Фізика частинок намагається відповісти на одне з найскладніших запитань людства: з чого насправді складається Всесвіт і за якими законами він працює. Для цього вчені відтворюють умови, схожі на ті, що існували одразу після Великого вибуху, і досліджують найменші складники матерії.
Центром таких досліджень є ЦЕРН1 — Європейська організація з ядерних досліджень, де працює Великий адронний колайдер. Це гігантське кільце довжиною 27 кілометрів, у якому пучки протонів розганяють майже до швидкості світла — максимально можливої у Всесвіті. Протони зіштовхують між собою, а спеціальні детектори фіксують усе, що відбувається внаслідок цих зіткнень.
У роботі колайдера використовують і винаходи українських вчених.
Ми поспілкувалися з Денисом Тімошиним, випускником Київського національного університету ім. Тараса Шевченка, науковцем Інституту частинок і ядерної фізики фізико-математичного факультету Карлового університету в Чехії, учасником експерименту ЦЕРН на Великому адронному колайдері. Денис розповідає про те, як доробок українських науковців впливає на фізику частинок, а фізика частинок — на наше повсякденне життя, а також про привласнення національного спадку, виклики сучасної освіти та майбутнє української фізики.
Про фізику частинок і роботу в ЦЕРНі
На Великому адронному колайдері працюють кілька експериментів — наприклад, ATLAS2 та CMS3. ATLAS — це один із двох універсальних детекторів Великого адронного колайдера. Він досліджує широкий спектр явищ — від властивостей до пошуку нових частинок. Всередині нього складна система сенсорів реєструє частинки, що утворюються після кожного зіткнення протонів. За розмірами ATLAS можна порівняти з багатоповерховим будинком, а над дослідженнями працюють близько 5500 науковців з усього світу.
Фото надане Денисом Тімошиним.
CMS — це також великий універсальний детектор. Він «фотографує» процес зіткнення частинок і допомагає вченим зрозуміти, з чого складається матерія та які закони керують Всесвітом. По суті, CMS та ATLAS — детектори-суперники. Вони «змагаються», щоб якнайшвидше надати нові дані для наукових публікацій та конференцій. Але зрештою дослідження на обох детекторах доповнюють та посилюють одне одного. Крім них, на Великому адронному колайдері також працюють ще десятки інших експериментів.
Головна мета експериментів — перевірити, чи повністю так звана Стандартна модель описує фундаментальні закони природи. Стандартна модель — це теоретична основа сучасної фізики частинок, яка пояснює всі відомі елементарні частинки та їхню взаємодію. Проте науковці вже знають, що вона не є остаточною. Наприклад, Стандартна модель не враховує темну матерію. Тому фізики проводять експерименти на кшталт CMS, шукаючи відхилення — процеси або сигнали, які не вписуються в передбачення моделі. Якщо такі відхилення будуть надійно підтверджені, це означатиме появу нової фізики.
Фото надане Денисом Тімошиним.
В експериментах у ЦЕРНі застосовують потужні обчислювальні машини. Кожен аналіз охоплює терабайти даних і десятки мільйонів зафіксованих зіткнень. Для їх обробки застосовують складні алгоритми, зокрема методи машинного навчання та нейронні мережі. Але процес збирання даних для одного експерименту може тривати роками. Дослідникам потрібно переконатися, що отримані сигнали не є наслідком технічних похибок або зовнішніх впливів. Точність вимірювань настільки висока, що враховуються навіть такі фактори, як коливання від руху поїзда, що проходив повз. Тільки відкинувши всі можливі впливи, ми зможемо стверджувати, що знайдені відхилення у Стандартній моделі дійсно пов’язані з новими фізичними явищами.
Фізика частинок у реальному житті
Часто опис роботи Великого адронного колайдера звучить як щось відірване від реального життя. Насправді це не так. Багато сучасних технологій, якими ми користуємося щодня, прямо або опосередковано виросли з фундаментальних досліджень.
