із ЗТВ масивні об’єкти викривляють час-простір

Квантова теорія стрімко розвивалася, і десь у 1940-х роках ХХ століття вдалося її «помирити» зі спеціальною теорією відносності, принаймні у випадку електромагнітної взаємодії. Це означало, що фізикам вдалося описувати взаємодії квантових частинок, які рухаються близько до швидкості світла. Це назвали квантовою електродинамікою, і це вже було серйозним поступом. Отриманих знань у цілому було достатньо для розробки у ХХ столітті транзисторів, діодів, лазерів і всього того мотлоху, без якого ми зараз не уявляємо свій день. З усім тим цього було замало задля опису явищ ядерної фізики, оскільки там працювали також дві інші взаємодії – слабка та сильна. Для розвитку успіху потрібно було більше експериментальних даних.

Аж ось після Другої світової у гру вступили прискорювачі частинок й одразу ж показали себе дуже ефективним інструментом для отримання нових даних. У певний час це навіть стало проблемою – бо на кінець 1950-х понавідкривали цілу купу частинок, які взаємодіяли незрозумілим чином, неясно було, звідки вони беруться та як їх класифікувати.

Якщо за перші відкриття нових елементарних частинок стабільно давали Нобелівську премію, то вже у 1960-х фізики ладні були заволати «Горщик, не вари!», бо частинки сипались наче з рогу достатку. Цю картину тоді називали «зоопарк частинок (particle zoo)». Ось на базі цієї надзвичайно багатої колекції експериментальних даних низці блискучих теоретиків вдалося побудувати теорію, яка б добре описувала три взаємодії і могла систематизувати весь той зоопарк. Це і була стандартна модель, яку загалом сформували в 1970-х роках і яка передбачала існування ряду частинок, що на той час були ще невідомими. Одна за іншою ці частинки були знайдені експериментально, і про останню з них, мабуть, усі чули – це і є славнозвісний бозон Хіггса, який відкрили у 2012 році. Стандартна модель стала чимось на зразок періодичної системи елементів, але для фізики частинок.

Стандартна модель пояснила будову сотень частинок, знайдених на прискорювачах протягом цих років, з допомогою відносно невеликої кількості первісних «кубиків». Ці кубики називаються фундаментальними, або елементарними, частинками. Їх список справді досить короткий: шість кварків, шість лептонів і п’ять бозонів. Зазвичай кажуть, що кварки та лептони складають структуру матерії, а бозони забезпечують їх взаємодію між собою. Стандартна модель дозволяє розраховувати взаємодії між частинками з неймовірною точністю. Загалом її можна назвати чи не найуспішнішою фізичною теорією за всю історію фізики.

Великий адронний колайдер
Схема Стандартної моделі

Хоча, звісно, досі залишається чимало запитань. Наприклад, кварків і лептонів спокійно могло б бути всього чотири, а не дванадцять. Щоб побудувати матерію навколо нас, цілком вистачило б двох кварків, електрона та нейтрино. Але природа чомусь вирішила, що кожен з них повинен мати двох «старших братів», які б взаємодіяли так само, але мали б більшу масу. Чому так сталося і чому поколінь частинок саме три, а не два чи п’ять? На сьогодні ми не можемо на це відповісти.

Але тим і цікавий науковий пошук, що результат дуже важко передбачити. Саме в тому і полягає інтрига, що жодна жива душа у світі не знає, що там криється за рогом.

Стандартну модель добре дослідили за ті дев’ять років, які пройшли з відкриття бозона Хіггса. Чимало кількісних передбачень теорії підтвердили експериментально, це, зокрема, стосується і властивостей новознайденого бозона. Власне, саме це й становить предмет досліджень на експериментах ВАК – перевірка Стандартної моделі та пошуки сигналів нової фізики, яка б не вкладалася в устатковану теорію. Поки що можна сказати, що ці пошуки не дали однозначних вказівок на те, де шукати нову фізику.

