Ми поспілкувалися з доктором фізико-математичних наук, членом колаборації SHiP Станіславом Вільчинським про сучасні задачі фізики елементарних частинок, про пошук темної матерії, бозон Гіґґса та роботу українських науковців на колайдері.
Яким чином влаштована робота на Великому адронному колайдері та як до неї залучені українські наукові групи?
— У CERN (Європейська організація з ядерних досліджень. — Ред.) немає українських, німецьких груп тощо. Натомість є детектори. ATLAS, CMS, ALICE, LHCb та ті, що створюються, наприклад SHiP, повинні розпізнавати частинки, що виникають у результаті зіткнень високоенергетичних пучків протонів чи важких іонів у кільці колайдера.
Навколо цих детекторів і створюються колаборації, що називаються так само та складаються з тисяч учених. Колаборації виникають під конкретні задачі. Наприклад, SHiP — Search of Hidden Particles — це пошук невидимої матерії. До ALICE, чия мета — пошук кварк-глюонної плазми, входить група з Інституту теоретичної фізики імені Боголюбова, яку очолює член-кореспондент НАНУ Геннадій Зінов’єв. Він один із керівників цієї колаборації. Член-кореспондент Валерій Пугач зі своєю групою працює в LHCb. Тому казати про роботу конкретно українських вчених не можна: вони є частиною великої команди.
Читайте також: Світлана Благодєтєлєва-Вовк: «Нашою діяльністю ми хочемо показати, хто насправді господар в українській науці»
Суспільна думка пов’язує колайдер саме з пошуком бозона Гіґґса, та його вже знайшли. Які зараз завдання стоять перед командою проекту?
— Окрім активного дослідження бозона Гіґґса в колабораціях CMS і ATLAS є ще кілька завдань. Це пошуки кварк-глюонної плазми та частинок, які не входять до Стандартної моделі, дослідження властивостей фізичного вакууму, пошуки додаткових вимірів. Ми живемо в чотиривимірному просторі, але деякі теорії, як-от суперструн, передбачають 11 вимірів і більше. Також є стратегічно важливі технічні завдання: збільшення параметрів кільця. Із 27 км до 100 км, що дасть змогу краще розганяти частинки. Наша група науковців з кафедр квантової теорії поля та ядерної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка входить до колаборації SHiP. Маємо за мету дослідження низькоенергетичного сектору Стандартної моделі та пошук невидимої матерії.
Які знання про Всесвіт дасть відкриття кварк-глюонної плазми?
— Кварк-глюонна плазма існувала в перші секунди після виникнення Всесвіту. Кварки й глюони перебували у вільному стані. Всесвіт розширювався, енергетично вигідніше стало їм об’єднуватися в протони, нейтрони та інші частинки (баріони й мезони), і наразі цієї плазми у Всесвіті немає. Основне джерело інформації про ранній Всесвіт — реліктове випромінювання. Якщо казати дуже просто, це «знімок» Всесвіту, коли його вік був 300–500 тис. років. Якщо кварк-глюонну плазму ми задетектуємо, то дізнаємося, що відбувалося з 10-10 секунди після його утворення. Є різниця, чи не так?
Читайте також: Рік грантів в українській науці
Яким чином відбувається робота самих колаборацій?
— Колаборація — відкрита структура. Кожен, хто бажає, може надіслати заявку про членство. Як виникла SHiP? Постало завдання знайти невидимі частинки. Наприклад, є активні нейтрино, детектовані давно, і є гіпотетичні стерильні нейтрино. Будь-яка елементарна частинка має кіральність — ліву та праву. Класичного аналогу кіральності немає. Стандартна модель передбачає, що всі частинки, крім нейтрино, можуть бути і ліво-, і правокіральними. Експерименти це блискуче підтверджують! Нейтрино поки що детектують лише лівокіральні. Правокіральні стерильні нейтрино в жодній із взаємодій не беруть участі, окрім гравітаційної. Передбачають існування трьох типів стерильних нейтрино. Один із них — із дуже малою масою, що довго живе, — якраз і є кандидатом на роль частинки темної матерії. Інші два типи швидко розпадаються, і продукти їхнього розпаду можна спробувати детектувати. Навколо цієї та схожих задач з’явилися фізики, утворили колаборацію.
На якому етапі підготовки нині перебуває SHiP?
— На етапі підготовки експерименту, конструювання фрагментів детектора, їхнього тестування. Українські теоретики в її складі працюють над розширенням Стандартної моделі. Передбачають, які нові надзвичайно легкі та слабовзаємодійні частинки можуть існувати, та вивчають імовірні канали їх розпадів на вже відомі частинки. Серед наших учених є невелика група експериментаторів (Ігор Каденко, Олег Безшийко), що конструюють ці детектори. Поки що складно передбачити, коли наша колаборація почне видавати вагомі експериментальні результати, тому із обережністю скажу: орієнтовно 2025–2030 роки.
Що таке Стандартна модель? Навіщо шукають частинки, що до неї не входять? Це спроба її поламати?