Яскравий приклад — компанія ASML4, яка виробляє унікальне устаткування для створення мікрочипів. Її обладнання коштує мільйони євро і не має аналогів у світі. Воно працює на основі екстремально точних фізичних процесів: лазери з довжиною хвилі близько 12 нанометрів спрямовують на мікроскопічні краплі ртуті, щоб створити випромінювання, необхідне для «малювання» структур на кремнієвих пластинах. Далі в гру вступає хімія — пластини обробляються спеціальними сумішами шар за шаром. У наслідку з’являються надсучасні чипи, які працюють у телефонах, комп’ютерах і серверах. Без десятиліть фундаментальних досліджень у фізиці й хімії такі технології були б неможливими.
Фото надане Денисом Тімошиним.
Інший напрям, де фізика частинок має прямий вплив, — це медицина. Наприклад, у лікуванні та діагностиці онкологічних захворювань застосовують радіоізотопи. Частину цих ізотопів виробляють у ЦЕРНі у межах експерименту ISOLDE5. Науковці опромінюють стабільні атоми для отримання нестабільних ізотопів. Такі ізотопи вводять в організм пацієнта й накопичуються у певних тканинах і органах. Це дозволяє лікарям «побачити» функціонування органів, виявити патології або локалізувати пухлини — адже деякі ізотопи концентруються саме там. Фактично, ізотопи працюють як мітки, що роблять хворобу видимою для діагностичного обладнання.
Фундаментальні дослідження впливають і на розуміння клімату. В експерименті CLOUD6 у ЦЕРНі вивчають, як високоенергетичні частинки взаємодіють з аерозолями в атмосфері. Це допомагає з’ясувати, як формуються хмари і яку роль у цьому процесі можуть відігравати космічні частинки. Такі знання важливі для точніших кліматичних моделей і прогнозів.
Про майбутні відкриття
Сьогодні здійснювати по-справжньому проривні відкриття у фізиці частинок стає дедалі складніше. Ця галузь науки пережила надзвичайно інтенсивний період розвитку між 1950-ми та 1990-ми роками. Це була епоха швидких проривів, формування теоретичних основ і численних Нобелівських премій. Сьогодні фізика частинок перейшла до повільнішої фази. Останнім масштабним проривом було відкриття бозона Гіґґса у 2012 році в ЦЕРНі. Відтоді подібних відкриттів не було.
Фото надане Денисом Тімошиним.
Однак це не означає, що наука зупинилася. Зараз науковці активно перевіряють теорії та уточнюють параметри вже відомих явищ. У ЦЕРНі було відкрито7 близько 80 нових частинок — зокрема та . Проте всі вони були передбачені Стандартною моделлю, тобто лише підтвердили наявну теоретичну рамку.
Але більшість фізиків переконані: нове відкриття обов’язково станеться. Адже Стандартна модель не є повною. Вона не пояснює низку фундаментальних питань — зокрема природу темної матерії, темної енергії чи гравітації в квантовому масштабі. Отже, майбутні відкриття — це питання часу.
Та навіть якщо хтось із науковців зробить науковий прорив зараз, можемо очікувати, що міжнародне визнання настане лише за кілька десятків років. Нерідко науковці роблять відкриття у молодому віці, під час докторантури. Потім відбуваються багаторічні перевірки, накопичення експериментальних підтверджень і незалежні відтворення експериментів. І лише після цього, можливо, — Нобелівська премія. Показовим є приклад дослідників, які почали застосовувати нейронні мережі у фізиці ще в 1980-х, а Нобелівську премію отримали лише через сорок років. Розрив між відкриттям і його офіційним визнанням буквально сягнув кількох поколінь.
Фото надане Денисом Тімошиним.
Наразі Денис працює над аналізом даних одного з експериментів Великого адронного колайдера. Він досліджує процес утворення чотирьох . Це надзвичайно рідкісна подія, яку вперше спостерігали у 2023 році. Попередні результати експериментів ATLAS і CMS показують значення, дещо вищі за передбачення Стандартної моделі, що може натякати на прояви нової фізики. Використовуючи великі дані, обсяг яких вимірюється у терабайтах, Денис намагається з’ясувати, чи має він справу зі звичними статистичними коливаннями, чи спостерігає ознаки нових фундаментальних явищ.
