Кристаллы для адронного коллайдера придумали белорусские ученые

Кристаллы для адронного коллайдера придумали белорусские ученые

Магическим могут назвать историки науки кристалл вольфрамата свинца, когда с его помощью на Большом адронном коллайдере (LHC) исследователи наконец-то увидят следы неуловимого бозона Хиггса. Эта теоретически предсказанная элементарная частица, в обиходе физиков — хиггс, из-за своей фундаментальной значимости называемая еще "частицей Бога", позволит ответить на ключевой вопрос: что является носителем массы во Вселенной и, стало быть, даст возможность достроить недостающее звено теории мироздания. Впрочем, отрицательный результат в науке тоже результат. И если существование хиггса не докажут, возможно, пересмотрят и теорию.

Я держу в руках этот синтетический кристалл — очень тяжелый массивный стержень длиной пару десятков сантиметров. Прозрачный, как бриллиант, бесцветный, PbWO4 вполне мог бы быть ювелирным камнем. Но предназначение у него другое. Он служит детектором, или, как говорят физики, сцинтиллятором, в составе электромагнитных калориметров в двух экспериментах, ALICE и CMS, на знаменитом ускорителе. Вернее, таких камушков в гигантском детекторе 80 тысяч и их общий объем составляет более 11 кубометров! Обращенные торцами в месту столкновения высокоэнергетических частиц, самые тяжелые в мире синтетические кристаллы принимают на себя электромагнитный ливень и реагируют на него вспышками света. Их, эти вспышки, фиксируют и анализируют экспериментаторы, рассчитывая увидеть следы хиггса.

"Кристаллы PbWO4 для электромагнитного спектрометра РНОС — главный вклад России в эксперимент ALICE", — пишет известный научный журнал в статье об участии ученых соседней страны в программе LHC. Тогда, спросите вы, что делает этот кристалл в отделе физики высоких энергий НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета, где мне его показывают? И я отвечу: идея применения и способ получения вольфрамата свинца родились здесь, а выращивают его, действительно, в России.

Более того, не Богородицкий завод технохимических изделий в Тульской области, а Лидский завод "Оптик" мог бы быть сегодня мировым монополистом на рынке этой уникальной продукции. Но тогда, в 1995 году, когда представительная делегация Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) приехала в Беларусь, чтобы предложить стране, создавшей лучший материал для электромагнитной калориметрии на коллайдере, организовать производство кристаллов, ей было отказано. В Мин­проме решили, что нам это ни к чему, у нас другие проблемы. Хотя развивать производство предлагалось преимущественно на европейские деньги, а выполнение заказа принесло бы, не говоря о росте престижа страны, солидную выручку — более 40 миллионов евро, как потом посчитали.

— Мы не случайно смогли предложить европейцам ложку к обеду, так как способ получения монокристалла вольфрамата свинца разрабатывали по оборонной тематике еще в советское время, — поясняет заведующий отделом НИИ ядерных проблем БГУ доктор физико-математических наук Михаил Коржик. — Этот стойкий к радиационному воздействию материал планировалось использовать в качестве детектора для систем пучкового оружия космического базирования, и в коллайдере он, по сути, играет ту же роль. Смена заказчика позволила нам не растерять накопленный потенциал, и мы уже совместно с россиянами — Институтом физики высоких энергий — продолжили исследования по программе Международного научно-технического центра (МНТЦ). Именно разработка нашего материа­ла и позволила приступить к созданию на коллайдере экспериментальных установок CMS и ALICE, нацеленных на открытие хиггса и кварк-глюонной плазмы. Продолжаем совершенствовать свой кристалл и сегодня — помогаем российским производителям повышать устойчивость материала к разрушающему действию частиц высоких энергий, работая на коллайдере, контролируем состояние детектора и использование предложенных нами средств для продления его жизни.

Эти средства и методы помогают так эффективно компенсировать в кристалле возникающие в ходе бомбардировки дополнительные дефекты, что ухудшение свойств детекторов из-за новых изъянов кристаллической решетки на результатах экспериментов нисколько не сказывается. Благодаря такой "терапии" коллайдер, постоянно наращивая светимость, будет работать с одними и теми же детекторами до 10 лет. Планируется, что за это время цель будет достигнута.

До недавних пор речь шла преимущественно о калибровке экспериментальных установок, но в последних опытах, при которых сталкивались ионы свинца, впервые было обнаружено неизвестное науке явление — эффект так называемого тушения струй продуктов взаимодействия, и белорусские физики-ядерщики гордятся этим наравне с европейскими коллегами. Радует их и то, что вольфрамат свинца уже вышел за пределы ЦЕРН и стал самым массовым сцинтилляционным материалом в физике высоких энергий.

Он будет востребован, например, и в мощном ускорительно-накопительном комплексе в Дармштадте (Германия), решение о строительстве которого принято, и ученых НИИ ядерных проблем БГУ немцы уже попросили адаптировать кристалл к их экспериментам. На очереди также строительство Международного линейного коллайдера, и опять-таки без участия белорусов этот проект не обойдется. К слову, новый материал потребуется не только на ускорителях для решения фундаментальных проблем физики, но и в ядерной медицине, экологии, космических исследованиях. Стойкие к радиации детекторы перспективны и для устройств дистанционного контроля делящихся материалов и состава перемещаемых на транспорте грузов, то есть для систем, обеспечивающих защиту от терроризма.

— Чем для нашей страны важно участие в подобных международных проектах? — задает вопрос Михаил Коржик, и сам же отвечает: — Тем, что, делегируя наиболее талантливую молодежь туда, где есть серьезные научные инструменты, где она может впитать самые передовые научные идеи, мы получаем прекрасно подготовленных специалистов, способных работать на мировом уровне. Но, к сожалению, наша высшая школа, в отличие от, например, российской, не предусматривает целенаправленных программ таких поездок, и если они очень редко и случаются, то на деньги, самостоятельно добытые нами в МНТЦ или еще где-либо на стороне. У нас нет денег даже на то, чтобы получать информацию с ускорителя в режиме on-line и анализировать данные на месте. А если мы не участвуем в обработке информации, то вроде и отношения к общему делу не имеем. Ведь суть коллаборации, в которой мы состоим, в том, что все институты, если они хотят претендовать на авторство, оплачивают участие своих людей в работе коллайдера самостоятельно. У нас такой возможности нет, хотя научный вклад в проект весомый. Единственное, что нам доступно, это так называемое пучковое время, когда ЦЕРН оплачивает редкие и краткосрочные командировки на ускоритель для обслуживания детектора и методических работ. Думаю, что обеспечить достойное участие белорусских ученых в престижном и очень важном для развития физической науки проекте республике по силам. Для этого нужен целевой командировочный фонд на 10 человекомесяцев, то есть 40 тысяч долларов, чтобы можно было "прокрутить" через LHC лучших студентов и аспирантов. Уверен, что за счет роста квалификации молодых ученых расходы быстро окупятся.