Українське у «часточці Бога»

Усім бозонам — бозон

Процес створення моделі Всесвіту нагадує дитячу головоломку, розгадуючи яку, науковці вже не одне століття ретельно складають один до одного гіпотетичні пазли. Всередині минулого століття картинка зібраної мозаїки нарешті здалася їм цілісною і правдоподібною, але для того, аби визнати її стандартною і вигукнути «еврика!», бракувало усього лише однієї деталі. Тобто теоретична конструкція, запропонована науковцями, описувала модель, що ґрунтується на тісній взаємодії усіх елементарних частинок, але не було зрозуміло, як завдяки цим процесам формується матерія. І тоді у 1964 році фізики Пітер Хіггс та Франсуа Енглер припустили, що у Всесвіті існує поле, яке складається з бозонів. Воно виникло, за словами вчених, у момент Великого вибуху, що спричинив появу світу. Проходячи саме через нього, решта частинок ніби стишують хід, набуваючи маси і відповідно матеріальної сутностi. Саме тому передбачений бозон не лише назвали іменем відомого фізика, а й закріпили за ним символічне трактування — «частинка Бога». Мовляв, саме завдяки їй світ проявився з небуття, ставши матеріальним.

Але теоретичне припущення існування бозона Хіггса ще треба було підтвердити практичними дослідженнями. Приладу, який би дозволив це зробити, не мав жоден науковий центр планети. Ситуацію прояснила теорія суперсиметрії і супергравітації, запропонована в 70–х роках минулого століття групою вчених Харківського фізико–технічного інституту, що працювала під керівництвом академіка Дмитра Волкова. На основі цієї теорії виникла ідея створити найбільший за всю історію людства прискорювач елементарних частинок, довжиною 27 кілометрів, що нині відомий під назвою Великий адронний колайдер (ВАК).

У цій велетенській кільцевій трубі, аби підтвердити існування бозона Хіггса, вчені почали розганяти майже 10 тисяч магнітів до швидкості світла і зіштовхувати між собою пучки протонів. У такий спосіб вони ніби подорожували на 14 мільярдів років назад, аби відтворити подробиці створення Всесвіту і довести, що воно не сталося без участі поля згаданих елементарних частинок. Останні вперше на ВАК помітили у липні минулого року. Правда, тоді фізики зізналися, що бачать частинку, лише схожу на ту, яку так довго шукають. Експерименти продовжили, і вже в березні з’явилася справжня сенсація. Вчені запевнили: влітку їм трапився «саме той Хіггс». Новиною став і той факт, що фізик, ім’ям якого назвали бозон майже півстоліття тому, і досі живий. Виявляється, літній вчений не користується мобільним телефоном, тому не отримав особистого привітання одразу після сенсаційного відкриття. Втiм по Нобелівську премію він приїхав особисто і палко ратував за продовження розвитку фундаментальних наук.

У свою чергу група харківських учених, яка працювала над створенням теорії суперсиметрії та супергравітації, була нагороджена Державною премією, хоча всі вірили в те, що у разі підтвердження факту існування бозона Хіггса «нобеля» отримає і Володимир Акулов — один із трьох «стовпів» цієї теорії, який нині проживає у США. Двоє інших — Дмитро Волков та В’ячеслав Сорока — не дожили до цих днів.

Всевидящий кристал

Великий адронний колайдер теж будувався за принципом дитячої гри. Але не в мозаїку з пазлами, а в гігантський конструктор, деталі до якого збирали по всьому світу. У ньому багато чого створювалося вперше, тому ніхто на початку не знав як перевірені принципи, теорії, комплектуючі або, наприклад, матеріали спрацюють у новітньому приладі.

Одним iз таких каменів спотикання став пошук кристалів, здатних «побачити» бозон, якщо той буде знайдено. «Перед науковою спільнотою поставили завдання вибрати спеціальні детектори, — пригадує співробітник НТК «Інститут монокристалів» Ірина Тупіцина. — То мав бути радіаційно стійкий кристал, спроможний працювати в полях iз високою радіоактивністю, фіксуючи частинки надвисоких енергій. Причому дуже швидко, адже рахунок іде і в наносекундному діапазоні».

Фаворитами у процесі вибору певний час вважалися фториди барію та цезію, які дуже добре зарекомендували себе у попередніх проектах. Для їх виробництва на Заході навіть було збудовано кілька заводів. Але пізніше стало зрозуміло: ці матеріали «не осилять» енергетичну потужність, закладену у принцип роботи колайдера. Складну проблему, що постала перед науковою спільнотою, пробував вирішити також японський професор Кобаяши, але отриманий ним кристал мав забарвлення і виявився не настільки якісним.

