ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 08.02.19
    ТЕКСТ: Назар Бартосік
    Ілюстрації: Аліна Кропачова
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Спіймай мене, якщо зможеш

    Ми живемо в епоху квантового уявлення про Всесвіт, який існує за законами, що суперечать нашій інтуїції та інколи – логіці. З чого складається наша реальність на елементарному рівні та як вчені це досліджують?

    «Тунель протяжністю 27 км, розташований на території двох держав – Франції та Швейцарії, заглиблений у землю до 175 метрів. Має всередині надвисокий вакуум (тиск у 10-13 атм) і температуру до -271,2 ºC…». Ці показники схожі на опис секретної військової лабораторії, проте призначення тунелю щонайбільш мирне. Йдеться про тунель, в якому перебуває головне кільце найбільшого у світі прискорювача елементарних частинок LHC (Large Hadron Collider – Великий адронний колайдер). Він створений для розширення меж наших знань про будову Всесвіту. Великий адронний колайдер є останнім поповненням у комплексі прискорювачів Європейської організації ядерних досліджень (CERN), на рахунку якої – фундаментальні відкриття у сфері ядерної фізики та фізики елементарних частинок. Крім того, саме тут створили перший прототип Інтернету.

    Рада CERN проголосила концепцію LHC в 1997-му; його пропонували побудувати в тунелі, який прокладали в той час для попереднього прискорювача – LEP (Large Electron–Positron Collider – Великий електрон-позитронний колайдер – прим. ред.). Лише через 10 років затвердили остаточне рішення про його створення. І ще через 15 років, в кінці 2009-го, LHC розпочав стабільну роботу, а детектори, розташовані на прискорювачі, отримали перші безцінні експериментальні дані для довгоочікуваних фундаментальних досліджень.

    Коротка історія уявлень про будову матерії

    3000 років тому не існувало загальноприйнятих поглядів на будову матеріального світу, і стародавні мислителі висували власні уявлення, що базувалися лише на спостереженнях та логічних роздумах. Історичні записи стверджують, що Демокрит, Платон, Епікур та інші розвивали ідеї атомізму, згідно з якими всі матеріальні речі складаються з неподільних елементів – атомів. Однак такі ідеї об’єктивно не мали причин бути більш авторитетними за інші. Лише згодом з’явилася можливість реально оцінювати істинність тих чи інших філософських теорій.

    Першими ідею атомізму підтвердили дослідження Джона Дальтона 1804 року: він помітив, що різні речовини змішуються між собою в нову речовину не в довільних кількостях, а лише в чітких пропорціях. Цей висновок наштовхнув його на думку про існування так званих «атомів» у кожній речовині, що повинні об’єднатися з конкретною кількістю атомів іншої. Протягом тривалого часу атоми вважали елементарними частинками, які не мають власної внутрішньої будови, доки в 1897 році Джозеф Томсон не відкрив електрон. Про нього він дізнався, досліджуючи катодні промені.

    Томсон вирішив, що атоми складаються з електронів, які рівномірно розподілені в позитивно зарядженому об’ємі атома (гарною ілюстрацією є аналогія з пудингом, наповненим родзинками: пудинг – це об’єм атома, що має позитивний електричний заряд, а родзинки в ньому – електрони, заряд яких негативний). Ця модель була загальноприйнятою, доки в 1909 році Ганс Ґайґер та Ернест Марсден не помітили, що під час пропускання величезної кількості альфа-частинок крізь золоту фольгу деякі з них відбивалися в протилежному напрямі. А це абсолютно суперечило очікуванням від моделі Томсона. Відповідно до неї, альфа-частинки мали б відхилятися від своєї початкової траєкторії лише незначним чином через зіткнення з електронами, в той час як рівномірний позитивний заряд просто сповільнював би їх. Тож те, що частинки інколи відбивалися назад, ніби від зіткнення з чимось дуже важким, ніяк не вписувалось в таку модель. Ернест Разерфорд, колега Ґайґера, звернув увагу на несумісність результатів з усталеним поглядом та запропонував новий. Суть його моделі полягала в тому, що позитивний заряд атома зосереджений у малій частині його об’єму – ядрі. Подальші дослідження показали, що ядра різних видів атомів мають різну кількість позитивних зарядів, яка точно збігається з атомним номером у періодичній таблиці Мєндєлєєва. В 1906-1907 рр. були отримані перші докази існування ізотопів (таких різновидів атома, що мають з ним однаковий порядковий номер, проте відрізняються масовим числом – прим. ред.), а це означає наявність нейтрально заряджених частинок в ядрах. Таким чином, ядро також не могло бути елементарним, а складалося з протонів та нейтронів – сталих за своєю масою частинок. Нарешті цілісна картина, здається, склалася.

    Та жага вчених знати більше породжувала нові експерименти, технічні засоби й теоретичні моделі, які в 50-х роках призвели до появи потужних прискорювачів, де частинки розганялися до великих швидкостей і зіштовхувалися з іншими. Протягом наступних десяти років дослідники відкривали все нові нестабільні частинки, що були чимось зовсім відмінним від звичних нам протонів, нейтронів та електронів. Цей феномен у той час називали particle zoo (з англ. – зоопарк частинок), адже тоді не існувало ніякого очевидного пояснення такій великій їх кількості.

    Стандартна модель та бозон Гіґґза

    У 1920-х роках уже розвивалося квантове уявлення про світ, започатковане Луї де Броїлем. У сучасну квантову механіку його сформулював Вернер Гайзенберґ: на рівні атома не можна говорити про його конкретне розташування в конкретний час. Натомість атом умовно є розмитою хмарою, у кожній точці якої він перебуває одночасно, але з різною ймовірністю. Ця абсолютно контрінтуїтивна (адже ми звикли сприймати світ таким, де кожен об’єкт має чітко визначене положення в просторі, а будь-яка подія має чітко визначений час) концепція мала безліч експериментальних підтверджень, і саме вона дозволила з високою точністю описувати експериментальні спостереження. Кульмінацією розвитку квантової концепції світу стало формулювання квантової теорії поля. Відповідно до неї, світ пронизаний певним набором полів, а матеріальні частинки в цих  полях є лише збуреннями.

    Досліджуючи способи народження, розпаду та характеристики частинок з уже згаданого «зоопарку», вчені почали віднаходити певну систему. Поєднуючи її з квантовою теорією поля, дослідники змогли заглибитися ще на один рівень і віднайти модель, яка пояснює і весь цей «зоопарк», і відомі нам протони з нейтронами. Вона отримала назву Стандартна модель, і впродовж останніх сорока років бездоганно пояснює результати всіх експериментів над елементарними частинками. Згідно з цією моделлю, на найбільш елементарному рівні весь наш матеріальний світ складається з ферміонів, які взаємодіють через бозони. Ферміонів є 12 різних видів, серед яких, зокрема, є знайомий нам електрон (e), а також u- і d-кварки, з яких складаються протони (uud) та нейтрони (udd). Саме різні комбінації кварків і породжують той «зоопарк частинок».

    Бозони є зовсім іншим типом частинок: вони не об’єднуються між собою, а лише взаємодіють із конкретно визначеними ферміонами чи іншими бозонами. Наприклад, один з видів бозонів глюон (g) відповідає за силу, яка тримає u- і d-кварки всередині протона. А W-бозон забезпечує зміну композиції кварків у ядерних реакціях. Один елемент в цій таблиці має спеціальне місце – хоч він і є бозоном, проте не відповідає ні за яку силу. Це – бозон Гіґґза. Через взаємодію з полем Гіґґза інші ферміони та бозони отримують масу. Над цим механізмом набуття частинками маси працювали одночасно 6 вчених, проте в загальний вжиток ввійшло саме ім’я Пітера Гіґґза. У 1967 році цей механізм інтегрували в Стандартну модель, але це аж ніяк не означало, що він відповідає дійсності: річ у тім, що не було жодного експериментального підтвердження.

    Історія попередніх пошуків

    Першим експериментом, де вчені покладали надії на відкриття бозона Гіґґза, був LEP. Тоді, протягом 1990-2000-х, науковці сподівалися, що маса бозона – нижча за 100 GeV (Гігаелектрон-вольтів), адже LEP мав недостатньо потужності для створення важчого бозона Гіґґза. Проте досягнути успіху не вийшло. Наступним кандидатом був американський прискорювач Tevatron. Він був найпотужнішим у світі на той час, але його сили також не вистачило. Tevatron закрили в 2011-му. Та хоч ця спроба і була невдалою, прискорювачі LEP та Tevatron надали дуже важливу для LHC інформацію: тепер цю частинку потрібно було шукати лише в межах 122-128 GeV. Якщо бозон Гіґґза дійсно існував, то науковці з CERN були приречені на успіх.

    Пройшло лише 2,5 роки після запуску LHC, і в липні 2012-го вчені повідомили про відкриття частинки з масою в районі 125-127 GeV. Про подію говорили в прайм-таймах найбільших телеканалів світу, адже вдалося експериментально підтвердити існування останньої елементарної частинки Стандартної моделі. І це – після 45 років існування її лише у вигляді теоретичної концепції. Для відкриття бозона Гіґґза LHC мав дві необхідні характеристики: високу енергію протонів, до якої їх розганяли, та високу концентрацію цих частинок. Що більша енергія у протонів, які стикаються, то більша маса утворюваної частинки в результаті. Це напряму випливає із закону збереження енергії та еквівалентності маси й енергії згідно з теорією відносності (E = mc2). З іншого боку, висока концентрація протонів необхідна для забезпечення великої кількості бозонів Гіґґза, що виникають у процесі зіткнень.

    Від балона з гелієм до бозона Гіґґза

    Процес пошуку бозона починається зі звичайного гелію, того самого, яким надувають святкові кульки. Гелій використовують через те, що він має оптимальне співвідношення вартості з простою будовою атома: лише два електрони та ядро з двох протонів. Газ спочатку пропускають між електродами, які створюють сильне електричне поле, щоби забрати з нього всі електрони, залишивши лише протони. Далі їх спрямовують до лінійного прискорювача LINAC2, а потім пропускають крізь серію з трьох циркулярних прискорювачів, у кожному з яких протони розганяються до все вищих швидкостей. Зрештою вони потрапляють до головного прискорювача LHC.

    Зі зростанням енергії зростає і радіус прискорювача. Це зроблено для того, щоби мінімізувати втрати енергії у протонів через відхилення від прямолінійної траєкторії. На весь процес прискорення потрібно близько 20-ти хвилин, після чого в LHC з’являються два пучки частинок, що циркулюють у протилежних напрямках зі швидкістю лише на 3 м/с повільнішою за швидкість світла (а людство не знає нічого швидшого). Обидва пучки поділені на 1380 груп, які містять у середньому по 100 млрд протонів. Кожні 50 наносекунд (тобто 20 млн разів за секунду) дві такі групи перетинаються всередині детекторів. І все це лише для того, щоби кілька пар протонів зіткнулися достатньо сильно для взаємодії u- і d-кварків, породивши нові частинки, серед яких, ймовірно, буде і бозон Гіґґза.

    Завдяки тому, що фізика побудована на математиці, вона оперує не просто поняттями в стилі «існує бозон Гіґґза», а чіткими цифрами та функціями залежностей.

    Організація експерименту

    Після затвердження проекту LHC вирішили створити два детектори, які зможуть зареєструвати бозон Гіґґза. Відповідні групи вчених – колаборації – незалежно одна від одної розробляли та втілювали проекти кожного детектора. Двома найчисельнішими колабораціями, що працюють на прискорювачі LHC, є ATLAS (з англ. A Toroidal LHC ApparatuS) та CMS (з англ. Compact Muon Solenoid). Вони сформувалися ще на початку 90-х років. Кожна має близько 4000 працівників: науковців і технічних робітників. Завдяки незалежності одна від одної колаборації побудували детектори, що відрізняються як зовнішньою будовою (детектор ATLAS має майже в 6 разів більший об’єм і вдвічі меншу вагу, ніж CMS), так і технологіями. Наявність двох схожих за можливостями та різних за будовою та організацією експериментів дозволяє проводити взаємну перевірку.

    Після запуску LHC більшість людей у кожній колаборації аналізує дані. Паралельно значна частина вчених займається і технічними завданнями, вони створюють програмне забезпечення для аналізу даних, розробляють нові алгоритми ідентифікації частинок, вираховують корекції різних параметрів детектора, підтримують оптимальну роботу комп’ютерних систем тощо. Безпосередньо в CERN перебуває відносно невелика частина колаборації. Інші науковці працюють у своїх інститутах по всьому світу, спілкуючись із рештою через Інтернет або наживо – під час конференцій чи робочих зустрічей.

    Статистичний аналіз наосліп

    Хоча над пошуком бозона Гіґґза працює значна кількість людей, фізично знайти цю частинку неможливо: час її життя настільки малий, що вона розпадається на легші частинки швидше за 1⁄1021 секунди, не досягнувши й найближчого сенсора в детекторі. Тож залишається лише реєструвати продукти розпаду бозона. Для цього шукають два високоенергетичні фотони. З одного боку, пошук саме фотонів є хорошим вибором: фотони легко розпізнати, їхню енергію можна виміряти дуже точно, і в інших процесах вони народжуються значно рідше за, наприклад, кварки чи лептони. Але є тут і недолік – згідно зі Стандартною моделлю, бозон Гіґґза масою 125 GeV розпадається на два фотони лише у двох випадках із 1000, в той час як на два b-кварки – в 600 випадках з 1000.

    Під час пошуків бозона Гіґґза його фізичні характеристики, зокрема маса, не були відомими наперед. Тому всі пошуки цього бозона відбувалися «наосліп». Це означає, що впродовж дослідження вчені не могли бачити, як те, що вони шукають, виглядає з реальних даних, отриманих детектором. Ця вимога є психологічним фактором: науковці не повинні видавати бажане за дійсне. На практиці пошук бозона Гіґґза «наосліп» у каналі розпаду відбувається наступним чином. Оскільки бозон має хоч і невідому, але конкретну масу, імпульси фотонів, на які він розпався, повинні відтворювати цю масу. Мовою фізики можна сказати, що інваріантна маса двох таких фотонів буде дорівнювати масі бозона Гіґґза. Тож потрібно просто відібрати всі зіткнення, що створили два фотони, і в кожному випадку порахувати їхню інваріантну масу. Звичайно, два фотони можуть виникнути в результаті багатьох інших процесів, але тоді фотони будуть незалежні. Тобто значення їхньої інваріантної маси буде цілком випадковим, на відміну від тих, які ми шукаємо: у них інваріантна маса буде завжди однакова.

    Враховуючи, що процесів, де утворюються два фотони, багато, доводиться покладатися на статистику. Коли зібрати кілька десятків тисяч пар фотонів і порахувати кількість таких, які мають певне значення інваріантної маси, утвориться спектр із плавною передбачуваною формою, утвореною саме тими випадковими фотонами. Адже за допомогою Стандартної моделі ми можемо порахувати, скільки на LHC має народитись пар фотонів з будь-яким значенням інваріантної маси. Та в одному місці пар буде більше, ніж зазвичай, адже разом із випадковими фотонами там ще збиратимуться всі пари від розпаду бозонів Гіґґза. Що більшою буде статистика, то помітнішим це буде.

    Знайшли. А що далі?

    Попри те, що бозон Гіґґза знайшли під час обох експериментів, і сумнівів у його існуванні не виникає, дослідження ще далеко не вичерпані. Зокрема, виходячи з найточніших вимірювань, на сьогодні ми лише знаємо, що його маса дорівнює 125,09 GeV плюс/мінус 0,2 %, і що для такої маси інші його характеристики цілком сумісні з передбаченнями Стандартної моделі. Але значною мірою це є лише наслідком того, що ми зареєстрували недостатньо багато різних процесів народження та розпаду бозона Гіґґза, щоби розпізнати можливі відхилення від теорії.

    Програма досліджень на LHC розрахована як мінімум до 2023 року: за цей час потрібно зібрати у сто разів більше даних. Це значно зменшить статистичну похибку в десятках вимірювань різних характеристик бозона Гіґґза. Крім того, вже зараз ведуться дослідження та дискусії щодо можливого апгрейду LHC до так званого High Luminosty LHC (з англ. – LHC високої світності – пер. ред.), в якому концентрація протонів буде значно вищою, що дозволить за десять років збільшити кількість даних ще в десять разів. І безупинне підвищення точності вимірювання всіх можливих фізичних явищ дасть шанс в якомусь із них помітити нарешті статистично значуще відхилення від того, що передбачає Стандартна модель. А це вкаже нам напрямок, у якому слід розвивати нову, розширену теорію світобудови.

    А де ж Україна?

    Якщо говорити про суто експериментальне відкриття бозона Гіґґза, то головну роль у ньому відіграли колаборації CMS та ATLAS. Вони єдині мали дані з LHC та детектори, що здатні ефективно реєструвати продукти розпаду протонів.  За офіційною статистикою CMS, на час написання статті до колаборації входить 17 науковців від України: 14 інженерів та 3 фізики. Інженери працювали над створенням сенсорів для адронного калориметра. Тому їхній внесок в експеримент здійснювався більшою мірою ще до початку збору даних. Безпосередньо під час експерименту працювали лише троє наших дослідників. Тоді як серед учасників колаборації ATLAS взагалі не вказано жодного українського інституту.

    Порівняння кількості українців та членів з інших країн колаборації CMS не грає нам на руку: Італія має 545 представників, Німеччина – 356, Франція –186. Ми не можемо також зрівнятися з Угорщиною (41 представник) чи Польщею (36). Проте якщо оцінювати вклад України за національною ознакою вчених, то цифри будуть зовсім інші. Багато наших науковців беруть участь в обох колабораціях від інститутів інших країн. Конкретні цифри навести неможливо, оскільки таку статистику ніхто не веде, та я особисто знаю сімох таких українців у CMS та вісьмох в ATLAS.

    Тим не менше, певні позитивні зрушення все ж є. Наприклад, нещодавня ратифікація угоди про асоційоване членство України в CERN, на яку наша держава чекала ще з 2013 року. Людям, які займаються перевіркою чи вивченням експериментальних даних, це дозволяє брати участь в освітніх заходах, а також працевлаштовуватися безпосередньо в CERN, який є однією з найпрестижніших установ у цій сфері. Таке членство передбачає також право українських виробників та інститутів на розробку детекторів та обладнання для експериментів CERN. А це дасть змогу повернути гроші, які Україна платить за членство. Якщо цей напрямок почне успішно розвиватися, можливо, й чисельність та фінансування дослідницьких груп, що вивчають елементарні частинки, почне зростати. Тоді про внесок України в розширення уявлень про світ дізнаватимуться не лише українці через статті на кшталт цієї. Тоді про це взнає уся міжнародна спільнота.

    Назар Бартосік – доктор природничих наук, науковий співробітник відділу фізики висо-ких енергій в Національному інституті ядерної фізики в Італії (м. Турин).

    ТЕКСТ: Назар Бартосік
    Ілюстрації: Аліна Кропачова
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?