Іронічно, що Стандартна модель стала жертвою власної успішності – ще недавно фізики дуже раділи кожному її підтвердженню, а зараз витрачають шалені зусилля на пошук умов, за яких вона вже не працює. Отже, тепер важко сказати, чого чекати далі – поки що не вдалося знайти доказів на користь будь-якої більш фундаментальної теорії.

Зараз інтернетом шириться кумедна картинка, де в гумористичній формі для IT-працівників перелічені твердження сучасної фізики. Можу трохи пояснити цікаві речі, які виглядають як жарт, але насправді так і є.

Великий адронний колайдер

  1. Мова про те, що квантові частинки поводять себе відмінно і від частинок, і від хвиль – інколи проявляючи властивості тих чи інших. Це є прямим наслідком квантових законів і здається нам дивним і контрінтуїтивним, бо наша інтуїція сформована у звичайному, а не квантовому світі.
  2. Мова про те, що загальна теорія відносності (ЗТВ) і квантова механіка окремо взяті є дуже успішними та чудово підтвердженими теоріями, проте між собою вони не дуже добре узгоджуються. Результатом є певне умовне розгалуження сучасної фізики на «космічну» та «частинкову».
  3. Енергія фотона – це його енергія руху. Суворо кажучи, якщо фотон не рухається – то він і не існує.
  4. Квантова теорія вважає всі елементарні частинки однаковими. Один електрон неможливо відрізнити від іншого. Тому можна сказати, що вони всі є копіями один одного.
  5. Мова про ефект спеціальної теорії відносності – так зване релятивістське уповільнення часу при русі з великою швидкістю.
  6. Мова про так звану темну матерію – невидиму, проте масивну матерію, яка кількісно пояснює характер обертання галактик. Існування темної матерії (ТМ) в цілому не викликає сумнівів у науковців, програми з пошуку ТМ є також і на ВАК. Проте той факт, що ця матерія не взаємодіє жодним шляхом крім гравітаційного, у багатьох викликає скепсис. Взагалі це окремий вид розваги – знайти в ФБ студентський паблік, присвячений космології, та почати суперечку щодо існування ТМ, використовуючи лише аргументи з фізики частинок (це хуліганство, не робіть так, якщо бережете свою карму 🙂).
  7. Згідно із сучасними спостереженнями, наш Всесвіт справді розширюється. Залишається чимало запитань щодо подробиць цього ефекту.
  8. Ну, це в певному сенсі і є милиці. Тобто ми бачимо ці ефекти у спостереженнях і отже повинні якось вводити їх до нашої теорії, навіть якщо це інколи породжує більше запитань, ніж відповідей. Схоже, що природа не надто турбується про те, щоб наші теорії завжди були простими та красивими. Але будемо сподіватися, що з отриманням нових даних ми краще зрозуміємо, як воно все працює.

Вплив ВАК на фізику величезний. А як щодо практичних речей – як колайдери допомогли змінити життя сучасної людини?

Річард Фейнман казав, що фізика – це як секс: ви, звісно, можете досягти певних практичних результатів, але зазвичай люди цим займаються з інших причин. Метою фізики є саме пізнання природи навколишнього світу (бо ж «фізика» – це «природа» в перекладі з грецької). Фізики добувають знання, а вже винахідники, інженери та маркетологи потім вигадують, як з тих знань отримати практичну користь і пояснити це решті людей.

Однак, як це не дивно, нерідко побічним продуктом фізичних досліджень є цілком практичні речі. Наприклад, принцип ядерного магнітного резонансу, який колись відкрили саме задля досліджень з ядерної фізики, ліг в основу магнітно-резонансної томографії – МРТ-установки зараз стоять у кожній сучасній лікарні.

Безпосередньо прискорювачі використовують для виготовлення ізотопів з коротким терміном життя, які потрібні для діагностики раку. Так само пучки протонів, отримані на спеціальному прискорювачі, успішно використовують для лікування ракових пухлин.

