Взвесить нейтрино и найти оддерон: Как украинские ученые, несмотря ни на что, совершают научные открытия "на Нобеля"

В марте научный мир всколыхнуло выдающееся событие — была опубликована статья об открытии новой частицы - оддерона.

Над этим работали команды двух проектов: участники TOTEM на Большом адронном коллайдере (находится в CERN — Европейской организации ядерных исследований) и международная группа DØ (далее — Д0, или же "Деза") на коллайдере Tevatron в Fermilab, научном центре в США.

В "ДО" работала и группа украинских ученых, специализирующихся на физике высоких энергий. Доктор физматнаук, профессор Владимир Аушев, кандидат физматнаук, основатель Cyber Unit Technologies Егор Аушев, кандидат физматнаук Ольга Гогота являются соавторами научной статьи по этому открытию.

Но что это такое — оддерон? Как украинские ученые попадают в престижные международные коллаборации? (Спойлер: не благодаря МОН.) Как студенты Киевского университета защищают дипломные работы, проводя исследования на коллайдерах? Какие еще проекты в разработке имеют все шансы потянуть на Нобеля? И наконец, кто они — украинские физики, которые присоединяются к самым масштабным проектам в своей области?

Об этом и больше журналисты Depo.ua поговорили с Владимиром Аушевым и Ольгой Гоготой.

 

- Чтобы мы легко могли понять и оценить масштаб открытия, объясните, пожалуйста, что такое оддерон?

В. А.: В каждом атоме есть маленькое ядро, а в нем — многочисленные протоны. Они имеют положительный заряд и могли бы разорвать ядра благодаря огромной силе отталкивания на очень малых расстояниях.

Но этого не происходит, потому что в природе есть так называемые сильные взаимодействия. Именно им мы обязаны жизнью и разнообразием атомов. И обеспечивают такие взаимодействия элементарные частицы "глюоны" (с английского glue — клей). Очень упрощенно: каждый протон состоит из трех кварков, и они обмениваются между собой глюонами. Глюоны как будто склеивают кварки вместе и таким образом образуют протоны, нейтроны и сотни других частиц, которые физики открыли на ускорителях, в частности на коллайдерах.

К тому же глюоны могут взаимодействовать между собой. Почти 50 лет назад появились теории, описывающие объекты, которые состояли только из глюонов и не содержали в себе кварков — так называемые глюболы ('глюонные шарики"). Фактически речь шла не просто о новых частицах, а о другой форме материи.

И вот оддероны — один из видов таких связанных состояний глюонов, которые должны содержать нечетное количество глюонов, в простейшем случае — три.

- Как именно происходило открытие? Почему на это ушло столько времени?

В. А.: Много лет оддерон казался абсолютно неуловимым. В конце сформировалось понимание, что оддерон можно обнаружить в реакциях рассеяния пучков частиц с огромной энергией.

Решили сравнить эксперименты на двух разных коллайдерах при одинаковых энергиях. Один должен был изучать рассеяние протонов на протонах, а другой — рассеяние протонов на антипротонах. В первом случае вклад оддеронов в процесс имел отрицательный знак, а во втором — положительный. Выявленная разница должна однозначно указать на наличие или отсутствие оддерона.

Эксперимент DØ на коллайдере "Тэватрон". Источник фото: CERN

Если попытаться привести воображаемую аналогию, то, скажем, кто-то предполагает, что есть сила на дороге в данном месте, которая должна заносить влево автомобиль из металла. Но если с той же скоростью будет двигаться автомобиль из пластика или наноматериалов, то его должно заносить в противоположную сторону.

Правда, возникла проблема: БАК не мог спуститься к энергиям "Тэватрона", и повторить эксперимент при тех же энергиях было невозможно. Выход ученые нашли в том, чтобы провести измерения при нескольких различных энергиях и по характеру поведения приблизить к энергиям "Тэватрона". Здесь также столкнулись с проблемой измерения малых отклонений рассеянных частиц. Чтобы увидеть эти отклонения, пришлось создавать дополнительный детектор TOTEM, который построила одноименная коллаборация.

Часть установки TOTEM в туннеле LHC. Источник фото: CERN

Именно в сотрудничестве DØ и TOTEM удалось убедительно доказать существование оддерона. Уже сейчас об этом говорят как об одном из величайших открытий в ЦЕРН и Фермилаб (а к таковым относятся, например, открытие топ-кварка на "Тэватроне" и бозона Хиггса в БАК).

- Конечно, мы не могли не задать вопрос, который приходит в голову сразу после новости об оддероне: а что теперь? Какие технологии будущего сейчас начнет строить человечество благодаря этому открытию?

О. Г.: Это первое, что всегда пытаются спросить у ученых: "А куда его сейчас?". Но сейчас этого никто не скажет, нужно время.