— Це сучасна теорія, яка описує всі взаємодії між елементарними частинками (електромагнітні, слабкі та сильні), крім гравітаційної, і властивості всіх відомих на конкретний момент елементарних частинок. Уся матерія складається із ферміонів. Будь-яка взаємодія між ними реалізується за допомогою бозонів. Ферміони та бозони принципово відрізняються спіном, власним моментом кількості руху частинок. У ферміонів, матерії, спін напівцілий. У бозонів він цілий. До бозонів належать фотони, глюони, W- і Z-бозони та бозон Гіґґса, а також поки що незадетектований гравітон, в існуванні якого ніхто не сумнівається. Бозон Гіґґса — це скалярна частинка, її спін дорівнює 0. Стандартна модель є предметом гордості сучасної теоретичної фізики. Найвідоміші її результати — передбачення існування та детектування вже згаданого бозона Гіґґса. Решта — детектування масивних W- і Z-бозонів, носіїв електрослабкої взаємодії, які передбачили видатні фізики Стівен Вайнберґ, Шелдон Лі Ґлешоу та Абдус Салам. Утім, Стандартна модель не пояснює існування маси в нейтрино, не може пояснити природу темної матерії та темної енергії, не повністю пояснює, чому у Всесвіті немає антиматерії.
Читайте також: Реформа науки. З багатьма невідомими
Які є кандидати на роль частинок темної матерії?
— Темна матерія складається з елементарних частинок, що не беруть участі в жодній із відомих сучасній фізиці взаємодій, окрім гравітаційної. Кандидатів на роль темної матерії нині багато! Теоретики будують її моделі та обчислюють ділянку параметрів таких частинок. Якщо передбачення моделі не узгоджуються зі спостереженнями, то така теорія вважається невдалою. Але в цьому випадку невдача не є поганим результатом. Фізики знатимуть, що ось такі моделі темної матерії вже досліджено й ними не варто більше займатися. Скажімо, нині інтенсивно шукають вже згадані стерильні нейтрино. Якщо знайдуть, буде Нобелівська премія. До речі, великий внесок у цьому напрямі зроблено українськими вченими Дмитром Якубовським, що працює сьогодні в Данії, Олексієм Боярським, професором Лейденського університету, та Олегом Ручайським із Копенгагенського університету. Сподіваюся, протягом 15–20 років проблему темної матерії вирішать. Вона куди легша, ніж проблема темної енергії.
Свого часу відкриття бозона Гіґґса стало сенсацією. Яку роль він відіграє в структурі реальності?
— Науковою сенсацією стало б його невідкриття! Цей бозон був передбачений ще 1962 року Франсуа Енґлером і Робертом Браутом, та пізніше, у 1964‑му, Пітером Гіґґсом, який навряд чи знав про їхню роботу. Він побудував зрозумілішу та набагато простішу (іграшкову) модель, суть якої легко збагнула більшість фізиків.
Власне, бозони Гіґґса, а теорією їх передбачено чотири, відповідають за генерацію маси у ферміонів (лептонів та кварків) і в масивних бозонів (W-, Z-бозони та задетектований недавно бозон Гігґса). Грубо кажучи, перераховані елементарні частинки «з’їли» три з чотирьох бозонів Гіґґса та стали масивними. Четвертий бозон Гіґґса вижив, «поїдаючи» інші три, і також став масивним. Частинки, що виникали на початку еволюції Всесвіту, не мали маси. Проте потім відбулося спонтанне порушення симетрії та енергетично вигідно стало елементарним частинкам поглинути ці три бозони Гіґґса.
Як здійснюється фінансування колаборацій?
— Кожна країна, що є повноцінним чи асоційованим членом CERN, щороку платить мінімум €1 млн внесків, і CERN сам вирішує, на що витрачати гроші. Україна є асоційованим членом. І тільки недавно, уже за нинішньої влади, ми почали робити внески.
Чи отримує від того Україна якісь бонуси?
— Завдяки цьому українські вчені є членами колаборацій. Та іноді туди беруть без внесків. Наприклад, КНУ в SHiP узяли безплатно 2015 року. Врахували не кращий фінансовий стан країни, а наш потенціал: ми можемо стати корисними. Усі члени колаборацій автоматично стають авторами всіх наукових статей, основаних на результатах їхньої роботи. Буває так, що людина платить гроші за те, щоб її прийняли в колаборацію, нічого не робить, але стає співавтором статей. В Україні є ті, хто, використовуючи своє службове становище, платить персональні внески за членство в колабораціях, участі в дослідженнях не бере, але їхні наукові показники зростають.
Чи впливає робота в колабораціях на власне українську науку?
— Вона дає нам можливість працювати з даними експериментів, які важко переоцінити. Досконалішої та складнішої структури, ніж Великий адронний колайдер, у світі немає. Порівняно з ним літак — простенький механізм. На нинішній момент це вершина людської науково-технічної думки. І він дає можливість молодим ученим реалізувати свої ідеї. Зазвичай молодь, що здобуває в нас освіту, зокрема завдяки роботі в колабораціях, переїжджає за кордон, де нормальні зарплати. Я в жодному разі це не засуджую, просто констатую. До того ж колайдер уже докорінним чином вплинув на все суспільство. Наприклад, він дав нам інтернет, який виник із мережі для обміну даними між науковцями CERN та Фермілабу.
—————
Станіслав Йосипович Вільчинський народився 27 березня 1964 року. Він доктор фізико-математичних наук (2003), професор і завідувач кафедри квантової теорії поля Київського національного університету. Член колаборації SHiP із пошуків невидимої матерії на Великому адронному колайдері. Автор понад 60 наукових робіт із фізики елементарних частинок, космології, теорії гравітації, релятивістської теорії надплинності, розширень Стандартної моделі.