Синхротронне випромінювання стало незамінним у матеріалознавстві – це найнадійніший спосіб неруйнівного вивчення структури матеріалів. Ви здивуєтеся, але навіть Лувр має свій невеличкий прискорювач – задля вивчення предметів мистецтва та підтвердження їхньої автентичності Інтерв'ю з українцем, який працює на Великому адронному колайдері: «Фізика – це як секс»Інтерв'ю з українцем, який працює на Великому адронному колайдері: «Фізика – це як секс»У 2017 році в Луврі запустили 37-метровий прискорювач частинок, розташований під музеєм, він використовуватиметься для визначення хімічного складу об'єктів без взяття зразків. – Прим. ред..

Є й інші побічні речі. Оскільки ще у 1980-х колайдерна фізика вже оперувала величезними на ті часи обсягами даних, задля швидкого обміну інформації саме в ЦЕРНі в 1989 році розробили структуру World Wide Web і перший інтернет-браузер. Через це британський вчений Тім Бернерс-Лі, який на той час працював у ЦЕРНі, вважається батьком інтернету, яким ми його знаємо.

Дрібніших речей перелічувати годі, при ЦЕРНі на постійній основі працює фабрика стартапів.

Зараз активно добудовують інші колайдери. Чи допоможуть вони знайти відповіді щодо темної матерії, загадково малих мас нейтрино і переважання матерії, що спостерігається, над антиматерією у Всесвіті? Які основні виклики в розумінні світобудови стоять перед вченими?

ВАК є важливою складовою сучасної фізики, але, звісно ж, не є єдиним прискорювачем у світі. У певному сенсі ВАК як адронний колайдер наслідував американському колайдеру Tevatron, який закрили у 2011 році. Інші експерименти суттєво розширюють і доповнюють картину, яку бачить ВАК.

Цікавий факт: перший прискорювач у ЦЕРНі, введений в експлуатацію ще в 1950-х, до сьогодні справно працює як передприскорювач для ВАК.

Отже, експерименти ATLAS і CMS головним чином зосереджені на перевірці властивостей Стандартної моделі та можливих її розширень. Працюють також два менші експерименти: LHCb та ALICE. LHCb як раз успішно досліджує процеси, пов’язані з порушенням парності у слабкій взаємодії. Цей ефект вважається можливою причиною приголомшливої переваги матерії над антиматерією у спостережному Всесвіті.

Дуже схожими задачами займається експеримент Belle-II, розташований у Японії. Там замість протонних проводять електрон-позитронні зіткнення, що робить експеримент набагато чистішим і легшим для інтерпретації.

Великий адронний колайдер
Схема колайдера RHIC

Також на LHCb та Belle ведуть серйозні дослідження лептонної універсальності. Тут треба пояснити, що це таке. Як було згадано раніше, електрон має двох «старших братів» – мюона і тау-лептона. Вони важчі за електрон і нестабільні – врешті розпадаються, утворюючи електрон. Стандартна модель постулює, що крім маси решта властивостей у них однакова. Проте минулого року американський експеримент Muon g-2 показав, що з високою ймовірністю є суттєві відхилення від теорії. Спостерігається порушення лептонної універсальності – коли різні лептони таки відрізняються за своїми властивостями. Досі вважалося, що вони ідентичні, а виходить, що не зовсім.

ALICE спроєктований для досліджень зіткнень важких іонів свинцю, коли замість двох протонів стикаються сотні протонів і нейтронів. Це дозволяє відтворити стан матерії, у якому Всесвіт перебував у першу мить після Великого вибуху. Такий стан зветься кварк-глюонна плазма.

Взагалі зіткнення важких іонів – це цікава тема, на сьогодні в США працює колайдер RHIC, повністю присвячений такій фізиці. Я певний час працював над цією темою, спочатку як теоретик, а потім під час кількох місяців роботи на CMS. Але це не зовсім «мейнстрім» сучасної фізики частинок. Можливо, тому що теорія там досить складна, а експериментальні результати важко інтерпретувати. Там одночасно діють кілька фізичних ефектів, кожен з яких ми не досить добре розуміємо. Проте якщо вдасться дати тому раду, то ми зможемо багато чого пояснити в сучасній будові Всесвіту.

