Зважити нейтрино та знайти оддерон: Як українські вчені попри все роблять науку "на Нобеля"

У березні науковий світ сколихнула непересічна подія  – було опубліковано статтю про відкриття нової частинки оддерона.

Над цим працювали команди двох проєктів: учасники  TOTEM на Великому адронному колайдері (знаходиться у CERN – Європейській організації ядерних досліджень) та міжнародна група DØ (далі – Д0 або ж "Дезіро") на колайдері Tevatron у Fermilab, науковому центрі у США.

 У "Д0 працювала і група українських науковців, які спеціалізуються на фізиці високих енергій. Доктор фізмат наук, професор Володимир Аушев, кандидат фізматнаук, засновник Cyber Unit Technologies Єгор Аушев, кандидат фізматнаук Ольга Гогота є співавторами наукової статті з цього відкриття.

Але що це таке – оддерон? Як українські вчені потрапляють у престижні міжнародні колаборації? (Спойлер: не завдяки МОН) Як студенти з київського університету захищають дипломні роботи, проводячи дослідження на колайдерах? Які ще проєкти в розробці мають усі шанси потягнути Нобеля? І врешті, хто вони – українські фізики, що доєднуються до наймасштабніших проєктів у своїй галузі?

Про це та більше журналісти Depo.ua поговорили із Володимиром Аушевим та Ольгою Гоготою.

 

– Аби ми легко могли зрозуміти цю частинку і оцінити масштаб відкриття,  поясніть, будь ласка, що таке оддерон?

В.А: – В кожному атомі є маленьке ядро, а в ньому – численні протони. Вони мають позитивний заряд, і могли б розірвати ядра через величезну силу відштовхування на дуже малих відстанях.

Але цього не відбувається, бо у природі є так звані "сильні взаємодії". Саме їм ми завдячуємо життям та різноманіттям атомів. І забезпечують такі взаємодії елементарні частинки глюони (з англійської glue – клей). Дуже спрощено, кожен протон складається із трьох кварків, і вони обмінюються між собою глюонами. Глюони наче склеюють кварки разом і таким чином утворюють протони, нейтрони і сотні інших частинок, які фізики відкрили на прискорювачах, зокрема на колайдерах. 

До того ж, глюони можуть взаємодіяти між собою. Майже 50 років тому з'явилися теорії, які описували об'єкти, що складались лише із глюонів і не містили в собі кварків — так звані глюболи (‘глюонні кульки’). Фактично мова йшла не просто про нові частинки, а про іншу форму матерії.

І от оддерони – один з видів таких зв'язаних станів глюонів, які повинні містити непарну кількість глюонів, в найпростішому випадку – три. 

– Як саме відбувалося відкриття? Чому на це пішло стільки часу?

В.А: – Багато років оддерон здавався абсолютно невловимим. Врешті сформувалось розуміння, що оддерон можна виявити в реакціях розсіювання пучків частинок з величезною енергією. 

Вирішили порівняти експерименти на двох різних колайдерах при однакових енергіях. Один повинен був вивчати розсіяння протонів на протонах, а інший — розсіяння протонів на антипротонах. У першому випадку внесок оддеронів в процес мав негативний знак, а в другому — позитивний. Виявлена різниця мала однозначно вказати на наявність чи відсутність оддерона.

Експеримент D⌀ на коллайдері Теватрон. Джерело фото: CERN 

Якщо спробувати привести уявну аналогію, то скажімо, хтось передбачає, що є сила на дорозі в даному місці, яка повинна заносити вліво автомобіль з металу. Але якщо з тією ж швидкістю буде рухатись автомобіль із пластика чи наноматеріалів, то його повинно заносити в протилежну сторону.

Щоправда, виникла проблема: ВАК не міг спуститись до енергій Теватрона і повторити експеримент при тих же енергіях було неможливо.  Вихід вчені знайшли у тому,  щоб провести вимірювання при кількох різних енергіях і по характеру поведінки наблизити до енергій Теватрону. Тут також стикнулись із проблемою виміру малих відхилень розсіяних частинок. Щоб побачити ці відхилення довелося створювати додатковий детектор TOTEM, який побудувала одноіменна колаборація. 

Частина установки TOTEM у тунелі LHC. Джерело фото: CERN

Саме у співпраці D0 і  TOTEM вдалося переконливо довести існування оддерона. Уже зараз про це говорять як про одне з найбільших відкриттів в ЦЕРН та Фермілаб (а до таких відносяться, наприклад, відкриття топ-кварку на Теватроні і бозону Хіггса в ВАК). 

– Звісно ж, ми не могли не задати питання, яке спадає на думку одразу після новини про оддерон: а що тепер? Які технології майбутнього зараз почне будувати людство завдяки цьому відкриттю? 

О.Г: – Це перше, що завжди намагаються запитати у науковців – "а куди його зараз?". Але зараз цього ніхто не скаже, потрібен час.

В.А: – Це відкриття може зіграти ключову роль у розумінні явищ, в яких проявляється так звана сильна взаємодія. А  чи можна його застосувати на практиці, нам ще належить з’ясувати. От у 30-х роках Резерфорда запитували: "Яка користь від ваших досліджень атомного ядра?". Він відповів, що крім лабораторних досліджень, користі ніякої. Через 10 років – перший вибух атомної бомби, запрацювали атомні станції. 

Тож зараз виявлено матерію, яка існує у дуже дивному стані, там, де немає кварків, які складають матерію, що нас оточує. І це може бути принципово важливим відкриттям і для майбутніх дослідів і технологій. Відкриття можуть визнати досить важливим, аби подавати на Нобелівську премію у найближчі роки.

– Нобелівська премія –  звучить привабливо. Особливо враховуючи той факт, що поки що жоден громадянин України ще не став її лауреатом...

О.Г: – На Нобелівську премію не подаються усі співавтори дослідження.

В.А: – Зазвичай, Нобеля отримують 2-3 людини. Решта – моральне задоволення. (Сміється) Це саме те, на що ми з Олею налаштувалися. 

– А як українські науковці потрапляють до таких сильних міжнародних колаборацій? Адже участь у них далеко не безкоштовна для країн-учасниць.

В.А: – У такій країні, як наша, це робиться, на жаль, на основі власних контактів. У моєму випадку все почалося ще у середині 90-х. Коли українську науку почали нищити, і мої колеги замість проведення експериментів почали вирізати на робочому місці із дерева ложки і скриньки, (і до речі, дуже гарні), щоб продавати їх на Андріївському узвозі, я зрозумів, що треба щось діяти і переорієнтувати свої дослідження на експериментальні установки за кордоном

За частинками, які складаються чисто із глюонів і не містять кварків ми полювали не лише у Д0:  також проводилися багаторічні дослідження на електрон-протонному колайдері HERA в науковому центрі DESY у Німеччині.  Там ми одержали статус офіційних учасників колаборації і багато студентів мали численні публікації під прапором Київського національного університету ім. Тараса Шевченка  у найбільш престижних фахових журналах  до  захисту дипломних робіт.

Коли CERN оголосив про будівництво нового колайдера, і більшість людей, які сиділи на вимірах, побігли одразу туди за Хіггсом, для нас склалася унікальна ситуація: ми без вкладання своїх коштів – навпаки, на німецькі гроші, –  могли брати участь у цих експериментах.

Учасники отримали там таку гарну виучку, що коли я звернувся до керівників колаборації Д0 в Америці,  вони дуже охоче відгукнулися і ми приєдналися до цієї колаборації. І на той час, до 2009 року Теватрон був найпотужнішим у світі коллайдером, тож аналізувати дані там було одне задоволення. 

– На чому була зосереджена робота вашої групи у Д0 і як довго ви там перебували?

О.Г: – Ми задіювалися як безпосередньо в набір даних, включаючи чергування на пульті управління експериментом, так і в обробку даних на машинах колаборації. Виїздили на місце проведення експерименту і перебували там щороку по кілька місяців.  Так, за американським законодавством я не можу залишатися там довше півроку. Поспіль була там найбільше 5 місяців. Поверталася в Україну десь на 5-6 місяців, і все по новій. 

– За участь у колабораціях такого рівня окремі університети, інститути, дослідницькі лабораторії або й уряди країн платять гроші, адже експерименти вимагають величезних ресурсів.

В.А: – Так, університети платили гроші за те, щоб брати там участь. Нам навпаки, ще приплачували. Ми на це не одержували жодних грантів. А витрати на літак, добові нам покривала приймаюча сторона. Так оцінили кваліфікацію нашої команди.

До речі, на роботі з описом відкриття оддерона, стоїть подяка МОН України, яке в дійсності ні копійкою, ні увагою, нічим нас не підтримувало. Але ми вирішили, хай буде такий аванс, що ось таке у нас чудове в Україні міністерство, яке цим опікується. Вони, мабуть, і не знають, які вони молодці. 

 

 

А якщо серйозно, то держава має особливо  підтримувати тих науковців, хто  здатний працювати  на такому найкращому в світі обладнанні. Там робиться справжня фундаментальна наука. Повинно бути фінансування окремим рядком бюджету.  Це в решті решт престиж країни! Особливої підтримки заслуговує університетська наука, атже можна поєднувати навчання молоді із їх участю в наукових дослідженнях. Сподіваюсь, це розуміє нове керівництво МОН."

– Який шлях у вас надалі? Можливо, нові колаборації?

В.А: – Насправді, так. Для нас оддерон, Д0 – це вже перегорнута сторінка. Зараз ми активно задіяні в інших проектах. Ольга займається нейтринним експериментом " DUNE в Америці. 

Нейтрино – дуже цікаві частинки, які пронизують земну кулю, і навіть якби простір на сотню світлових років залили б залізом чи  свинцем – вони б все одно пройшли крізь цей пласт.  Вони несуть пряму, швидку і неспотворену інформацію про вибухи наднових. І лише перед 2000-м роком з'явилась вказівка на те, що нейтрино повинна мати масу. Саме її виміром і повинні зайнятися у " DUNE".