В. А.: Это открытие может сыграть ключевую роль в понимании явлений, в которых проявляется так называемое сильное взаимодействие. А можно ли его применить на практике, нам еще предстоит выяснить. Вот в 30-х годах Резерфорда спрашивали: "Какая польза от ваших исследований атомного ядра?". Он ответил, что, кроме лабораторных исследований, пользы никакой. Через десять лет — первый взрыв атомной бомбы, заработали атомные станции.

Поэтому сейчас обнаружена материя, которая существует в очень странном состоянии, там, где нет кварков, составляющих материю, которая нас окружает. И это может быть принципиально важным открытием и для будущих исследований и технологий. Открытие могут признать весьма важным, чтобы подавать на Нобелевскую премию в ближайшие годы.

- Нобелевская премия — звучит привлекательно. Особенно учитывая тот факт, что пока ни один гражданин Украины еще не стал ее лауреатом...

О. Г.: На Нобелевскую премию не подаются все соавторы исследования.

В. А.: Обычно Нобеля получают два-три человека. Остальные — моральное удовлетворение. (Смеется.) Это именно то, на что мы с Олей настроились.

- А как украинские ученые попадают в такие сильные международные коллаборации? Ведь участие в них далеко не бесплатное для стран-участниц.

В. А.: В такой стране, как наша, это делается, к сожалению, на основе собственных контактов. В моем случае все началось еще в середине 90-х. Когда украинскую науку начали уничтожать, и мои коллеги вместо проведения экспериментов начали вырезать на рабочем месте из дерева ложки и шкатулки (и кстати, очень хорошие), чтобы продавать их на Андреевском спуске, я понял, что надо что-то делать и переориентировать свои исследования на экспериментальные установки за рубежом.

За частицами, которые состоят исключительно из глюонов и не содержат кварков, мы охотились не только в Д0: также проводились многолетние исследования на электрон-протонном коллайдере HERA в научном центре DESY в Германии. Там мы получили статус официальных участников коллаборации, и многие студенты имели многочисленные публикации под флагом Киевского национального университета им. Тараса Шевченко в наиболее престижных профессиональных журналах перед защитой дипломных работ.

Когда CERN объявил о строительстве нового коллайдера, и большинство людей, которые сидели на измерениях, побежали сразу туда за Хиггсом, для нас сложилась уникальная ситуация: мы без вложения своих средств - наоборот, на немецкие деньги, - могли участвовать в этих экспериментах.

Участники получили там такую ​​хорошую выучку, что когда я обратился к руководителям коллаборации Д0 в Америке, они очень охотно откликнулись, и мы присоединились к этой коллаборации. И в то время, до 2009 года, Тэватрон был самым мощным в мире коллайдером, поэтому анализировать данные там было одно удовольствие.

- На чем была сосредоточена работа вашей группы в Д0 и как долго вы там находились?

О. Г.: Мы задействовались как непосредственно в набор данных, включая дежурство на пульте управления экспериментом, так и в обработку данных на машинах коллаборации. Выезжали на место проведения эксперимента и находились там каждый год по несколько месяцев. Так, по американскому законодательству, я не могу оставаться там дольше полугода. Подряд была там больше всего пять месяцев. Возвращалась в Украину где-то на пять-шесть месяцев, и все по новой.

- За участие в коллаборациях такого уровня отдельные университеты, институты, исследовательские лаборатории или же правительства стран платят деньги, ведь эксперименты требуют огромных ресурсов.

В. А.: Да, университеты платили деньги за то, чтобы принимать там участие. Нам, наоборот, еще приплачивали. Мы на это не получали никаких грантов. А расходы на самолет, суточные нам покрывала принимающая сторона. Так оценили квалификацию нашей команды.

Кстати, на работе с описанием открытия оддерона стоит благодарность МОН Украины, которое в действительности ни копейкой, ни вниманием, ничем нас не поддерживало. Но мы решили, пусть будет такой аванс, что вот такое у нас замечательное в Украине министерство, которое этим занимается. Они, наверное, и не знают, какие они молодцы.

А если серьезно, то государство должно особенно поддерживать тех ученых, которые способны работать на таком, лучшем в мире, оборудовании. Там делается настоящая фундаментальная наука. Должно быть финансирование отдельной строкой бюджета. Это в конце концов престиж страны! Особой поддержки заслуживает университетская наука, ведь можно сочетать обучение молодежи с их участием в научных исследованиях. Надеюсь, это понимает новое руководство МОН.

- Какой путь у вас в дальнейшем? Возможно, новые коллаборации?

В. А.: На самом деле, да. Для нас оддерон, Д0 — это уже перевернутая страница. Сейчас мы активно задействованы в других проектах. Ольга занимается нейтринным экспериментом "Дюн" в Америке.