Українські фізики у ЦЕРНі
Говорячи про місце України в історії фізики частинок, важливо згадати науковців8, які зробили фундаментальний внесок у розвиток науки. Один із них — Володимир Векслер, уродженець Житомира. Саме він сформулював принцип автофазування в синхротронах. Його можна пояснити через образ хвилі. Уявімо, що електричне поле, яке прискорює частинки, поводиться як морська хвиля, а самі частинки — як серфери. Якщо частинка рухається повільно, хвиля «підштовхує» її, додаючи енергії; якщо рухається надто швидко — трохи сповільнює. Як наслідок, частинки з різними початковими енергіями вирівнюються до близьких значень, синхронізуються. Цей принцип став основою для створення потужних прискорювачів. Векслер не лише створив перший синхрофазотрон в СРСР, але й очолив Об’єднаний інститут ядерних досліджень у Дубні та отримав міжнародне визнання, зокрема премію «Атом для миру».
Ще одна видатна науковиця — Людмила Нагорна, яка народилася в Умані й працювала в Інституті сцинтиляційних матеріалів НАН України. Вона запропонувала та дослідила кристал плюмбум-вольфрамат, який виявився надзвичайно ефективним для реєстрації високоенергетичних частинок. Хоча існують й інші матеріали з подібними властивостями, саме цей кристал став одним із ключових елементів детекторів на великих прискорювачах, де йдеться про роботу з надвисокими енергіями.
Нарешті, варто згадати Георгія Харпака, народженого у Дубровиці, лауреата Нобелівської премії з фізики9. Він розробив багатодротову пропорційну камеру — детектор, який суттєво підвищив точність і швидкість реєстрації частинок. Цей винахід став проривним для експериментів 1980-х років. Він відіграв важливу роль у відкритті W- і Z-бозонів, що стало одним із ключових підтверджень Стандартної моделі.
Наголошувати на українському походженні цих вчених вкрай важливо. Це підсилює репутацію українських освітніх і наукових інституцій, сприяє розвитку міжнародної співпраці та створенню нових дослідницьких програм.
Важливо й те, що повернення імен учених в український контекст допомагає відновлювати історичну справедливість. Десятиліттями радянська система привласнювала національні досягнення інших країн, зараховуючи їх до «радянської» або «російської» науки. Тож коли ми сьогодні уточнюємо, що Нагорна чи Харпак були українцями, ми зберігаємо та переосмислюємо власну наукову спадщину.
Водночас у міжнародному середовищі питання національної ідентичності лишається складним. Показовий приклад — у ЦЕРНі є вулиця, названа на честь Володимира Векслера. Але у франкомовному описі його й досі називають російським фізиком. Для багатьох науковців за кордоном національність відходить на другий план — адже сучасна наука дуже мобільна, мультинаціональна й не знає кордонів. Однак для України важливо підкреслювати власні наукові здобутки. Так ми нагадуємо світові й собі: українські дослідники завжди були частиною світової науки.
Про українську освіту та «витік мізків»
В Україні є досить сильна теоретична освітня база. Наприклад, Денис здобув освіту в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка й без проблем підтвердив свою кваліфікацію, щоб далі вчитися і працювати за кордоном. Українська школа й університетська підготовка добре розвивають абстрактне мислення — ключову навичку як для теоретичної фізики, так і для програмування, яке значною мірою є роботою з абстракціями.
Натомість у сфері експериментальної фізики існують очевидні прогалини. У нас суттєво не вистачає матеріальної бази. Сучасні лабораторії потребують дорогих детекторів і електроніки. Наприклад, у країнах Центральної Європи активно використовують обладнання італійської компанії CAEN10, що розробляє високоточні системи живлення й модулі обробки даних для ядерної та фізики частинок. Їхнє обладнання може коштувати до декількох десятків тисяч доларів, і для українських лабораторій, що не мають фінансової підтримки, така ціна зазвичай є занадто високою.
Фото надане Денисом Тімошиним.