Попри надзвичайно серйозну роль ВАК у фізиці частинок, він теж має свої обмеження. Наприклад, детектори ВАК геть не здатні бачити нейтрино.

Усе через те, що нейтрино взаємодіють виключно через слабку взаємодію – назва, власне, все пояснює. Скажімо, якщо «вистрілити» нейтрино у воду, то воно може пролетіти аж сто світлових років, не зачепивши жодної молекули води!

Нейтринні експерименти складні та проблемні. Джерелом нейтрино може слугувати ядерний реактор чи прискорювач, а детектор інколи розміщують за сотні кілометрів. Нейтрино спокійно проходять крізь гори чи земну кору, майже не взаємодіючи. За рік нейтринний експеримент фіксує лише кілька сотень чи навіть десятків взаємодій – порівняйте це з 40 мільйонами щосекунди на ВАК. З огляду на це вже не здається таким дивним, що у 2011-му вчені з OPERA таки припустилися помилки.

Проте нейтринні експерименти зараз стають усе популярнішими. Одна з головних причин такого інтересу до нейтрино наступна: у 2000-х роках отримали свідчення того, що вони таки мають масу, хоча й дуже малу (за це навіть було присуджено Нобелівську премію). Водночас Стандартна модель стверджує, що нейтрино є безмасовими. Це чи не єдиний випадок, коли Стандартна модель так суттєво помиляється. Висновок очевидний: нейтрино – це ключ до нової фізики.

Як я вже казав, починаючи із середини ХХ століття прискорювачі були і, мабуть, досі залишаються основними «робочими конячками» для дослідження фізики частинок. А що ж було до того? А до того люди досліджували космічні промені. Кожної секунди атмосферу Землі бомбардують незчисленні частинки з космосу, головним чином протони. На наше щастя, вони більшою мірою розбиваються об атмосферу, інакше ми навряд чи пережили б такий рівень радіації.

У першій половині ХХ століття саме небо над нами слугувало головним джерелом елементарних частинок. Були навіть експерименти з використанням повітряних куль, які показали зростання потоку частинок при підйомі в атмосферу.
Згодом робота з прискорювачами майже повністю замінила подібні спостереження, бо слугувала надійнішим джерелом частинок і дозволяла краще контролювати умови експерименту.

Але космічні промені все ж таки мають певні переваги. Перш за все через дуже широкий спектр енергій частинок, серед яких існують навіть такі, які значно перевищують енергії зіткнень на ВАК. При цьому знання, отримані з допомогою прискорювачів, плідно використовуються для інтерпретації спостережень за космічними променями. Через це зараз збільшується число подібних експериментів. Усе частіше ми згадуємо, що варто підняти голову і подивитись угору.

Ну і, звісно ж, не можна не відзначити прогрес в астрономії, астрофізиці та космології. Саме ці дисципліни мають відповідати на запитання щодо темної матерії та енергії, віку та будови Всесвіту, питань ЗТВ. Буквально днями всі спостерігали за розгортуванням новітнього телескопа Уебб – це справжній тріумф технологій. Ясна річ, ще більше телескопів облаштовується на поверхні Землі.

Важливо відзначити: якщо раніше колайдерна фізика була безперечним лідером у застосуванні передових методів обробки й аналізу даних, то зараз ситуація вирівнялась. Кілька років тому оприлюднили так звані фотографії чорної діри. Для того щоб отримати ці зображення, проаналізували терабайти даних. Це блискуча робота й очевидне підтвердження прогресу.

Підсумовуючи, скажу, що останніми 40 роками фізика отримала більше даних, ніж за всю історію людства до того. Тож варто чекати на цікаві новини. Хоча, які саме новини, знатимемо лише тоді, коли їх отримаємо.

Завантаження коментарів...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: