Доц. д-р Леандър Литов води лекции по квантова физика в СУ „Св. Климент Охридски“ и ръководи работата на екипа от СУ в Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) по проекта за Големия адронен ускорител (LHC). Има над 400 научни публикации в сферата на атомната физика, организатор е на конференции и работни срещи, ръководи работата на различни екипи в големи международни изследователски центрове. От 2011 г. е член на Съвета на ЦЕРН.
Достиженията, които станаха известни през лятото на миналата година, свързани с откриването на Божествената частица – Хигс бозона, са следствие от 20 годишен труд на 10 хиляди човека. Колко българи са работили в ЦЕРН и какво е изобщо е ЦЕРН?
Да започнем така – първо тази частица не е Божествена и второ – открихме я.
Защо не е Божествена частица?
Защото е частица, която се ражда, живее изключително кратко време (10-23 сек.) и умира. Ние наблюдаваме не самите частици, а продуктите на които се разпадат.
ЦЕРН е международна междуправителствена организация, създадена 1954 г. Български физици я посещават още през 60-те години, но първите започват работа отпреди двадесетина години.
ЦЕРН е първата европейска структура, която официално прие България за страна членка през 1999 г. и едва след това бяхме приети в другите европейски структури. Причината е, че ние отдавна работим в тази организация и че българската физика на елементарните частици е наистина на достатъчно високо ниво и приносът на българските учени беше оценен. Затова относително бързо и лесно влязохме в тази организация.
По своята същност ЦЕРН представлява огромна инфраструктура – огромен ускорителен комплекс, в който са съсредоточени усилията на всички страни членки, плюс тези на много държави от цял свят, които не са включени в структурата, но участват в изследванията.
Българското участие е много разнообразно и покрива широк спектър. Това, което се вижда в момента, е нашето участие в програмата от изследвания на големия адронен колайдер – сложен проект, чиято подготовка и реализация трае дълго време. Както изграждането на ускорителя, така и на детекторите, които работят на него, отне близо 20 години на много хора.
Интересен и любопитен факт е, че когато започвахме работа по подготоката на експеримента CMS (Компактен Мюонен Соленоид) преди повече от 20 години и днес се гордеем, че сме едни от основателите му, бяхме около 50 – 60 човека. Днес колаборацията CMS наброява над 4000 души.
С ЦЕРН по един или друг начин са свързани около стотина българи, а ако отидете на място винаги ще намерите около трийсетина човека – не са само физици, а инженери, специалисти в информационните технологии, техници. Имаше дори един пожарникар. Така че покриваме пълния спектър от нужди на организацията.
Щатният състав на ЦЕРН е около 2800 души, като от тях 100-150 са физици, а останалите са свързани с изграждането и поддържането на тази инфраструктура – инженери, техници, информатици. В ЦЕРН изследвания провеждат още 10 000 човека от целия свят.
Всеки ли може да отиде в ЦЕРН?
Да.
Защо европейците направиха ускорителя, а не американците или китайците?
Изследванията в областта на физиката на елементарните частици започват в края на Втората световна война. Тогава хората си мислят, че от това ще излезе някакво ново оръжие, подобно на атомната бомба – т.е. първите изследвания са засекретени.
Относително бързо става ясно от една страна, че оръжия не стават, а от друга – че проучванията са много скъпи, което налага обединяването на държави. И става дума не само за парите, които трябва да се вложат, и не само за оборудването, което трябва да се построи – уникална инфраструктура и уникални изследователски установки. Изниква въпросът за уникалния човешки ресурс – достатъчно подготвени специалисти, които да могат да извършват такива изследвания. Затова се ражда идеята за такъв европейски център, който се явява и като част от възстановяването на Западна Европа след Втората световна война.
В същия период – през 1956 г. се създава и Обединеният институт за ядрени изследвания край Дубна, СССР, който пък е обединението на бившия соцлагер свързано с ядрената физика.
Много държави развиваха собствени програми. Някъде в началото на 90-те години първо Русия започна да строи нов голям ускорител, с енергии, които трябваше да бъдат три тера електронволта (3 TeV). В САЩ, в Тексас, строяха нов огромен ускорител, много по-голям от този LHC, който Европа започна да строи.
Руснаците първи се отказаха от проекта, а през 1993 г. това сториха и американците, след като бяха похарчили вече 6 милиарда долара. Те се присъединиха към ЦЕРН, който постепенно се превърна от европейски в световен лидер в областта на изследванията на елементарните частици. Скъпите и сложни изследвания наложиха обединяване на усилията.