Міжнародні організації можуть допомогти подолати деякі виклики. Наприклад, у ЦЕРНі є політика відкритих даних і доступу до програмного коду. Тобто студенти з України можуть вивчати всі необхідні їм дані, опановувати програмне забезпечення онлайн, у власному темпі. Існує багато гайдів і курсів, які допомагають студентам здобути базові навички і зрозуміти, чи їм цікава ця галузь.
Для теоретиків і феноменологів відкриті дані дають можливість перевіряти власні розрахунки та будувати нові моделі без обов’язкової фізичної присутності за кордоном. Звісно, є певні обмеження. Наприклад, для роботи з даними сучасних експериментів може знадобитися близько чотирьох терабайтів пам’яті з високою швидкістю доступу, щоб оперативно змінювати код і алгоритми. Тож якщо для початкового рівня відкритих ресурсів достатньо, то для професійної роботи необхідне потужне обладнання.
Фото надане Денисом Тімошиним.
Також нестача обладнання по-різному впливає на наукові галузі. Наприклад, деякі науковці можуть короткостроково виїжджати до лабораторій в інших країнах, а потім повертатися додому і опрацьовувати результати. Але якщо ми говоримо, наприклад, про хіміків, то їхні експерименти часто потребують щоденної присутності в лабораторії. Тому для продовження роботи над своїми експериментами їм часто треба переїжджати до країн з необхідним обладнанням.
Взагалі міжнародна мобільність науковців — це природний процес для будь-якої країни. Дослідники виїжджають, здобувають новий досвід, а згодом можуть повернутися й започаткувати нові проєкти або бізнеси у себе вдома. Звісно, війна сильно змінює контекст. За даними ЮНЕСКО11, близько 12% учених виїхали з України або переїхали у безпечніші міста через війну. Це може бути проблемою. Якщо вчені, що поїхали з країни, не повернуться, Україна не просто залишиться без людей, які могли б працювати зараз, але й ризикуватиме втратити цілі наукові школи й тяглість наукової традиції.
Але не варто припускати, що всі науковці мріють поїхати назавжди. Багато хто відзначає, що жити й працювати у рідній країні зі знайомою мовою і культурою набагато комфортніше. Щоб науковці поверталися, потрібно забезпечити їм належний рівень життя і створити конкурентні умови праці, принаймні підняти їх до європейського рівня. Це складний, але можливий шлях. Ба більше, якщо в Україні будуть безпечніші умови життя, сюди можуть приїхати і європейські науковці. Наприклад, якщо у нас відкриються нові лабораторії та з’являться професорські вакансії, європейські вчені можуть обрати Україну для роботи, адже отримати професорську посаду в країнах ЄС вкрай складно.
Про післявоєнне майбутнє України
Звісно, зараз українська фізика перебуває у складному становищі. Але міжнародна наукова спільнота намагається підтримати наших дослідників. Зокрема, ЦЕРН тимчасово скасував фінансовий внесок, який мала сплачувати Україна, — близько одного мільйона євро на рік.
Після завершення війни, вважає Денис, Україна має всі підстави стати повноправним членом ЦЕРНу. Усі наші сусіди — Польща, Чехія, Словаччина, Естонія, Румунія та Угорщина — уже є частиною цієї організації. Повноцінне членство означатиме глибшу інтеграцію до європейського наукового простору, розширення колаборацій, доступ до новітніх технологій і розвиток експертизи всередині країни.
Країни-члени сплачують великі внески до бюджету ЦЕРН, але вони також отримують і економічну віддачу. Наприклад, дослідження12 у Великій Британії свідчать, що молоді науковці, які працювали в ЦЕРН, у середньому заробляють приблизно на 12% більше, ніж їхні колеги без такого досвіду. Також така співпраця сприятиме розвитку бізнесу і технологій в країні, а отже — і післявоєнному відновленню. Хоча зараз ситуація складна, Денис вірить, що українські здобутки у фізиці частинок будуть не тільки спадком минулого, але й реальною можливістю майбутнього.
Репортаж опублікований за підтримки Alfred P. Sloan Foundation.
The reportage is published with the support of the Alfred P. Sloan Foundation.