Нейтрино — очень интересные частицы, которые пронизывают земной шар, и даже если бы Землю на сотню световых лет залили бы железом или свинцом, они бы все равно прошли сквозь этот пласт. Они несут прямую, быструю и неискаженную информацию о взрывах сверхновых. И только перед 2000 годом появилось указание на то, что нейтрино должно иметь массу. Именно ее измерением и должны заняться в "Дюн".

Там на уровне Конгресса выделяются миллиарды на строительство. В Чикаго сделают пучок этих нейтрино, а через 1200 километров, в Дакоте, его зарегистрируют. С эффектом преобразования — то есть один тип превращается в совсем другой. Это как вы сели в Чикаго на свой мерседес, а приехали в Дакоту уже в автобусе, и это без всяких аварий и пересадок.

 

Проект "Дюн". Источник фото: dunescience

Нейтрино известны уже лет 70, а еще никто не знает их массы. Кто измеряет эту массу, тот обязательно получит Нобеля. Вот в такой проект мы встряли. А тут японцы решили построить еще и свой проект под названием Hyper-Kamiokande. Только они вместо 40 килотонн жидкого аргона, как у американцев, хотят использовать четверть миллиона литров чистой воды. К японцам мы присоединились также.

Мы такие хитрые, что встряли туда и туда. Потому что не знаем, кто первый Нобеля получит.

Кроме того, мы решили еще и участвовать в коллаборации Belle II в Японии, которая сосредоточена на поиске заряженного бозона Хиггса h+. Такое открытие требует многолетних измерений на самых высоких в мире интенсивностях взаимодействий, и сейчас такая возможность есть только на японском коллайдере SuperKEKB.

Для участия в "Бель" нам впервые за все годы дали украинский исследовательский грант, благодаря которому мы можем поддерживать своих студентов. Этих средств явно недостаточно, чтобы чувствовать себя равноценно с западными коллегами, но это уже хоть что-то. А нам же еще надо делать взносы в коллаборацию Belle II, потому что все остальные участники платят деньги для создания оборудования (сотни миллионов долларов) и поддержания рабочего процесса во время эксперимента (десятки миллионов долларов). Нам приходится пятикратно отрабатывать, по сравнению с другими. Эксперимент в Японии только набирает обороты.

Японский коллайдер SuperKEKB очень специфический и мощный, а главная его сила — интенсивность. По этому параметру он уже перекрывает ЦЕРН, а через несколько лет будет перекрывать его в 40-50 раз. То есть то, что в ЦЕРН меряют целый год, на "Бель-2" будут мерить неделю-две. Итак, новые открытия можно делать за несколько месяцев.

Коллайдер SuperKEKB. Источник: Belle2.org

Мы привлекаем студентов. Они пишут там дипломные работы, и научные публикации идут очень хорошие, как было и на Д0. Философия такова, что мы стараемся играть в те игры, где сильнейшие в мире участники в нашей области. Если участвовать в этих проектах, то можно действительно приобщиться к большой физике, а не просто дублировать ее на пятисотных установках, где, к сожалению, большинство наших ученых работает. Мы стараемся быть участниками хотя бы на уровне, чтобы физикой заниматься, дипломы студентам писать, в статьях принимать участие.

- Я и не представляла, что украинские студенты-физики пишут дипломные работы, опираясь на живые данные международных экспериментов на коллайдерах, на собственное участие в этих экспериментах. Но кто финансирует их участие? Куда будущие специалисты с таким значимым опытом работы идут дальше?

В. А.: Принимающая сторона оплачивает украинским студентам и дорогу, и пребывание. Так у студентов даже появляется возможность привезти несколько тысяч из поездки. И там они завязывают прямые контакты с теми, кто потом их приглашает в аспирантуру.

Мы студента можем взять на третьем курсе, потратить на него силы, научить всем методам, прописать в коллаборации. А потом проходят максимум три года, и он говорит: "А мне хочется куда-то там в Германию, там аспирантам неплохо платят". И студенты идут дальше, но уже не в Украине. Мы подводим студентов до уровня, когда западный профессор потирает руки и говорит: "Ух ты, какой классный студент, давай сюда его. Мне совсем не нужно тратиться, чтобы его научить. Эти Аушевы - Гоготы научили, богатая Украина на них потратилась, а теперь мы готовенькое берем на блестящие результаты".

Вот, буквально месяц назад моя бывшая дипломница, Инна Макаренко, оказалась лучшей в новациях в эксперименте "Атлас" в ЦЕРН. Эксперимент "Атлас" — это их король. На их сайте осветили: вот Инна Макаренко сделала то, что признано лучшей разработкой в нашей коллаборации. Можно этим гордиться. Но она сейчас живет в Брюсселе с ребенком, муж - тоже мой выпускник. И они уже представляют Бельгию, а не Украину.

Сколько в процентах наших студентов, Оля, кто ездил на Д0, на "Фермилаб", остались работать на Западе?

О. Г.: Из тех, кого помню, — почти все.