Українські вчені теж беруть участь у... створенні світу

— Люди завжди прагнули зрозуміти, як виник Всесвіт. Аристотель вважав, що в ньому не могло бути початку та не буде кінця. Іммануїл Кант переймався питанням, чому, якщо у Всесвіту був початок, цьому початкові передував нескінченний період очікування. У 1915 році загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна дозволила вирішити загадку: простір і час були не фіксованим тлом того, що відбувається, а динамічними сутностями. Подібно до того, як немає точки південніше за Південний полюс, немає часу поза Всесвітом. Та залишалася ще одна проблема: теорія Ейнштейна, яка описує найкрупніші сутності, не узгоджується з іншим стовпом фізики ХХ століття — квантовою теорією, яка описує найдрібніші сутності. Великий адронний колайдер — це спроба наблизитися до вирішення цієї дилеми. У ньому здійснюватиметься зіткнення елементарних частинок, яке дозволить відтворити моменти, які відбулися після Великого вибуху, — так відповів знаменитий британський астрофізик Стівен Хокінг на запитання, навіщо потрібен цей величезний кільцевий тунель із найскладнішим обладнанням, який потребує чимало коштів і занадто втратний в період глобальної економічної кризи.

У своїй відповіді Хокінг не згадав про теоретично існуючий бозон Хіггса, який сам не має маси, але відповідальний за появу мас у всіх інших частинок — електронів, протонів. Британський фізик навіть заклався на 100 доларів, що «божественну частинку», як ще називають бозон, у колайдері не виявлять. Утім, фізики переконані, навіть негативний результат в експерименті однаково буде результатом, оскільки в такому разі можна почати шукати щось інше. Та й загалом поле застосування відкриттів, які очікують від ВАК, ширше, ніж пошук бозона Хіггса. Наприклад, можуть виявитися передбачувані однією з теорій «тунелі в часі», не виключене відкриття нових частинок і зрештою спростування всієї колишньої наукової картини світобудови.

І все-таки річ не тільки в допитливості вчених. Фундаментальні дослідження та створення нових технологій завжди нерозривно пов’язані. Не виключено, що цей експеримент дасть поштовх новим технологіям у галузі енергетики, які дозволять людству забути про проблему нестачі енергії. Навіть якщо казати про конкретну користь колайдера вже нині, слід згадати про те, що для обрахування подій, які відбуватимуться в ньому в процесі експерименту — а це народження 40 мільйонів взаємодій елементарних частинок на секунду, — у ЦЕРНі розробили новий глобальний проект. Це ГРІД, просунута інфраструктура, що об’єднує безліч інформаційних ресурсів різних типів. Потенціал ГРІДу має стратегічний характер, у близькій перспективі він стане найсучаснішим на Землі обчислювальним інструментом для розвитку високих технологій у різних сферах діяльності.

На Великому адронному колайдері одночасно відбуватимуться тисячі експериментів. Енергія в пучках частинок підвищуватиметься дуже поступово, проте фізики сподіваються, що до кінця 2010 року вона вже буде достатньою, щоб зареєструвати бозон Хіггса і виявити одиночний топ-кварк, найважчу із суб’ядерних частинок із дробовим зарядом. До 2011 року є надія побачити перші сліди слептонів — суперсиметричних партнерів лептонів (позитронів і мюонів) — і нейтраліно, гіпотетичної частинки, з якої, можливо, переважно й складається темна матерія. Перші висновки щодо реалізації хіггсівського механізму генерації мас можна буде зробити після 2013 року. І лише після цього у світової спільноти з’являться підстави готуватися до по-справжньому несподіваних відкриттів.

За масштабами міжнародної кооперації та діапазону задіяних у ній фахівців проект ВАК можна зіставити лише з проектом ITER зі створення першої робочої моделі термоядерної комерційної електростанції. Що характерно, при цьому порівнянні і строки отримання результатів від цих грандіозних задумів, і важливість для майбутнього цивілізації.

І трохи українського акценту

За 14 років створення ВАКу у ньому було задіяно близько 130 українських учених із дев’яти наукових центрів.

Однією з головних причин, що спонукала вчених побудувати ВАК, є теорія суперсиметрії та супергравітації, розробка якої стала одним із найяскравіших і вагомих досягнень фізики другої половини XX століття. Піонерські роботи в цій галузі були виконані в 70-ті роки минулого століття колективом учених ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут», який очолював академік Дмитро Васильович Волков.

