Казахстанский физик-ядерщик рассказал о своей деятельности на Большом адронном коллайдере

Во время нашего разговора Рустем активно жестикулировал, что, безусловно, придало еще большую окраску всему сказанному и вызвало непреодолимое желание бросить все и с головой окунуться в этот сложный научный мир с привкусом европейской культуры или провести там хотя бы несколько дней, сделав необходимые для утоления любопытства наблюдения и понять , что же так манит все мировое научное сообщество в этот самый длинный научный коридор в ста метрах под землей.

 «Я почти 4 часа говорил без остановки, - сказал Рустем, прежде чем вошел в комнату, - мы с коллегами пишем статью», - как будто предугадывая мой вопрос, ответил он. Мне, конечно, стало весьма интересно, чему же посвящена будет коллективная публикация одного из самых признанных трестов всемирной науки, о чем я у него позже и спросила, но обо всем по порядку...

Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК ( Large Hadron Collider-LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта - Линдон Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс учёных и инженеров из более чем 100 стран.

ЦЕРН (CERN) — Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Также иногда переводится как Европейский Центр ядерных исследований. Аббревиатура CERN произошла от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский совет по ядерным исследованиям). В русском языке обычно используется аббревиатура ЦЕРН.

ЦЕРН находится на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Территория ЦЕРНа состоит из двух основных площадок и нескольких более мелких. Большой комплекс зданий включает в себя рабочие кабинеты, лаборатории, производственные помещения, склады, залы для конференций, жилые помещения, столовые. Ускорительный комплекс расположен, как на поверхности (старые ускорители Linac, PS), так и под землёй на большой глубине до 100 метров (более современные SPS, LHC).

Соглашение по образованию ЦЕРНа было подписано в Париже 29 июня − 1 июля 1953 года представителями 12 европейских стран. Организация была образована 29 сентября 1954 года. В настоящее время число стран-членов возросло до 20. Кроме того, некоторые страны и международные организации имеют статус наблюдателя.

В ЦЕРНе постоянно работают около 2500 человек, ещё около 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов из 85 стран участвуют в международных экспериментах ЦЕРНа и работают там временно.

Годовые взносы стран-участников ЦЕРНа в 2008 году составили 1075,863 миллионов швейцарских франков (около 990 миллионов долларов США).

О коллайдере

Для непросвещенных, что же такое Адронный коллайдер, и «с чем его едят»?

- Сама машина – это ускоритель. Адронный коллайдер ускоряет типы частиц и сталкивает их с очень высокой энергией. Такого типа ускорители уже были, но не было ускорителей, которые могли достигать такой высокой энергии. Когда частицы сталкиваются, их энергия может превратиться в другие частицы, в том числе, если энергии достаточно, с помощью нее могут появиться новые типы частиц. Чем они сильнее сталкиваются, тем больше у них энергии, тем доступнее более высокие состояния.

Ускоритель можно сравнить с большим микроскопом. Для нас большая энергия обозначает меньшее расстояние - чем меньше расстояние мы хотим, тем более высокая должна быть энергия. Сама задача физики элементарных частиц - понять материю на фундаментальном уровне, из чего сделаны атомы, из чего сделаны ядра и так далее. Есть фундаментальные частицы, из которых сделано все. Мы такие частицы нашли.

Есть 12 частиц, которые мы считаем фундаментальными, то есть они сделаны из ничего, у них нету внутренней структуры. Чтобы понять их взаимодействия, нужно смотреть на очень маленьком уровне, для этого нужны высокие энергии.

Сама идея этой машины – это как гигантский микроскоп, который сталкивает частицы с очень высокой энергией, чтобы посмотреть их взаимодействия на очень маленьких расстояниях.

Есть такая стандартная модель, которая описывает известные процессы до этого. Этот коллайдер производит в 7 раз больше энергии, чем предыдущий. И всегда есть вероятность открыть новые состояния, материи и частицы, которые неизвестны. То есть задача - пытаться понять, что еще есть за пределами узнаваемого. Когда ты смотришь в лучший микроскоп, всегда появляется возможность увидеть что-то новое.

Также существует модель, которая описывает новые методы. В этой модели есть предсказания о новом состоянии – X бозон. До этого эту частицу искали на многих ускорителях и не нашли. И эта машина была построена для ее поиска. В коллайдере сталкиваются частицы с очень большой энергией, и эта энергия может превратиться в новые частицы. Когда эти частицы появляются в реакторе, мы наблюдаем какие-то новые резонансы, и благодаря им мы видим новые частицы, новые состояния.

Частица X(4140)-бозон наблюдалась в лаборатории Ферми и объявлена 17 марта 2009 года. Эта частица является чрезвычайно редкой и была обнаружена только в 1 случае из 20 миллиардов столкновений.

Тем самым вы делаете научные открытия, с помощью которых возможно открыть новые законы?

- Да, мы пытаемся понять лучше законы, которые уже имеются на сегодня, и хотим понять, есть ли другие законы, которые выходят за пределы того, что мы знаем.

Существует мнение, что с помощью этого коллайдера можно понять, как образовалась земля, это правда?

- Скорее, как образовалась Вселенная. Образование Земли с точки зрения фундаментальной физики относится более к химическим процессам. В теории говорится, что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва . Вселенная была маленькой точкой, которая в последующем начала развиваться. В момент самого взрыва была очень большая плотность энергии, и этот ускоритель может достичь энергии, похожую на энергию, которая была при возникновении Вселенной.

В науке взрыв является научным фактом, есть математические теории, описывающие развитие Вселенной с нулевого отсчета времени. С тех пор прошло 13 млрд лет, и всю историю почти за все это время мы понимаем. Есть измерения, сделанные ранее и дающие понять, из чего этот мир сделан, из каких частиц. Силы притягивают или отталкивают друг друга. Весь мир сделан из частиц и взаимодействий сил, глядя на них можно объяснить распыление галактики и астрономически все это можно связать в одну теорию и выяснить, как развивалась Вселенная.

Все, что мы видим сегодня, согласуется с этой теорией, но эта теория может предсказывать только до какого-то момента, одна из проблем, что на очень высоких энергиях мы не можем применять правила математики, по которым мы могли бы описывать взаимодействие частиц. Есть определенные уровни энергии, на которых той математики, которая сейчас есть, недостаточно. Если энергия очень высокая, она приводит к неправильным результатам, и вся математика перестает работать. Грубо говоря, мы решаем уравнения, и в тот момент, когда мы приближаемся к большому взрыву, это уравнение просто бессмысленно.

Немного биографии

Как же вы попали на Адронный коллайдер? Расскажите про свой путь.

- Учился я в Караганде, сначала в обычной школе, а после 8го класса перевелся в физматшколу. У нас были хорошие учителя, они и заинтересовали, старший брат у меня тоже физик. После школы я сдал экзамены и поехал учиться в Томский государственный университет, поступил на физико-математический факультет, после чего перевелся на физический.

В течение 4 лет меня больше тянуло к математике. Были очень интересные и преподаватели, и сокурсники. Было желание понять, как все это работает. В физике есть законы, которые описывают поведение физического мира, как мы его видим. И они достаточно простые, их можно понять. Понять, как себя ведут отдельные частицы легче, чем понять, как себя ведут миллионы частиц. Как только мы начинаем спускаться на фундаментальный уровень, разбирать, из чего сделана Вселенная, тогда эти вещи понять легче.

У моего научного руководителя в Томске были контакты в Америке, и его знакомый профессор сказал, что если есть студенты, желающие поступить в аспирантуру, пусть подают документы. Мы сдавали экзамены вместе с одногруппником, в том числе специальный экзамен по физике, после чего отправили документы, и нас с одногруппником взяли в университет. К слову, экзамены были достаточно сложные, и для того, чтобы их сдать, я готовился полгода.

В аспирантуру я поступил в Johns Hopkins University в Балтиморе по направлению теоретика. Я там отучился какое-то время, после чего решил, что то направление теории, которое мы изучали, не совпадает с моими интересами, после этого я перевелся в университет в University of Texas at Austin и продолжил заниматься именно математической теорией. Кроме того, появилась возможность заниматься экспериментальной физикой. В какой-то момент я понял, что экспериментальная физика мне нравится больше. Она более интересная, более прикладная.

Тогда я начал заниматься физикой частиц, которые называются нейтрино. В Чикаго тогда была построена новая лаборатория, где был поставлен эксперимент для изучения нейтрино и их квантовых свойств, связанных с массой. Это самые легкие частицы, и мы изучали их свойства, связанные с массой. Это был очень интересный эксперимент, над которым работала команда из 200-250 человек из Америки и Англии, я был в числе 20 или 30 аспирантов. Мой научный руководитель отправил меня в Чикаго. Другой детектор находился в Миннесоте, недалеко от границы с Канадой. Я был в Чикаго, иногда ездил в Миннесоту, и написал диссертацию, исследуя частицы. Значительную часть времени на данной установке мы уделяли тому, чтобы эта установка правильно работала. Как и любой прибор ее нужно калибровать, правильно настраивать, изучать ее строение.

После защиты диссертации у меня встал выбор прикладного направления, к примеру, в нашей области нужно очень много заниматься программированием, многие люди выходят программистами, я для себя вынес, что я люблю физику, и мне хотелось делать что-то интересное. То направление, по которому я занимался - нейтрино, очень интересное, но эти частицы крайне редко взаимодействуют с материей.

Солнце производит гигантское количество нейтрино, которые летят сквозь комнату в бешеном количестве. Это выделение нейтрино происходит вследствие ядерной реакции, из-за которой горит солнце. Но их не видно, они очень слабо взаимодействуют, поэтому нужны огромные массивные детекторы, которые весят тысячи тонн. Они очень дорогие не многофункциональные.

И когда я окончил аспирантуру, я понял, насколько физика многофункциональна. Есть какие-то глобальные вопросы, на которые нет ответа, и есть эффекты, которые непредсказуемы. Почти все вопросы, которые у нас остались, являются наиболее сложными, потому что все другие измерения были уже описаны к концу 70-х теоретиками в модели и описывает все возможные эффекты, которые мы наблюдаем. Можно проводить разные эксперименты, а эта теория очень аккуратно всех их описывает.

То есть проблема физики в том, что все эксперименты в эту модель входят очень четко. Есть какие-то наблюдаемые эффекты, которые выходят за рамки этой модели, и все они, в основном, связаны с поведением Вселенной на глобальном уровне, с тем, как она развивалась. Из-за того, что исследования тут должны производиться глобальных масштабов, а всю Вселенную в лабораторию не поместишь, надо делать эксперименты, которые как-то частично связаны. Однако эти эксперименты тяжелы в организации, поскольку все это нужно разбивать на маленькие частицы. Много таких экспериментов было проведено, но пока у них не было результатов.

При строительстве коллайдера ожидалось, что будет сделано одно открытие, которое до этого не наблюдалось. Когда я заканчивал диссертацию, мне было интересно, какие вопросы еще не раскрыты, и это немножко везение, немножко гадание, ты смотришь, какие эксперименты есть, какие планируются, и что тебе нравится больше.

Что мне понравилось в ЦЕРНе – это один из самых больших ускорителей, который когда-либо был построен. Из-за того, что в нем увеличивается энергия, появляется возможность произвести что-то новое. Энергия может превратиться в другое состояние, и этой энергии достаточно. Поэтому он универсален в том, что можно увидеть состояние, о существовании которого ты раньше даже не подозревал. Там работают очень интересные люди, квалифицированные специалисты. Когда я выбирал, какой наукой заниматься, я посчитал, что в ЦЕРНЕ меня ждет самое интересное.

На коллайдер я попал также, как и в аспирантуру - подал заявление, направил рекомендательные письма наших руководителей. Объявление о приеме на работу я увидел в интернете на сайте для специалистов моего профиля. Работодатели обычно отбирают несколько кандидатов, приглашают на интервью, делают семинар. Ты приезжаешь в университет, делаешь доклад, и весь день беседуешь с профессорами, дискутируешь. В конце они сравнивают кандидатов, выбирают тех, кто подходит, и направляют предложение на работу. Обычно конкурс на место составляет десятки человек. Я сам подал 10-15 заявлений на работу, и получил 5-6 предложений. Это было в 2008 году, когда коллайдер только запустили, но при запуске произошла авария, и его задержали до 2009 года.

Насколько мне известно, на нем работают ученые почти из 100 стран мира, что за эксперименты там проводятся сейчас?

- Всего на коллайдере проводится 4 эксперимента: два больших и два средних, у каждого есть свой научный руководитель, который избирается на два года путем выборов порядка 180 университетами из сорока стран. На нашем большом эксперименте, который называется «ATLAS», работают около 3 тысяч ученых из 40 стран мира.

Есть ли опасность при работе для здоровья?

- Опасность может быть, но ее недопущение очень четко контролируется. Сам эксперимент находится в ста метрах под землей, а это такой барьер, который остановит все, поэтому прямой опасности людям, сотрудникам нет. Есть опасность, когда работники спускаются в туннель, поэтому существуют специальные системы защиты, которые не разрешают посторонним находиться в туннеле. Чтобы туда спуститься, необходимо пройти специальные двери, которые снимают отпечаток глаза, поэтому только те, у кого есть пропуск по этой системе, могут туда попасть.

Скольким людям есть доступ туда?

- Я думаю, не более тысячи. Есть отдельный крупный отдел, который занимается вопросами безопасности. Доступ есть тем, кому по техническим причинам нужно туда попасть - либо для того, чтобы что-то починить, либо что-то установить. Коллайдер не так опасен по сравнению с ядерным реактором, потому что машина работает только тогда, когда там есть энергия, стоит нажать на выключатель, и опасность нулевая.

Мы же ведем работу из офиса. Всего по миру у нас сеть компьютеров – их более 200 тысяч, с помощью этой сети можно контролировать процесс работы. Ту же работу, которую я делаю в Женеве, я могу делать с любой точки.

Вам нравится работа на коллайдере?

- Нравится. Конечно, в любой работе есть свои плюсы и минусы. Я считаю, что с точки зрения физики, это один из самых интересных и сложных научных проектов, когда-либо сделанных, этим он и привлекает. У меня замечательные, очень интересные коллеги, само взаимодействие с ними очень ценно. Наука очень сложна, одному что-то сделать практически невозможно, поэтому работа в проекте доставляет удовольствие, в том числе командная работа, особенно, когда видишь результат.

Создан ли при ЦЕРНе специальный городок для проживания сотрудников Центра?

- Я, как многие, снимаю квартиру в Женеве, но большинство работников ЦЕРНа живут во Франции. В самом ЦЕРНе есть общежития, но там можно останавливаться только на несколько недель. К слову, во Франции квартиру найти легче, чем в Женеве, где поиск может занять несколько месяцев. На Родину я приезжаю раз в год на новогодние праздники.

Как насчет приятелей? Не трудно было адаптироваться?

- У меня есть хороший друг, с которым мы вместе начали работать. Сам он с Германии, учился в Америке, после чего сразу переехал в Женеву. Мы любим ходить в горы, кататься на лыжах, конечно, это все вопрос темпераментов. Также у меня есть хорошая подруга – американка, мы вместе работали над проектом, с ней мы видимся редко, мы можем встретиться во время обеденного перерыва, и полтора-два часа рассказывать, что произошло за то время, что мы не виделись, делимся впечатлениями о путешествиях, работе и так далее.

Что вам дала работа на коллайдере?

- Во-первых, увеличились знания в физике. То, что я делаю сейчас, значительно отличается от всего того, что я делал раньше. Появились навыки в программировании и технических вещах, организации и решении различных вопросов, значителен обмен опыта с коллегами. Изменилось даже мышление после длительного наблюдения за тем, как люди взаимодействуют между собой. Стиль общения людей в Европе немного специфичный. Работать на одном эксперименте достаточно сложно, 3 тысячи человек (работающих на одном эксперименте) должны прийти к консенсусу, учесть мнение каждого.

Планируете ли дальше продолжать работать?

-Да. Но у моего контракта ограниченный срок – 5 лет, и все зависит от того, как ты себя проявишь, как ты решаешь задачи. Сроки контрактов от 1 до 5 лет, больше они уже становятся без ограниченного срока действия. По истечению срока контракта есть возможность их перезаключения.

Зовут лис вас обратно в Казахстан?

- Не было ни одного предложения. Все дело в том, что та наука, которой я сейчас занимаюсь, не представлена в стране, поэтому для работы в Казахстане придется менять направление. Физика у меня специфичная, изучал я ее очень долго. Есть причины, по которым Казахстан может бытьмочень интересен в плане исследований, с другой стороны, я достаточно долго живу за рубежом. В подобном случае я подойду трепетно к выбору и решению.

Чем важна фундаментальная наука? Тем, что для ее развития тобой не движет наличие работы, ты просто задаешься вопросами, как работает мир, на их основании начинаешь исследования.

Учитывается ли национальная принадлежность при приеме на работу?

- По-разному. К примеру, в Америке вопрос гражданства, языка, национальности не стоит, это не то, за что выбирают людей. Важно только образование и знание международного английского языка.

Для того, чтобы работать в ЦЕРНе помимо прочего важно быть гражданином страны, участвующей в ЦЕРНе, учитывая ее финансовый вклад. При приеме на работу они каким-то образом распределяют число сотрудников пропорционально количеству средств, которые страна вкладывает в ЦЕРН. Поэтому когда нанимают на работу в Центр, важно, чтобы ты был гражданином страны-члена Европейского Союза. Я работаю в ЦЕРНе благодаря тому, что я работаю на американский университет.

А так я гражданин России.

Как так вышло?

- Когда я выезжал в Америку, мне был нужен зарубежный паспорт, и когда я приехал в Караганду, это было очень сложно сделать. Я приехал в начале лета, а в августе мне нужно было уже улетать. Я не принимал гражданство, тогда только распался Советский союз, и действовал внутренний паспорт, он у меня, как и у всех был советским. В Томске я получил паспорт за две недели.

О планах

Говорилось о том, в феврале 2013 года коллайдер будет остановлен для модернизации до конца 2014 года. Планируется увеличить энергию столкновения протонов с нынешних 7 ТэВ до 13 ТэВ и установить дополнительное оборудование на детекторах (экспериментах) ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, и в 2015 году эксперименты будут продолжены.

Верно, в 2008 году произошла авария, когда контакт над магнитами нарушился. Это вызвало искру, которая пробила трубу, содержащую жидкий гелий. Гелий при нагреве расширяется и преобразуется в газ, в результате этого труба взорвалась. Задача модернизации – улучшить все эти контакты, чтобы они могли пропускать более высокий ток. Также будет добавлено оборудование, которое обеспечит безопасность при подобных случаях. Сейчас ускоритель работает в половину энергии. После модернизации коллайдер заработает почти на полную энергию.

Среди обывателей имелись такие опасения, что взрыв коллайдера может привести чуть ли не к апокалипсису. Насколько такие опасения оправданы?

- Была создана комиссия, которая исследовала данный вопрос. По заключениям ученых, какой-либо катастрофы произойти не может. Были подозрения, что в коллайдере могли образоваться черные дыры. Из галактического пространства к нам прилетают частицы с энергией намного больше той, чем при которой проводим эксперименты мы. Поэтому если бы черные дыры могли образоваться, мы бы уже видели. Другими словами, энергия, которая в ускорителе по сравнению с энергией, которая существует в мире и вокруг нас, она не такая высокая. Земля постоянно бомбардируется намного более энергетически заряженными частицами, чем те, которые у нас, и до сих пор подобных процессов не произошло.

Стоит ли сейчас коллайдер на пороге каких-либо новых открытий?

- Из тех данных, которые мы изучали до сих пор, практически все, что мы видели, доказывает предсказания модели, именуемой Стандартной. Нового пока мы ничего не увидели. Если будет что-то новое, то потребуется время на то, чтобы мы разобрали данные, иногда на их доскональное изучение нужны годы.

Во всех данных, которые нами на сегодня собраны, мы искали новые эффекты, и большинство описывающих статей и публикаций, были направлены именно на это. Но так оказалось, что в природе с энергией, какой мы сейчас работаем, таких новых очевидных эффектов не наблюдается. Очень много было исследований и измерений сделано, большинство энергии уходит на поиск новых эффектов, а все измерения пока отрицательные. Когда ускоритель начнет работать на полную энергию, вероятность того, что откроются новые эффекты, значительно возрастет. Ведь чем больше энергия, тем выше становятся шансы открыть новые частицы, которые до этого не были доступны, создать новые законы. Мы продолжаем поиск.

Лично для меня, человека, не взаимодействующего с физикой никаким образом, беседа с Рустемом, не только прояснила цель функционирования коллайдера, но и толкнула н философские раздумья о том, сколько всего еще человечеству предстоит узнать, и что эти поиски секретов нашего с вами бытия бесконечны… Кстати, статья посвящена распаду Х бозона, который, по словам Рустема, является очень редким процессом, и для подобного исследования потребуется несколько лет. Но это уже тема другого материала, который имеет все шансы появиться в крупнейших мировых научных изданиях в недалеком будущем.

Сабина СЕКСЕМБАЕВА