Там на рівні Конгресу виділяються мільярди на будівництво. У Чикаго зроблять пучок цих нейтрино, а через 1300 кілометрів в Південній Дакоті його зареєструють. З ефектом перетворення – тобто, один тип перетворюється на зовсім інший. Це ніби ви сіли у Чикаго на свій Мерседес, а приїхали до Дакоти вже в автобусі, і це без усіляких аварій та пересадок.  

Проєкт "DUNE". Джерело фото: dunescience

Нейтрино відомі вже років 70, а ще ніхто не знає їхньої маси. Хто поміряє цю масу – той обов'язково одержить Нобеля. От у такий проєкт ми встрягли. А тут японці вирішили побудувати ще й свій проект під назвою Hyper-Kamiokande. Тільки вони замість 70 тисяч тон рідкого аргону, як в американців, хочуть використати чверть мільйона літрів чистої води. До японців ми доєдналися також.

Ми такі хитрі, що встрягли туди і туди. Бо не знаємо, хто перший Нобеля одержить.

Крім того, ми вирішили ще й брати участь в колаборації Belle II у Японії, де ми зосередились на пошуку зарядженого бозона Хіггса  h+. Таке відкриття вимагає багаторічних вимірювань на найвищих у світі інтенсивностях взаємодій, і нині така можливість є тільки на японському колайдері SuperKEKB.

Для участі в " Belle II" нам вперше за всі роки дали український дослідницький грант, завдяки якому ми можемо підтримувати своїх студентів. Цих коштів явно не досить , щоб почуватись рівноцінно із західними колегами, але це вже хоч щось. А  нам же ще треба робити внески в колаборацію Belle II, бо  всі інші учасники платять гроші для створення обладнання (сотні мільйонів доларів) і підтримання робочого процесу під час експерименту (десятки мільйонів доларів).  Нам доводиться п'ятикратно відпрацьовувати , у порівнянні з іншими.  Експеримент в Японії тільки набирає оберти.

Японський колайдер SuperKEKB дуже специфічний і потужний, а головна його сила – інтенсивність. По цьому параметру він вже перекриває ЦЕРН, а через кілька років буде перекривати його у 40-50 разів. Тобто те, що у ЦЕРН міряють цілий рік, на "Belle II" будуть міряти тиждень-два. Отже, нові відкриття можна робити за кілька місяців.

Колайдер SuperKEKB. Джерело: belle2.org

Ми долучаємо студентів. Вони пишуть там дипломні роботи, і наукові публікації йдуть дуже гарні, як було і на Д0. Філософія така, що ми намагаємося гратися в ті ігри, де найсильніші у світі учасники у нашій галузі. Якщо брати участь у цих проєктах, то можна справді долучатися до великої фізики, а не просто дублювати її на третьосортних установках, де, на жаль, більшість наших науковців працюють. Ми намагаємося бути учасниками хоча б на рівні, щоб фізикою займатися, дипломи студентам писати, у статтях брати участь. 

– Я й не уявляла, що українські студенти-фізики пишуть дипломні роботи, спираючись на "живі" дані міжнародних експериментів на колайдерах, на власну участь у цих експериментах. Але хто фінансує їхню участь? Куди майбутні фахівці із таким значущим досвідом роботи йдуть далі?

В.А: – Приймаюча сторона оплачує українським студентам і дорогу, і перебування. Так у студентів навіть з’являється можливість привезти кілька тисяч з поїздки. І там вони зав'язують прямі контакти з тими, хто потім їх запрошує  в аспірантури. 

Ми студента можемо взяти на третьому курсі, витратити на нього сили, навчити всім методам, прописати у колаборації. А потім проходить максимум 3 роки і він каже – "а мені хочеться кудись там у Німеччину, там аспірантам непогано платять, і головне,  що є всі умови для наукової роботи. І студенти йдуть далі – але вже не в Україні. Ми підводимо студентів до рівня, коли західний професор потирає руки і каже: "Ух ти, який класний студент, давай сюди його. Мені зовсім не потрібно витрачатися щоб його навчити. Ці Аушеви-- Гоготи навчили, багата Україна на них витратилася, а тепер ми готовеньке беремо на блискучі результати".

От, буквально місяць тому моя колишня дипломниця, Інна Макаренко,  була відзначена нагородою в ЦЕРН за винятковий внесок в CMS експеримент (зараз один з найкращих і найпрестижніших в світі)" На їхньому сайті висвітлили – от Інна Макаренко зробила те, що визнано найкращою розробкою у нашій колаборації. Можна цим пишатися. Але вона зараз живе у Брюсселі з дитям, чоловік також мій випускник. І вони вже представляють Бельгію, а не Україну.

Скільки у відсотках наших студентів, Олю, хто їздив на Д0, на Фермілаб, залишилися працювати на Заході?.

О.Г: З тих, кого пам'ятаю – майже усі.