Як відомо зі шкільних підручників фізики, стандартна модель виникнення Всесвіту об’єднує три фундаментальні взаємодії — електромагнітну, слабку та сильну. А гравітація в цю модель не вписується, що не дозволяє науковцям пояснити природу темної енергії та темної матерії, які, хоча й невидимі для нас, проте становлять відповідно 73% і 23 % Всесвіту. Вони були виявлені побічно за тими гравітаційними ефектами, які справляли на космічні об’єкти, за якими велося спостереження. Фактично нині ми бачимо лише 4% речовини — такої кількості не вистачає ні для пояснення природи зоряних орбіт, ні для повної картини світу. Включити всі чотири фундаментальні взаємодії в послідовну і самоузгоджувану конструкцію і дозволяє теорія суперсиметрії. Якщо за допомогою ВАК удасться відкрити суперсиметрію в природі, уявлення про картину світу зазнає революційних змін.

Українські вчені зробили свій внесок і в розробку окремих вузлів конструкції колайдера. Як відомо, експериментатори спробують у кільцевій трубі колайдера розігнати пучки елементарних частинок у зустрічних напрямках до швидкості, близької до швидкості світла, і зіштовхнути їх між собою. Набуті в результаті експерименту дані зчитуватимуться та аналізуватимуться в кількох детекторах, установлених навколо точок зіткнення пучків протонів.

— Українські науковці працювали над створенням трьох із чотирьох детекторів: CMS, LHCb і ALICE, — каже директор Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ академік НАНУ Борис Гриньов. — Зокрема для установки CMS, побудованої для вивчення протон-протонних зіткнень і пошуку бозона Хіггса, наші фахівці створили 22 тисячі тайлів — різного розміру детекторів із радіаційно стійкої пластмаси. І якщо «божественну частинку» все-таки буде «спіймано», то саме усередині CMS — компактного мюонного соленоїда. Розроблена нами технологія виготовлення таких детекторів, а також сцинтиляторів на основі кристалів вольфрамату свинцю як для CMS, так і для ALICE є унікальною.

Для детектора ALICE, який шукатиме нову форму ядерної матерії після зіткнень іонів свинцю або золота, вчені Інституту теоретичної фізики ім. М.Боголюбова і ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» дістали від ЦЕРН завдання створити внутрішню трекову систему. Трудність завдання полягала в тому, що через функціональну особливість цього детектора всі його деталі мають бути максимально легкими та компактними і водночас спроможними витримати потужне випромінювання від зіткнення протонів. Щоб домогтися потрібного результату, українські фахівці зуміли скоротити відстань між контактними площадками мікроплат удвічі й перетворили ALICE на гнучкий і високочутливий комплекс.

Під час створення цього детектора була застосована ще одна унікальна українська технологія створення мікрокабелів на гнучкій лавсановій основі, які працюють при високому радіаційному навантаженні. У створенні мікрокабелів брав найактивнішу участь харківський Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування. Загалом за час реалізації проекту в Україні було виготовлено 40 тисяч мікрокабелів різної форми та спрямованості, чотири тисячі дуже важливих для цього детектора гібридних схем, зібрано дві тисячі модулів.

Ще одна унікальна розробка: під час створення установки LHCb, де досліджуватимуться порушення деяких фундаментальних симетрій і намагатимуться виявити сліди одиночного beauty-кварка, були вперше застосовані металеві фольгові детектори. Вони створені вченими Інституту ядерних досліджень НАНУ в Києві разом із німецьким Інститутом ядерної фізики ім. Макса Планка. Система визначення радіаційної обстановки навколо детектора є одним із найважливіших його елементів, оскільки досліди проходитимуть за умов дуже високого рівня радіації, еквівалентного наслідкам вибуху 100-мегатонної ядерної бомби.

Крім названих наукових установ, у проекті ВАК брали участь також Інститут мікроприборів (Київ), Київський національний університет ім. Т.Шевченка і Харківський національний університет ім. В.Каразіна. Слід зазначити, що за весь цей час наша держава на реалізацію проекту витратила близько одного мільйона швейцарських франків при вартості всього проекту понад п’ять мільярдів доларів США, тобто усього 0,02%.

* * *

… Допоки фізики чекають, коли Великий адронний колайдер почне працювати, незвичні події у світі елементарних частинок зафіксовані на американському протон-антипротонному колайдері Теватрон. До запуску ВАКу він залишається найпотужнішим діючим протонним колайдером у світі. Зокрема під час зіткнення протонів тут несподівано зародилося багато мюонів. Причому ці елементарні частинки з’являлися іноді навіть зовні вакуумної труби, по якій літають протонні згустки, і відразу по кілька штук. Вийшло щось на кшталт «мюонного струменя» — явища, на думку фізиків, цілком неймовірного з погляду Стандартної моделі.

Якщо причиною аномальних подій справді є якісь нові частинки, а не похибки експерименту, то вони гарантовано матимуть цілком нестандартні властивості, вважають учені. Їхнє виявлення ознаменує собою відкриття нової грані будови нашого світу. Тому ще з більшим нетерпінням залишається чекати запуску Великого адронного колайдера.