Западню для загадочной частицы придумали в Беларуси
Таинственный носитель массы вещества — бозон Хиггса, или попросту хиггс, существование которого было предсказано почти полвека назад, судя по всему, обнаружен. И, как выяснилось, маленькая Беларусь, не имеющая возможности финансово поддержать масштабный проект, реализуемый на Большом адронном коллайдере (LHC), все же внесла в него интеллектуальный вклад, сопоставимый с участием великих держав.
Кроме изготовления латунных и алюминиевых деталей для детекторов, о чем много писалось, кроме весомого вклада физиков-теоретиков и программистов в моделирование и постановку эксперимента, о чем писалось меньше, была еще одна сторона нашего участия, о которой мало что известно. Речь идет о «сердце» детекторов «ALICE» и CMS, которые не принесли бы никакого результата, если бы не уникальные синтетические кристаллы вольфрамата свинца. В этих тяжелых прозрачных стержнях длиной пару десятков сантиметров, соперничающих по чистоте с бриллиантами, и происходит таинство ловли загадочной частицы. Искусственные камни вырастили в России, и россияне гордятся своим вкладом. Но идея использовать именно эти компоненты для синтеза, а также технологические решения, обеспечившие нужное качество, родились в Беларуси. И мировое научное сообщество прекрасно это знает. Ведь не случайно же мой сегодняшний собеседник — заведующий отделом экспериментальной физики высоких энергий НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета доктор физико-математических наук Михаил КОРЖИК входит в топ-10 самых цитируемых белорусских ученых. Чаще всего коллеги ссылаются как раз на его работы по вольфрамату свинца, которому он отдал 15 лет своей жизни.
— Михаил Васильевич, о кристаллах чуть позже, а для начала о том, что же открыли в ЦЕРНе и что это означает для человечества?
— Речь идет о понимании устройства окружающего нас мира. Та материя, которую мы ощущаем, состоит из частиц, часть из которых является элементарными, то есть неделимыми. Теория, описывающая элементарные частицы, — Стандартная модель, созданная трудом трех поколений теоретиков, хотя и хорошо показывала взаимодействие элементарных частиц, но все же нуждалась в проверке путем обнаружения недостающих звеньев в теоретической конструкции. Одним из таких звеньев являлась идея о спонтанном нарушении симметрии как механизма генерации масс калибровочных бозонов, развитая в 1964 году английским физиком Питером Хиггсом. Чтобы приблизиться к пониманию природы массы, наука была просто обязана проверить расчеты теоретика в опыте.
Это привело к возникновению трех экспериментальных программ в 80-х годах прошлого века на ускорителях коллайдерного типа с высокой светимостью: в СССР (УНК), США (SSC) и ЦЕРНе (LHC). Такие ускорители обеспечивали бы столкновение огромных масс частиц в малом геометрическом пространстве с частотой более 50 МГц, что давало шанс увидеть распад хиггса на регистрируемые частицы, например гамма-кванты. Из трех проектов выжил только LHC, который и принес долгожданный результат.
Теперь нам более понятно мироустройство и ясно, куда дальше пойдет физика. Скорее всего, уточнение параметров новых частиц займет лет 10. А затем развернется экспериментальный поиск темной материи. Как она возникает, как взаимодействует с той, которую мы ощущаем, действительно ли мироздание имеет слоистую структуру, как утверждают новомодные теории, есть ли связь «черных дыр» и гипотетических «белых», можно ли по этим «червоточинам» сообщаться с другими вселенными? На все эти вопросы человечество когда-нибудь найдет ответ.
— Как родилась идея синтеза кристаллов вольфрамата свинца?
— Когда задумывался LHC, в общих чертах было понятно, что электромагнитный калориметр должен содержать тысячи так называемых сцинтилляционных, то есть детекторных, монокристаллов, обращенных торцами к точке столкновения встречных пучков высокоэнергетических частиц. Попадая в кристаллы, осколки этих частиц должны давать вспышки света, которые будут фиксироваться и анализироваться. При этом заряженные продукты требуется отклонять в поле сверхпроводящего магнита для отделения их от нейтральных частиц. Предполагалось, что сам хиггс останется невидимым, но его могут выдать фотоны, образующиеся при распаде.
И все бы хорошо, но тогда, в конце 80-х, когда ученые на салфетках в кафетериях ЦЕРНа рисовали свои замыслы, кристаллов, обладающих необходимой радиационной стойкостью, сочетающих высокую тормозную способность и быстродействие, в природе не было. Поэтому в рамках проекта LHC было проведено исследование, итогом которого стало предложение использовать в качестве сцинтиллятора кристаллов фторида церия. Но эта идея так и осталась на бумаге, поскольку априори стало понятно, что достичь требуемого качества не удастся. Но параллельно отдел экспериментальной физики Института физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино, Россия) организовал в конце 80-х годов методическую работу по новым материалам, которую возглавил Василий Качанов, известный специалист в области калориметрических детекторов. Именно к нему меня, только что защитившего кандидатскую диссертацию, и направил директор нашего института профессор Владимир Барышевский, чтобы обсудить появившиеся у нас идеи.
— А как у вас эти идеи возникли, если вы в то время не занимались проблемами Большого адронного коллайдера?
— Дело в том, что мы тогда работали над детекторами ионизирующего излучения для специализированной космической техники, получили интересные результаты, но в этот момент распался СССР, и исследования остановились. А проект LHC был прекрасным шансом пристроить оборонную разработку в гражданской области. Находка же наша состояла в том, что были обнаружены перспективные соединения вольфрама и свинца, которые, как мы были уверены, решали проблемы детектора на ускорителе.
Уже первые обсуждения этих предложений с Василием Качановым выявили перспективность нового направления и легли в основу творческого союза нашего института и отдела ИФВЭ, руководимого академиком Юрием Прокошкиным. Первые совместные результаты измерений были опубликованы уже через полгода в центральном международном ядерно-физическом журнале. Наша статья закрепила приоритет российских и белорусских ученых и открыла дорогу вольфраматам в физику высоких энергий. Теперь это уже классика.
— Первый кристалл вольфрамата свинца синтезировали в Минске?
— Нет. Для этого у нас не было необходимого оборудования. Мы сделали все теоретические расчеты, подготовили регламенты, а сам кристалл в начале 1991 года вырастили по нашему заказу в Институте монокристаллов НАН Украины. Он был всесторонне изучен в России на пучках электронов, и данные были обнародованы в ЦЕРНе на международной конференции CRYSTAL 2000, Chamonix, 1992 года в совместном докладе, представленном Василием Качановым. Резонанс был столь велик, что стало очевидным: у материала есть будущее.
Промышленное производство решено было организовать в России, на Богородицком заводе технохимических изделий. Уже в марте 1993 года там были изготовлены первые образцы, тесты которых на ускорителе в Протвино показали, что материал PbWO4 обладает уникальной комбинацией свойств. Это подтвердили и тесты макета калориметра с нашими кристаллами, которые были проведены в ЦЕРНе. Результаты оказались столь впечатляющими, что руководство коллаборации CMS полностью пересмотрело концепцию своей установки и в сентябре 1994 года приняло сцинтиллятор вольфрамата свинца в качестве основы для электромагнитного калориметра.
— Как я понимаю, лавры первооткрывателей у вас с россиянами общие. А дальнейшие исследования проводите также совместно?
— Нет. Вступив в 1996 году в коллаборацию CMS, НИИ ЯП и ИФВЭ получили различные участки ответственности. Качанов возглавил разработку наиболее ответственных частей детектора — торцевых калориметров, а наш институт взял на себя научное руководство производством кристаллов вольфрамата свинца в Богородицке. Надо сказать, что для массового производства это очень непростая продукция, но понимание физических процессов, происходящих в кристалле, позволило нам в сотрудничестве с заводскими специалистами оптимизировать технологию и довести ее до уровня спецификации детекторов на LHC. За годы работы с вольфраматом свинца в НИИ ЯП возникла школа по созданию технологий детекторных материалов, теперь уже признанная в мире.
Внедрение сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца в физику высоких энергий обеспечило ей реальный прорыв в области прецизионной электромагнитной калориметрии, что позволило уже во второй год функционирования ускорителя LHC достичь основной цели программы — обнаружить бозон Хиггса.
— Итак, хиггс обнаружен, какое-то время коллайдер поработает, чтобы уточнить параметры новой частицы. А что дальше?
— То, что будет дальше, зависит от того, к какому выводу мы с российскими партнерами придем, оценивая эволюцию кристаллов. Ведь стоит задача увеличить светимость ускорителя LHC на порядок после 2018 года, а это означает, что не только возрастут радиационные нагрузки, но и существенно поменяется состав ионизирующего излучения. В нем появятся более массивные частицы — протоны и нейтроны, которые могут инициировать в кристалле ядерные реакции и химические превращения, способные приводить к возникновению дефектов. Чтобы проверить эти эффекты, требуется очень много времени, так как после каждого радиационного воздействия кристалл должен «остывать» несколько месяцев, то есть терять наведенную радиоактивность, а всего процесс подготовки, облучения и измерения параметров после такого сеанса занимает один год. Можно себе представить, с какой тщательностью должна быть проделана предварительная работа, чтобы из-за ошибки не потерять год.
К 2015 году мы подготовим экспертное заключение, и тогда станет ясно, что надо менять в установке, а что можно оставить так, как есть. Но уже сегодня, после двух сессий измерений, проведенных нами в ЦЕРНе, можно сказать, что худшие ожидания, к счастью, не подтверждаются. Было установлено, что повреждение тяжелых кристаллических соединений протонами высоких энергий не является необратимым, и это в корне меняет подход к оценке живучести материалов в условиях сильных радиаионных полей. Другими словами, большой модернизации, связанной с заменой кристаллов, коллайдер не потребует и еще принесет много интересных результатов.