І тоді у 1992 році на конференції у Швейцарії співробітник Харківського інституту монокристалів Людмила Нагорна представила дітище своєї лабораторії, довівши, що цей матеріал за основними характеристиками (щільністю, радіаційною стійкістю і здатністю виявляти високоенергетичні частинки) — набагато кращий за всі відомі аналоги. Так харківський вольфрам свинцю (PWO) був вибраний для проведення глобального експерименту і таки «побачив» минулого року знаменитий бозон Хіггса у мюонному соленоїді (CMS) — одному з двох великих універсальних детекторів елементарних частинок ЦЕРНу, збудованому завдяки згаданому монокристалу. Аби доступніше пояснити роботу унікального приладу, Ірина Тупіцина порівняла цей процес iз функціями людського зору. «В око потрапляє оптичний промінь, каже вона, — який подразнює його рецептори. Сигнал іде до мозку, і ми починаємо розуміти, що саме бачимо. У подібний спосіб сцинтиляційні кристали перетворюють високоенергетичні випромінювання у світлову одиницю, і за характеристиками цього спалаху можна говорити про природу частинок, що його викликали».

На жаль, сама Людмила Лаврентіївна не дожила до остаточного підтвер­дження сенсаційного відкриття, але минулого року, коли в інституті відзначали її 80–рiчний ювілей, встигла отримати вдячну телеграму від керівника департаменту ЦЕРНу Поля Лекона. «Ви можете пишатися своїм неоціненним вкладом, — писав він. — Як Ви знаєте, 100 тонн PWO в нашому калориметрі CMS бачили бозон Хіггса. Без Вас цей калориметр, можливо, не був би збудований! Я повинен додати, що, окрім визнання Вашого фантастичного наукового вкладу, було справжнім задоволенням працювати з Вами усі ці роки».

У вересні цього року Україна нарешті підписала з ЦЕРНом угоду про асоційоване членство, що, за словами голови Держінформнауки Володимира Семиноженка, виведе давнє співробітництво «на новий рівень і є дуже серйозним стимулом для наших науковців». В її рамках вчені НТК «Інститут монокристалів» уже розпочали пошук неорганічних сцинтиляційних кристалів, здатних працювати в інтенсивних полях іонізуючого випромінювання в оновленому колайдері. Останній наразі закрили на ремонт, що триватиме до кінця наступного року. Коли вчені повернуться на ВАК, перед ними стоятимуть зовсім інші завдання. Адже одна справа «побачити» бозон Хіггса, зовсім інша вивчити можливості, що відкриються перед людством завдяки цьому відкриттю. Прогнози — близькі до фантастики. Йдеться не лише про нові види енергії і принципи створення надсучасних технологій, а й можливість відкриття «тунелів часу» і нових, досі невідомих частинок. Не виключено, що зміниться навіть саме уявлення про існуючу модель світобудови, адже простір і час тепер здаються не фіксуючим тлом усього, що відбувається у Всесвіті, а динамічними сутностями. Тобто термін «часточка Бога» виник зовсім не випадково.

Рука на пульсі часу

Колайдер наразі не працює, але отримані на ньому результати й далі обробляються на велетенському «віртуальному суперкомп’ютері». Цю грід –систему, у створенні якої брали участь і фахівці Харківського фізико–технічного інституту, можна порівняти з розподільною мережею, що складається із сотень тисяч обчислювальних машин, працюючих одночасно по всьому світу. «Ми отримуємо дані цілодобово, — каже керівник лабораторії ХФТІ Леонід Левчук. — Тобто, як тепер модно говорити, отримуємо сім днів на тиждень і 24 години на добу, а потім обробляємо їх на нашому комплексі». Ця робота по–справжньому­ унікальна, адже одна справа отримати результат, інша — правильно його «прочитати».

У кільцевому конструкторі під назвою «Великий адронний колайдер» є чимало й інших українських деталей, виготовлених у стінах переважно київських та харківських НДІ. Наші вчені, скажімо, працювали над створенням трьох із чотирьох детекторів ЦЕРНу,­ запропонувавши новітні матеріали, модулі, гібридні схеми, вузли для зборки, мікрокабелі на гнучкій лавсановій основі, здатній витримати високі радіаційні навантаження. Через рік ВАК запрацює знову. Отже, згаданий перелік поповниться новими проектами.