Інтерв'ю

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Ще до війни харків’янин Михайло Дальченко розмовляв із журналістом ITC.ua з обсерваторії на Канарах. Майже десять років тому він був в одній з команд, яка з колегами відкрила бозон Хіггса – вони змінили уявлення про елементарні частинки та розуміння квантового світу. Зараз фізик Дальченко пішов далі та замість «космосу» елементарних частинок вивчає космос Всесвіту – з допомогою революційного телескопа намагається зрозуміти, як формувалися галактики та що буде потім. Бесіда зі знаним фізиком, який працює в Університеті Женеви (Université de Genève), затягнулася більше ніж на годину, а теми мали широке коло – від темної матерії та суперсиметрії до гіперпростору та найбільш «тупих» теорій у фізиці.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Михайло Дальченко

Ви були у групі науковців, які відкрили бозон Хіггса. Звідки ви, хто ви за фахом, де ви працювали і як так вийшло, що ви почали працювати в ЦЕРНі?

Я з Харкова. Закінчив Харківський національний університет імені Каразина, фізико-технічний факультет, кафедра теоретичної ядерної фізики. І, власне, це обумовило мою співпрацю з ЦЕРНом, тому що ще під час роботи над моїм магістерським дипломом у французькому Université Paris Sud XI я почав працювати над можливими шляхами пошуку бозона Хіггса.

Де ви почали працювати?

Після того як захистив магістерський диплом у Харкові, я подумав, що було б непогано відійти від теорії і перейти більше до експериментальної фізики високих енергій. І в мене була пропозиція поїхати ще на один рік у магістратуру у Францію. І наприкінці цієї магістратури мені запропонували аспірантуру у французькій лабораторії LLR, Ecole Polytechnique.

Ви навчалися в Харкові та Франції. Яка між ними різниця, що принципово відрізняється?

Хіба що матеріально-технічна база там трохи краща – експериментальні установки, всіляка електроніка, але в цілому навчальний процес доволі схожий. У Франції, може, письмові екзамени трохи більш формалізовані. В Україні була доволі значна частка усної відповіді на екзамені.

Добре. Потім вам запропонували десь практику?

Запропонували писати докторську дисертацію протягом трьох років у лабораторії у Франції. Насправді, з темою моєї дисертації вийшло дуже цікаво. Тому що десь посередині моєї роботи над дисертацією ми змоглися відкрити бозон Хіггса. Тому, коли я захищав роботу, вона вже називалася трохи інакше – про вимірювання маси та ширини розпаду бозона Хіггса в каналі H-> ZZ -> 4 leptons. Тут треба буквально парою слів пояснити, що таке бозон Хіггса.

Так, вважаю екскурс у теоретичну фізику потрібним…

Тоді давайте спочатку про те, звідки взагалі взявся бозон Хіггса і для чого він потрібний. Річ у тому, що є фізична модель нашого елементарного світу – елементарних частинок і того, як вони між собою взаємодіють. Ця модель сформувалася ще десь з 1960-х років. За її розробку Глешоу, Вайнберг і Салам отримали Нобелівську премію. Але з цією моделлю була одна проблема. Вона не могла пояснити, як елементарні частинки здобувають масу. Тобто вона ідеально працювала для безмасових частинок і просто не пояснювала, як вони можуть існувати інакше.

Маса в цьому випадку важливий елемент?

Маса – це просто одна з характеристик частинки, і стандартна модель фізики елементарних частинок працювала з безмасовими частинками, тобто в них немає маси – нуль. Як у фотона, який є безмасовою частинкою. Але з того, що ми спостерігаємо, знаємо, що елементарні частинки мають масу. І в цій моделі має бути якийсь механізм, який надасть їм масу. Але такого механізму не було.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Пітер Хіггс

Пітер Хіггс був одним з науковців, який шукав відповіді. Паралельно з ним, повністю незалежно працювали Браут та Енглер, науковці з Бельгії. Вони запропонували механізм, який можна пояснити так: якщо ми введемо в нашу модель ще одну частинку, яка буде бозоном, тобто відповідатиме статистиці Бозе – Ейнштейна (конденсат Бозе – Ейнштейна – це стан матерії, який був передбачений Альбертом Ейнштейном у 1925 році на основі робіт індійського фізика Бозе. Ця теорія характеризується тим, що атоми рухаються узгоджено, формують одну квантово-механічну хвилю. У звичайному газі частинки рухаються по всіх напрямках випадково – це тепловий рух. Але в конденсаті Бозе – Ейнштейна всі атоми займають один і той самий квантовий стан, а отже, вони поводяться як одна велика квантова хвиля. – Прим. ред.), то через неї можна ввести механізм, за якого інші елементарні частинки набувають маси. Це зробили в 1964 році, якщо я правильно пам’ятаю. Було потім ще багато різних теорій, багато різних пропозицій зі складнішими механізмами, які теж відповідають математичним припущенням.

Які, наприклад, можна назвати?

Різні моделі: текніколор, композитні моделі Хіггса тощо. Їх досить багато, насправді я навіть усі не можу вам перерахувати. Якщо спростити: наприклад, якщо ви маєте лінійку, вона має працювати незалежно від того, чи вона в сантиметрах, чи в дюймах. Вона все одно має однаково вимірювати відстань: якщо ви, наприклад, маленькою лінійкою міряєте великий стіл – прикладаєте кілька разів і підсумовуєте. Тобто розмір щоразу повинен бути однаковим незалежно від того, як ви міряєте – в метрах, сантиметрах, дюймах.

Те саме застосовується в будь-якій фізичній моделі – ви можете різні механізми запропонувати і вони мають відповідати буквально трьом фундаментальним критеріям. Але проблема була в тому, що з бозоном Хіггса неможливо було передбачити його масу. І, власне, тому бозон Хіггса і шукали 60 років.

Тоді розкажіть, як проходив цей ваш робочий день у ЦЕРНі? Чим ви займалися?

У нас у ЦЕРНі є чотири дуже великі експерименти: ATLAS, CMS, ALICE, LHCB. Та ще декілька менших (але теж дуже важливих) експериментів з ядерної фізики та медичної фізики. Ми маємо робити дві речі. Одна з них – підтримувати життєдіяльність наших експериментів. Я працював на експерименті CMS, спільнота якого складається з багатьох інститутів, університетів і країн. Тобто за ним треба слідкувати, коли він працює, періодично обслуговувати. До того ж треба працювати з ним як з детектором і підвищувати якість його вимірювань. Аби найкраще виміряти якусь характеристику бозона Хіггса, вам треба якнайкраще виміряти електрони. Тобто у вас в ізольованому стані один електрон влетів у ваш детектор – і ви маєте сказати, якою була його енергія, яким був його імпульс.

Тобто наскільки точними будуть дані?

Так. Я працював саме з електронами – над підвищенням якості їх реконструкції, тобто наскільки добре ми можемо кожен електрон ідентифікувати, виміряти його енергію та імпульс. Це одна частина роботи. Друга частина роботи – це, власне, збір даних, які цікаві саме для мого процесу. Наприклад, мене цікавили ті дані, у яких у фінальному стані є чотири лептони – це можуть бути два електрони і два мюони або це можуть бути два електрони і два нейтрино. І подальша розробка алгоритмів аналізу даних для перевірки передбачень теоретичних моделей. Насправді, ми приблизно одночасно відкрили бозон Хіггса у двох фінальних станах – у чотирьох лептонах і у двох фотонах.

А хто це зробив?

Були чотири великі дослідницькі групи – дві на експерименті ATLAS і дві на експерименті CMS. На кожному з експериментів була одна група, яка займається двофотонним фінальним станом і чотирилептонним. Ми одночасно здобули достатньо даних, щоб заявити про відкриття.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Великий адронний колайдер

Тобто дві групи зробили це одночасно?

Тому що в нас однаковий прискорювач, у нас тільки різні детектори. У нашій групі було десь 25–30 осіб. Серед них я.

Зрозуміло. Де ви були, як ви почули про відкриття, якими були емоції?

Принцип будь-якої наукової роботи – це аналіз. У нас є симуляції, ми підбираємо, розробляємо алгоритми, які використовуватимемо для нашого аналізу. Тобто статистичний аналіз робиться на симуляціях, не на реальних даних. Адже якщо ви це робитимете на реальних даних, то не зможете зробити незалежний аналіз. Коли ми розробили процедуру і задоволені нею, то призначаємо дату, коли робимо так званий анблайндинг, тобто розкриваємо, як наш код працює на реальних даних. Після цього ми його запускаємо та дивимось на результати.

У нас був мітинг, у цей час я був у Парижі. Ми побачили, що в нас, здається, є відкриття. Далі йде досить довгий і кропіткий процес перевірок, що все працює так, як ми цього хочемо, що ми ніде не припустилися якоїсь там помилки чи щось таке.

І коли вже все перевірили, ми пишемо статтю в науковий журнал, робимо публічну заяву. Про бозон Хіггса в нас була величезна пресконференція, на яку запросили Пітера Хіггса і Франсуа Енглера (Роберт Браут, на жаль, не дожив рік до відкриття) – це було влітку 2012 року. Я був на цій пресконференції.

Що ви подумали в той час?

Подумав, що це дуже круто, ми всі молодці. Я досить серйозно вдосконалив реконструкцію електронів. Це нам надало можливість зібрати більше подій і краще їх реконструювати, тому в нас була краща статистика, ми швидше побачили, власне, бозон Хіггса. Були інші люди, які займалися в інших доменах, в інших місцях. Ще були люди, які побудували колайдер, побудували самі детектори. Це колективна перемога, і це було дуже круто.

Що це дало і чим допоможе в майбутньому?

Є напрям, який надає перевагу новим відкриттям. І наступний крок – ще точніше виміряти характеристики бозона, визначити його масу якомога чіткіше, визначити спін і як ця частинка взаємодіє з іншими частинками. Наукова програма ЦЕРНу в собі поєднує ще кілька таких не вивчених фізикою доменів елементарних частинок, наприклад, пошук кандидатів для темної матерії.

Трохи зупиніться, про темну матерію треба пояснити.

Що таке темна матерія? Як знаємо з космологічних досліджень, ми маємо реєструвати значно більшу масу у Всесвіті, ніж та, яку ми реєструємо. Що це для нас означає? Що мають існувати якісь частинки, які взаємодіють таким чином, що ми їх не бачимо. Тобто вони взаємодіють гравітаційно, тому ми знаємо, що вони мають бути. Але, наприклад, вони не взаємодіють електромагнітно, тобто не випромінюють світло. Інакше б їх побачили. І є кілька моделей, якими можуть бути ці частинки, як саме вони можуть взаємодіяти.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Склад Всесвіту, за даними WMAP

Тобто вона «темна», тому що прихована?

Темна, тому що ми її не бачимо з допомогою інструментів, які в нас є. Ми знаємо, що темна матерія має суттєву масу, з того, як, наприклад, різні галактики рухаються відносно одна одної, але не можемо щось побачити.

Такі частинки можуть народжуватися під час зіткнень протонів на великому адронному колайдері, і ми можемо виміряти їх, так би мовити, сліди. Це велика програма пошуку. І різних моделей темної матерії досить багато.

Уявімо, що завтра ми відкрили темну матерію. Що нам це дає?

Дасть краще пояснення будови Всесвіту, будови на елементарному рівні формації галактик, формації матерії. Це не допоможе запустити іншу ракету на Марс чи на Місяць. Але це дасть нам краще розуміння того, як формуються галактики, яка динаміка розвитку нашого Всесвіту і нашої Галактики.

Окрім темної матерії цікавим, як на мене, є ще пошук суперсиметрії. Що таке суперсиметрія? Стандартна модель елементарних частинок – теорія, що гарно працює, вона пояснює багато чого. Але вона має деякі речі, які ми не можемо пояснити зараз.

Наприклад?

Наприклад, ми не можемо пояснити ієрархію мас елементарних частинок. Механізм набування ними маси ми знайшли, але чому, скажімо, мюон важчий за електрон або чому маса топкварка саме така, якою вона є, ми пояснити не можемо. Або, наприклад, інше питання – це маса нейтрино. Стандартна модель, взагалі, працює з безмасовими нейтрино. Але ми знаємо, що в них, хоч і дуже мала, але все ж таки є маса.

І щоб пояснити всі ці штуки, зменшити набір якихось констант, які константи просто тому, що вони ось такі, багато науковців працюють над альтернативними теоріями, які не відкидають стандартну модель, а її доповнюють.

Ви можете на це подивитися як, наприклад, на події, де є ньютонівська механіка, яка шикарно працює в нашому повсякденному житті. А є релятивістська механіка, яка починає давати свої поправки, коли ви вже наближаєтесь до швидкостей світла. Тоді її поправки стають суттєвими і ми маємо їх враховувати.

Я вам більше скажу, ви користуєтеся релятивістською механікою щодня. Коли, наприклад, вмикаєте GPS у вашому гаджеті. Тому що GPS працює на різниці часу, який потрібен сигналу, щоб надійти з різних супутників.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Михайло Дальченко в ЦЕРНі збирає мюонну камеру

Розкажіть про суперсиметрію.

Суперсиметрія передбачає, що в кожної елементарної частинки має бути так званий суперсиметричний партнер. І якщо у вас основна частинка – це ферміон (усі частинки можна розділити на дві групи залежно від значення їхнього спіну: частинки з цілим спіном належать до бозонів, з напівцілим – до ферміонів. – Прим. ред.), то суперсиметричним партнером буде бозон, і навпаки. І, власне, вона передбачає, що ми маємо знайти досить багато інших частинок, які ще невідомі та не знайдені.

А якщо знайдуть, що це означатиме?

Це буде означати, що дійсна стандартна модель є ефективним наближенням складнішої теорії. Далі це залежатиме від того, що саме знайдуть і як саме ці частинки будуть себе поводити. Дуже далека мета – розробити і перевірити на практиці модель елементарних частинок Всесвіту.

Одним з прикладів такої моделі є так звана GUT – Grand Unification Model. Це велика теорія уніфікації, яка каже про те, що за дуже великих енергій усі типи взаємодії, які ми зараз спостерігаємо як окремі – гравітація, електромагнітна взаємодія, сильна взаємодія, слабка взаємодія – сходяться до однієї уніфікованої взаємодії.

Знову в космос. Що нам допоможе зробити найшвидші космічні перельоти, можливо, щось у фізиці?

З фундаментальної фізики наразі нам не допоможе нічого. Аби зробити швидшу ракету, вам треба зробити кращий двигун, мати кращі матеріали, кращу електроніку. Але ми дуже багато працюємо над матеріалами, технологіями новітніми з погляду телекомунікацій, електроніки, яка радіаційно стійка.

Розробляючи наші експериментальні установки, ми дуже багато додаємо до прикладного аспекту. Наприклад, я досить довго працював з мюонними детекторами. І, з одного боку, ми їх використовуємо в експерименті у Великому адронному колайдері, а з іншого – їх використовують на митниці, щоб з допомогою мюонів швидко просвітити великі вантажівки.

Повернімось до фантастики. Якщо казати про гіперпростір. Є теорії, котрі кажуть, що треба стискати простір поруч із самим кораблем. Це наукова фантастика або, може, є в цьому якесь раціональне зерно?

Це не зовсім наукова фантастика. Можна сказати, це математичні трюки, які допомагають зробити вашу теорію більш життєздатною.

«Теорія гіперпростору – це математичний трюк»: український фізик, який допоміг відкрити бозон Хіггса

Теорії warp drive, що дозволяє переміщатися зі швидкістю вищою за швидкість світла

А в цілому, як ви вважаєте, можливе саме це?

З математичного погляду – так.

А в реальності поки не зрозуміло?

Я не знаю, і ніхто не знає. І, власне, одна з причин, чому я вирішив трохи відійти від теоретичної фізики і йти в експериментальну – тому що наразі кількість теорій дуже велика. І досить часто ці теорії суперечать одна одній. У цьому нічого поганого немає, проблема в тому, що є реально дуже великий шанс, що якщо ви займетеся зараз теоретичною фізикою високих енергій, то потім це можна буде назвати науковою фантастикою. Тобто змарнований час.

Теорію струн змінювали багато разів.

І, власне, тому тут є проблема. Сучасні теорії описують такі явища і такі характеристики, які ми наразі не можемо перевірити, виміряти.

А скажіть, які найбільш такі «тупі» теорії ви зустрічали?

Вони не відрізняються нічим від цілого зоопарку інших неперевірених теорій. Наприклад, бувають так звані нумерологічні псевдотеорії. Це коли роблять якесь зовсім безглузде припущення, а далі якісь чисельні розрахунки, які нібито щось там підтверджують, щось дають, але це підгонка чисел під наявну реальність. І це взагалі не можна назвати теорією.

Якийсь приклад?

Теорія розумних дельфінів. Або в нас був кандидатом у президенти Академії наук України Юрій Тесля. Він розробив теорію несилової взаємодії. Теорія будується на припущенні, що «матеріальний світ є продовженням іншого світу. Світу функціонально й емоційно найважливішого. Матерія чуттєва. Її поведінка (рух) визначається не викривленням простору, а власним ставленням до дійсності (чуттєвим компонентом нашого світу)». Це повна нісенітниця.

Що зараз ви робите та досліджуєте? Що із цим телескопом?

Зараз я працюю на міжнародну обсерваторію з черенковськими телескопами. Це телескопи, які досліджують джерела фотонів дуже високих енергій (такі як активні ядра галактик, квазари, блазари, чорні діри) з допомогою спостереження черенковського світла, яке створюється, коли частинка з дуже високою енергією входить в атмосферу Землі.
Тобто для нас робочим тілом детектора є атмосфера Землі. У нашій групі ми проєктуємо новітню камеру для такого телескопа. І я займаюся розробками систем обробляння даних і калібруванням масиву телескопів, це більше про IT – розробка програмного забезпечення.

Наскільки я розумію, ви два роки вже там працюєте. Що за ці два роки відбувалося, що ви знайшли?

По-перше, за кілька років у нас буде великий масив телескопів, їх буде багато. Зараз у нас є один уже повністю готовий прототип, який встановлений на острові Ла-Пальма на Канарах. Річ у тому, що ось зараз на Великому адронному колайдері є енергія зіткнень, вона дорівнює кільком тераелектрон-вольтам. З одного боку, це багато, це найбільша з усіх таких експериментальних установок на Землі. А з іншого – це небагато. Адже якщо ми хочемо подивитися на енергії, на яких, наприклад, теорія уніфікованої взаємодії має працювати, то це енергії на 10 порядків вищі за ті, що ми можемо створити на Землі. Наразі немає технологій, які зможуть нам забезпечити такі прискорювачі. Але в космосі такі прискорювачі є. Це, наприклад, блазари.

На що це може впливати?

Це розуміння того, як проходять ті чи інші процеси при таких великих енергіях, як відбуваються взаємодії. Це все розуміння Всесвіту.

Є якась практична площина в цьому? Просто я хочу, щоб ми наблизили майбутнє. На що це може впливати?

Наприклад, я б вам сказав, що ми зараз розробляємо новітню камеру і ця камера працює в оптичному діапазоні і її можна грубо порівняти з камерою у вашому мобільному телефоні. Але вона має дуже високу чутливість та є дуже швидкою. Тобто ми бачимо легко один фотон і можемо зчитувати сигнал з частотою в гігагерц. І сенсори, які ми використовуємо, працюють не тільки в наших камерах, але, наприклад, у медичному устаткуванні – позитронно-емісійному томографі. У нашій групі є підгрупа, яка займається розробкою новітньої ручної ПЕТ-камери, яку може використовувати хірург, коли робить, наприклад, операцію на мозку. Новітні хірургічні інструменти, які намагаються розробити, мають бути малоінвазивними, мінімізувати хірургічне втручання – чим менше ви фізично чогось торкаєтесь, тим менше ви це щось травмуєте. Ця камера допоможе робити складні хірургічні операції менш травматичними.

Ще ми хочемо відкрити суперсиметрію, суперсиметричних партнерів. Ви знову спитаєте для чого? Є фундаментальна наука, є прикладна наука. Наприклад, коли Джеймс Максвел писав свої рівняння з електромагнетизму, ніхто не думав про те, що будуть телевізори. Але вони потім з’явилися. І тут те саме. Зараз те, чим я займаюсь, це передній край фундаментальної науки – ми не думаємо про практичне застосування. Але є досить багато вчених, які займаються трохи іншою наукою і розробляють практичне застосування. Це не стільки вже наука, скільки інженерія, трохи інший домен.

Завантаження коментарів...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: