Великий адронний колайдер: український вимір

Найгучнішою науковою подією останніх кількох місяців став запуск Великого адронного колайдера (ВАК), прискорювача елементарних часток, створеного у Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРНі) у Швейцарії. Темі завершення його будівництва і початку перших пробних робіт присвячено кілька тисяч матеріалів у пресі. Інтерес до того ж підігрівається змальовуванням різних апокаліптичних сценаріїв для майбутнього планети, до яких може призвести функціонування колайдера. 

Подія дійсно неординарна. ВАК став найбільшим науковим проектом за всю історію людства. Це найскладніша експериментальна установка, яка за своїми параметрами у 7 разів перевершує попереднього рекордсмена – колайдер у лабораторії Фермі у США. У спорудження ВАК, що тривало 14 років, вкладено близько $10 млрд. Кільцевий прискорювач завдовжки 26,7 км розташований під землею на глибині 100 м.

На ньому вчені вивчатимуть результати взаємодії часток з енергією 14 тераелектронвольт. Зустрічні пучки протонів й іонів курсуватимуть по кільцю зі швидкістю, що складатиме 99,99% від швидкості світла, й зіштовхуватимуться у чотирьох місцях тунелю. Те, що утворюватиметься внаслідок цих процесів, фіксуватимуть чотири детекторні установки. Що там відбуватиметься, вчені поки не знають. Але водночас наголошують, що нічого катастрофічного для земної цивілізації там статися не може. «Прискорювач побудований не всліпу й вчені діятимуть не всліпу. Ніхто цього не боїться, оскільки всі знають як цим керувати», – зазначає завідувач відділом фізики високих густин енергії Інституту теоретичної фізики НАНУ Геннадій Зінов’єв, який брав безпосередню участь у створенні колайдера.

Фізики сподіваються, що результати експериментів на ВАК значно розширять горизонти сучасних знань про структуру Всесвіту. З відомих науці часток складається лише 4% його речовини, решта 96% – невідоме. Найбільш популярною теорією, що намагається пояснити устрій Всесвіту, є так звана стандартна модель. Однак вона має один суттєвий недолік. Експериментально не доведено наявність одного з ключових її елементів – бозона Хіггса. Взаємодіючи з ним, за сучасними уявленнями, всі елементарні частки набувають масу. Пошуки цього бозона стануть одним з головних завдань експериментів на ВАК.   

Новий цернівський колайдер створено зусиллями науковців з багатьох країн світу. Було використано багато унікальних розробок, зокрема під час спорудження чотирьох великих детекторних установок. Помітну роль у цьому відіграли українські вчені – вони працювали над створенням трьох з чотирьох детекторів. Крім того, українські фізики мають і суттєві теоретичні напрацювання. Зокрема, завдяки роботам вчених Харківського фізико-технічного інституту Україна займає провідне місце у світі в галузі розробки принципу суперсиметрії, який буде експериментально перевірятися на новому прискорювачі. За цю роботу група харківських вчених з 10 чоловік висунута на здобуття державної премії у галузі науки і техніки за 2008 рік.

На рівні з часом

Історія співпраці України з ЦЕРНом розпочалася за рік до остаточного затвердження ідеї про будівництво ВАК. У 1993 році комітет науки і техніки при Кабміні, який тоді очолював Сергій Рябченко, підписав з європейською науковою організацією угоду про асоційовану участь України у роботах ЦЕРНу на 10 років уперед. Це дало змогу українським вченим долучитися до створення ВАК.

Українці включилися у роботи зі створення окремих частин колайдера із самого їх початку, працюючи над спорудженням детекторів CMS, LHCb та ALICE. Ці детекторні установки, як і сам тунель прискорювача, розташовані під землею. Кожна з них важить десятки тисяч тонн і займає місце як одна величезна споруда, завбільшки, приміром, з Верховну Раду.

Для установки CMS, збудованій для вивчення протон-протонних зіткнень і пошуку бозона Хіггса, харківський НТК Інститут монокристалів створив 22 тисячі тайлів – різного розміру детекторів з радіаційно стійкої пластмаси. Технологія виготовлення пластикових детекторів, створена харківськими фізиками, є унікальною. Відповідні матеріали успішно пройшли випробування за умов сильної радіації у Чорнобилі.

Інститут монокристалів створював детекторні елементи й для установки LHCb, призначеної для аналізу подій, що порушують сучасні уявлення про світ, зокрема закон збереження енергії й ін. Тут українські науковці відповідали за створення системи радіаційного моніторингу. Й тут була вперше застосована ще одна унікальна розробка – металеві фольгові детектори, створені вченими Інституту ядерних досліджень НАНУ в Києві разом з німецьким Інститутом ядерної фізики Макса Планка. Система визначення радіаційної обстановки навколо детектора є одним з найважливіших його елементів, оскільки досліди проходитимуть за умов дуже високого рівня радіації, еквівалентного наслідкам вибуху 100-мегатонної ядерної бомби. І важливо, щоб радіаційний фон не вплинув на чистоту роботи детекторної техніки.   

Ще одна унікальна українська розробка – технологія створення мікрокабелів на гнучкій лавсановій основі, які працюють за високого радіаційного навантаження, – була використана у детекторі ALICE. Він шукатиме нову форму ядерної матерії – кварк-глюонну плазму – після зіткнень іонів свинцю чи золота. У створенні мікрокабелів брали участь київський Інститут мікроприладів і харківський Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування.

Загалом за14 років у будівництві ВАК, за словами Анатолія Довбні, директора Інституту фізики високих енергій і ядерної фізики Національного наукового центру Харківський фізико-технічний інститут (ННЦ ХФТІ), було задіяно близько 130 українських вчених з 9 наукових підрозділів. Це, зокрема, ННЦ ХФТІ, НТК Інститут монокристалів (Харків), Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування (Харків), Інститут теоретичної фізики (Київ), Інститут ядерних досліджень (Київ), Київський національний університет ім. Тараса Шевченка і Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна.    

Всі свої зобов’язання перед ЦЕРНом українські вчені повністю виконали. Загальний внесок України було оцінено в $1,5 млн. “Це навіть не п’ятірка, це сім з половиною. Я особисто вважаю, що це подвиг українських учених, враховуючи те, що Україна нічого не платила, – зазначає Анатолій Довбня. – Однак, на жаль, ми не змогли залучити, на відміну від Росії, для виконання замовлень свою промисловість, тому що не було грошей».

Натомість російські вчені брали набагато активнішу участь у створенні ВАК порівняно з Україною й мали значну підтримку з боку своєї держави. З ЦЕРНом співробітничало близько 700 російських фізиків. За рахунок замовлень для колайдера Росія як країна-спостерігач змогла заробити кілька сотень мільйонів доларів, але важливіше те, що вона фінансово дуже підтримала свої оборонні підприємства. Велику кількість робіт для ВАК було виконано навіть у Арзамасі-16, надсекретному за часів СРСР ядерному центрі, де, зокрема, розробляли першу радянську атомну бомбу.

Російські підприємства також дуже добре заробили на виготовленні елементів детекторів, створених за українською технологією. Основний матеріал, що використовується для детектування в установках ВАК, – кристал вольфрамату свинцю, було винайдено в Інституті монокристалів у Харкові на початку 1990-х років. Згодом його масове виробництво налагодили й у Росії. Для детекторів CMS та ALICE, за словами Бориса Гриньова, директора Інституту сцинтиляційних матеріалів, що входить в НТК Інститут монокристалів, виготовили близько 90 тисяч елементів з вольфрамату свинцю. Лише 1000 з них зробили українці, решту – російська промисловість. 

Однак участь у роботах зі створення ВАК приносить не лише фінансову користь. Вона суттєво впливає на розвиток високих технологій, оскільки для всіх компонентів найбільшої у світі експериментальної установки висуваються найжорсткіші вимоги. «Росія, Індія, Китай, США – країни-спостерігачі ЦЕРНу – вкладають десятки й сотні мільйонів доларів, розуміючи, що через 5 років це відіб’ється новим проривом у технологічних галузях їхньої ж промисловості», – наголошує Анатолій Довбня. І наводить промовистий приклад. Коли американці після завершення програми Аполлон, яка їм коштувала $20 млрд., передали всі напрацювання своїй промисловості, то за три роки вони отримали $60 млрд.

Розум vs гроші

ЦЕРН було створено 1954 року як міжнародну наукову організацію. Зараз вона вважається найпотужнішим фізичним центром у світі. Унікальність його в тому, що там не проводять закритих робіт – все, що створено у центрі вченими з різних країн, вважається надбанням усього світу. Зокрема у 1990-х роках у межах ЦЕРНу з’явився інтернет, а зараз там створюється нова технологія синхронного обчислення величезних масивів даних – GRID-технологія. Її називають наступним кроком еволюції Мережі. GRID-технологію застосовуватимуть під час обробки даних експериментів на ВАК.   

Після того, як Сергій Рябченко перестав бути головою комітету науки й техніки при Кабміні, в Україні на державному рівні для підтримки співробітництва з ЦЕРНом робилося дуже мало. За словами Анатолія Довбні, за 15 років на ці цілі було виділено лише близько 2 млн. грн. Договір про співробітництво з Європейським центром ядерних досліджень більше не поновлювався.

ЦЕРН не є комерційною організацією. Він існує за рахунок грошей країн-членів і країн-спостерігачів. Україна з 2001 року – моменту безпосереднього будівництва ВАК – заплатила внесок лише один раз. Наступні 7 років ніяких грошей не надходило, хоча держава зобов’язана була платити за роботу своїх учених у ЦЕРНі.

І все ж таки у Європейському центрі ядерних досліджень пішли на порушення уставу й продовжували запрошувати українських вчених. Або українці їздили до Швейцарії на запрошення наукових установ інших країн, з якими вони співробітничають. Це свідчить про рівень зацікавлення українськими розробками у світі. «Ті роботи, які виконуються в Україні в різних напрямах, – щодо детекторної техніки, теоретичної фізики, мікрокабельних технологій, – виявилися настільки конкурентноздатними, що вчені з українських інститутів змогли ввійти в міжнародні колаборації, – зазначає Валерій Пугач, завідувач відділом фізики високих енергій Інституту ядерних досліджень НАНУ, який будував детектор LHCb. – Навіть за умови, що офіційно це не було зафіксовано так, як це звичайно робиться між ЦЕРНом й країнами-учасниками наукових досліджень, які проводяться в ЦЕРНі».

Зараз український уряд активізував роботу з підписання договору зі співробітництва з Європейським центром ядерних досліджень. Відповідний лист Міністерство освіти й науки України вже направило на адресу генерального директора ЦЕРНу Роберта Еймара. В Україні вирішили укласти угоду про асоційоване членство, хоча як європейська держава ми можемо претендувати й на статус країни-члена ЦЕРН. Але знову вся справа в коштах. «Повноцінне членство з повноцінним внеском для нас було б дороге, – зауважує Максим Стріха, заступник міністра освіти й науки України. – Це порядку 16 млн. грн. на рік. Ця сума не така вже й велика для державного бюджету, але для наукового бюджету, на жаль, велика».

Українські вчені дуже сподівалися, що ця угода буде підписана в жовтні, з початком повноцінної роботи ВАК. Але, за словами Максима Стріхи, це займе трохи більше часу. Проте, як мовиться, не було би щастя, так нещастя помогло. І, може, українці таки встигнуть це зробити до запуску колайдера. Через аварію з витоком рідкого гелію під час пробних пусків роботи на ВАК зупинили щонайменше на півроку.

Валентина Червоножка, Новинар