Когато се говори за цената на научните изследвания, прави впечатление, че бюджетът на ЦЕРН е изключително прозрачен. Все пак колко струва на България участието в проекта?
В момента годишният бюджет на организацията е 1 милиард и 200 милиона швейцарски франка. Вноските на държавите се определят пропорционално на техния брутен вътрешен продукт (БВП). Така че Германия, като с най-голям, внася около 200 милиона швейцарски франка, а България е страната с най-малък БВП, поради което и внася най-малко пари. За миналата както и за тази година вноската е около 3 милиона швейцарски франка.
Да отбележим ползата за хората от тези пари, освен за изследванията. Най-напред тази инфраструктура трябва да е изграждана и поддържана. Половината от бюджета на ЦЕРН отива за поддържането – т.е. за индустриални поръчки в страните членки. Така че половината от вноските на държавите се връщат в самите тях във вид на инвестиции. За България възвращаемостта е над 50%. Откакто страната ни е член на организацията, сме платили малко под 28 милиона швейцарски франка – това е от 1999 г. до днес, и сме вкарали в българската индустрия поръчки за над 14 милиона швейцарски франка. Правено е специално изследване, което показва, че фирма, произвела продукция за 1 швейцарски франк за ЦЕРН, получава в последствие поръчки за още три швейцарски франка. Не знам за България как стоят точно цифрите, но можем спокойно да предположим, че тези 14 милиона са довели поне още толкова или дори два пъти по толкова поръчки благодарение на ЦЕРН. Работата за ЦЕРН е огромна реклама.
Вторият и по-интересен момент е, че в процеса на реализация на научните изследвания се налага развиването на много нови технологии, които също се връщат и навлизат във всекидневието. Никой не е изчислявал икономическият ефект, но един пример е красноречив. Разработката на ЦЕРН – www (World Wide Web), е дадена на света безвъзмездно. Представете си, ако днес една фирма държеше пълните права, светът не би могъл да мръдне и крачка напред. Само с този продукт ЦЕРН си е изкупил цялото финансиране от деня на неговото основаване до днес.
Друга важна заслуга на ЦЕРН е навлизането на технологии в областта на медицината. Образната диагностика е на базата на детектори, разработени за ядрената физика. Много от методите за лечение на онкологични заболявания се разработват благодарение на достижения във физиката.
Не е нужно да говорим за ползите за електрониката – очевидно е, че тези разработки навлизат под различна форма във всекидневието.
Да поговорим за самото откритие. Колко Хигс бозона открихте?
Нашият метод за опознаване на света е, като на базата на наличните наблюдения и знания строим модели. След това проверяваме в каква степен те описват действителността, както и техните предсказания за нови явления. В случая с физиката на елементарните частици ние се опитваме да отговорим на два въпроса – кои са фундаменталните съставящи на материята и как те взаимодействат помежду си. Имаме си модел, който наричаме Стандартен, и който отразява нашето съвременно ниво на знание. В рамките на този модел съвсем до скоро нямахме отговор на един въпрос – откъде се взима масата на всички тези частици.
През 1964 г. Питър Хигс и негови колеги изказват хипотезата, че навсякъде във Вселената съществува едно поле и всички частици, с изключение на фотоните и глуоните, взаимодействат с него и в резултат на това взаимодействие получават маса. Ако тази хипотеза е вярна, то от нея следва, че трябва да съществува и една частица – квантово възбуждение на това поле и генетично свързана с него, която е наречена Хигс бозон.
Единственият начин да разберем дали тази хипотеза е вярна е да наблюдаваме този Хигс бозон. От 48 години насам се опитваме да го видим и да му изучим свойствата. За първи път успяхме миналата година през юли.
Регистрирали сме няколкостотин такива Хигс бозона и през втората половина на 2012 г. набрахме още статистика – т.е. повече от тези частици, като целта е по-внимателно да изучим техните свойства. Това правим в момента.
Още през юли учените бяха много предпазливи и твърдяха, че откритата частица е кандидат за Хигс бозон.
Еднозначно може да твърдим, че наблюдаваме нова частица, с маса от 125 гига електронволта, т.е. тя е 125 пъти по-тежка от протона. С точността, с която можем да измерим свойствата на тази нова частица, тя отговаря на тези на Хигс бозона от Стандартния модел. Разполагахме с твърде малко статистика, за да кажем дали е Хигс бозона или е някакъв малко по-различен негов първи братовчед. Проблемът е, че този Стандартен модел описва някъде около 4% от съдържимото във Вселената. Ние имаме много други модели, които обобщават Стандартния модел и го съдържат в себе си като частен случай.
Една от основните задачи, които преследваме с този ускорител, е да проверим всички тези модели, които надстройват Стандартния модел и да кажем кой от тях има нещо общо с истината. В рамките на тези разширения на Стандартния модел има много частици, които приличат на Хигс бозона, но малко се отличават от него. Задачата пред нас е да се опитаме да кажем дали това е Хигс бозона от Стандартния модел. Вече имаме достатъчно данни и се надяваме до март-април да ги обработим и да кажем малко повече.
Няма никакво съмнение, че имаме историческо откритие – нова частица от типа на Хигс бозона. Сега трябва да разберем дали сме в рамките на Стандартния модел и вече сме го окомплектовали или за първи път наблюдаваме нещо извън Стандартния модел и това ще бъде революционно откритие.
Отпада ли нещо от теориите на физиците от Втората световна война насам? Може ли да се говори за стоп, рестарт на физиката?
Всички говорят какво сме открили и никой не казва какво сме закрили. Работата е там, че в процеса на тези изследвания ние закрихме много голяма част от тези разширения на Стандартния модел. Т.е. ние освен че открихме нещо, ние закрихме много наши хипотези, които се оказаха може би не съвсем точни. А това също е огромно достижение. Защото преди сме търсили нещо сред хиляда неща, а сега го търсим сред десет. А ако не го намерим сред тези десет – ще трябва да направим нещо ново. Така че не можем да говорим за стоп. Откритието на Хигс бозона е изключително важен етап.
Физиците отдавна се опитват да намерят един универсален модел, с който да обяснят всичко. Според струнната теория този универсален модел би работил в 10-мерно пространство. След откриването на Хигс бозона колко мерно ни е пространството?
В природата ние познаваме четири взаимодействия. Нашият модел описва три от тях – силни, слаби и електромагнитни, но не знаем как да включим в него гравитацията. Това, което не ни е ясно в действителност, е каква е структурата на пространство-времето. Защото както въпросът за гравитацията, така и въпросът за масата са неща, свързани със структурата на пространство-времето. Така че големият въпрос, който стои пред нас, е как да обединим тези четири взаимодействия – как да обединим гравитацията с останалите три взаимодействия и да разберем каква е структурата на пространство-времето. Оказва се, че ние до момента познаваме един единствен начин, по който можем да обединяваме тези четири взаимодействия. Той се нарича суперсиметрия – т.е. предполага се, че има по-висока симетрия в света на елементарните частици, откъдето мълниеносно следва, че всяка наша фундаментална частица има симетричен, но доста по-тежък от нея партньор, който не сме наблюдавали до момента. В рамките на тези суперсиметрични модели възникват въпросните струнни модели и се оказва, че могат да са смислени, единствено ако светът е 10-мерен.
Тук се връщаме към стария въпрос колко мерно е пространство-времето. Със сигурност знаем, е че е четири. Но нищо не му пречи да е десетмерно, като допълнителните 6 измерения по една или друга причина не ги виждаме и не ги усещаме. Но имаме начини да проверим дали те съществуват. И това е една от задачите на ускорителя – да определим колко мерно е пространство-времето. Е, отговорът, който имаме до момента, е, че е четиримерно. Досега не сме наблюдавали нови частици, нови явления, които да доказват, че имаме повече от четири измерения.
Какво е тъмна материя?
Хубав въпрос, ако някой може да отговори, веднага ще му дадат Нобелова награда. Като се изследва движението на звездите около центъра на галактиката към която принадлежат, може да се определи нейната маса.
Оказало се, че масата на галактиките е доста по-голяма от тяхната видима маса – това е масата на звездите в нея – т.е. материята която излъчва светлина и масата на междузвездния прах – материя която поглъща светлина.
Очевидно в галактиките, освен звезди и междузвезден прах има още някаква материя, която наричаме тъмна материя, защото не излъчва и не поглъща светлина. Но по нейните гравитационни свойства знаем, че съществува. Оказва се, че тази материя представлява горе долу 23% от пълната маса на Вселената. А материята, от която сме направени ние, е само 4% от съдържимото на Вселената. Излиза, че тъмната материя е много повече от обикновената. За галактика от типа на нашата, тя е около десетина пъти повече отколкото светещата материя.
Знаем още, че нито една частица от тези в Стандартния модел не отговаря за тази тъмна материя. Ние не знаем от какво е съставена, но имаме силни надежди, че с изследванията провеждани на ускорителя LHC можем да отговорим на този въпроса.
Физиците използват едно странно определение – кинетична енергия на летящ комар? Какво представлява то?
Около 7 TeV – т.е. енергията до която ускоряваме протоните в LHC.
Спрян ли е днес ускорителят?
Спрян е на 14 февруари. Работихме в режим на сблъсъци на протони с оловни ядра – специални изследвания, свързани с изучаването на свойствата на едно ново състояние на материята, което се нарича кварк-глуонна плазма. То е съществувало една милионна от секундната след раждането на Вселената.
Това спиране на ускорителя е планово и ще продължи близо две години. Искаме да подобрим системите на ускорителя и той да работи с близо два пъти по-висока енергия и с много по-интензивни снопове от частици. Също искаме да извършим ремонтни дейности по детекторите, както и да ги доизградим. После ще следват две години на набиране на данни.
Вярно ли е, че ще търсите после тъмната материя?
Може да се каже, че е вярно. Работата е, че ние не наблюдаваме нови частици подходящи кандидати за тъмна материя. За да открием тъмната материя, ние трябва да открием нова частица. Надеждата ни е, че като повишим енергията на ускорителя, ние ще можем да раждаме частици с по-големи маси. И ако се окаже, че тъмната материя е съставена от частици с по-големи маси, ние евентуално ще ги наблюдаваме.
Къде са геодезистите в цялата работа?
Веднага ще ви кажа, че работата им е на изключително високо ниво. Например трябва да се прокопае 27-километров тунела под земята в кръг. Всичко е много прецизно. Ние ускоряваме 2 снопа протони в противоположни направления, които се сблъскват на 4 места в ускорителя. Те са на групички от 1011 или 100 милиарда протона. Размерът на тази групичка е 100 на 100 микрона и с дължина около сантиметър. Преди да се сблъскат сноповете ние допълнително фокусираме тези групички. Представете си мишена и куршум 16 на 16 микрона на разстояние 27 км и трябва да ги уцелите.
Сноповете се управляват с помощта на 9600 магнита и всичко трябва да е точно. 11 хиляди пъти в секунда групичката протони обикаля ускорителя. А в момента работим с 1400 групи протони. Накратко – изисква се прецизно измерване и позициониране на всички елементи на ускорителя.
Какво е проектът Опера? Има ли частици, по-бързи от светлината?
Това е експеримент за изследване на осцилации на неутриното. Неутриното е елементарна частици с малка маса близка да нула, която взаимодейства изключително слабо със средата през която минава. Ние плуваме в море от неутрина – в момента през нас минават 1014 неутрина в секунда и ние не ги усещаме. В ЦЕРН раждаме неутрина и ги насочваме много точно към Гран Сасо – подземен тунел в Италия на разстояние 730 км от ЦЕРН. Там регистрират тези неутрина. Що се отнася до това дали са по-бързи от светлината – трябва да сме коректни. Учените показаха измерванията си и последваха нови. Оказа се проблем при измерванията заради лош контакт между два оптически конектора. Проведени са допълнителни изследвания. Неутриното се движи със скорост много близка до скоростта на светлината, но по-малко от нея.
Как учен обяснява толкова сложни неща ясно на хората?
Зад на пръв поглед простите неща стои изключително сложна наука. Става дума както за моделите, които сторим и използваме, където математиката е много сложна, така и за експериментите от техническа гледна точка. Трудно е да се разказва просто, така че хората да разберат, защото всяко опростяване води до неточност, а трябва да се намери границата където хем да е просто, хем да е вярно. Изисква се много дълбоко разбиране на материята.
Кога ще имаме новини?
През април и май, на пролетните конференции. До тогава ще обработим данните от юли насам, чиито обемът е над 23 пета байта данни.
Възможно ли е да се построи нов свят – т.е. след Хигс бозона да се реконструира нова вселена в „домашни“ условия – т.е. в/чрез ускорителя?
Не!
