Леандър Литов: Накъде след откриването на хигс бозона

Дори след последното научно откритие на Европейския център за ядрени изследвания край Женева (CERN.ch) - хигс бозона, с което беше "окомплектован" т.нар. стандартен модел във физиката, ние познаваме само 4% от Вселената.

Днес се опитваме да отговорим и на въпроса от какво се състои тъмната материя и каква е причината, поради която Вселената се разширява.

Това каза в интервю за Vesti.bg. доц. Леандър Литов, който оглавява Катедрата по атомна физика в СУ "Св. Климент Охридски" и ръководи българския екип към ЦЕРН.

Той разказа за българския принос в дизайна на т.нар. адронен калориметър - една от основните подсистеми на детектора CMS. "Можем да кажем, че той е практически изцяло български. Освен това половината от този детектор фактически беше произведен в България. Това, което е произведено в България, тежи 700 тона", отбеляза доц. Литов. Ето и пълният текст на интервюто на Севделина Николова:

 - Доц. Литов, ще ни разкажете ли повече за последното научно откритие на ЦЕРН - хигс бозона, и за това как стигнахте до него?

- С две думи, историята е следната: ние се опитваме да построим модел на света, който ни заобикаля, и имаме модел, който работи - нарича се Стандартен модел. Само че в рамките на този модел досега нямаше ясен отговор откъде се взима масата на частиците. В рамките на този модел ние предполагаме, че съществуват 12 фундаментални частици. Шест от тях наричаме кварки, протоните и неутроните са направени от кварки. Ако кварките имат маса, то и протоните и неутроните имат маса. Имаме и още 6 лептона. Това са базовите частици, тухличките, от които е изградено всичко около нас.

В рамките на Стандартния модел през 1964 г. Питър Хигс и негови колеги изказаха хипотеза, че навсякъде в пространството съществува едно поле и всички частици, освен фотоните и глуоните, взаимодействат с това поле, като в резултат на това взаимодействие получават маса. Ако тази хипотеза е вярна, трябва да съществува и още една частица, която е свързана с това хигсово поле, но не е самото поле. Тя е нормална частица, тя се ражда, живее известно време и се разпада.

- Тя живее изключително малко, така ли?

- Да. Тя се ражда и практически мигновено се разпада.

- Тя ли дава маса на останалите частици?

 - Тя не дава маса на никого, маса на всички останали частици дава полето. А ако него го има, то и тя трябва да съществува. Полето е навсякъде, докато тя се ражда, живее за кратко и умира както всички останали нормални частици.

- Защо тогава беше открита толкова трудно?

- Основната причина е, че се оказа, че тя има доста висока маса - хигс бозонът е почти 130 пъти по-тежък от протона. За да се роди по-тежка частица, ни е необходима много по-висока енергия, за да обърнем тази енергия в маса. Досега нямахме толкова мощен ускорител, който може да ражда такива частици.

- За да бъде доказана, тя трябва да бъде създадена наново ли?

- Това е кратко живуща частица и за да я наблюдаваме, ние трябва да я родим по някакъв начин: ние сблъскваме протони и в резултат на сблъсъка им, макар и много рядко, но се случва, да се роди хигс бозон.

- В какъв процент от случаите става това?

- Това е десет на минус десета степен - това е една десетомилиардна. На 10 млрд. сблъсъка на протон с протон се ражда такъв бозон. Така първият ни проблем беше, че трябва да имаме много висока енергия, за да можем да ги родим, и вторият проблем е как да извадим от тези 10 млрд. събития едното, което нас ни интересува. Задачата да търсим игла в купа сено е тривиална на фона на това да измъкнем от тези 10 млрд. събития хигс бозона. На всичко отгоре ни трябват достатъчно количество от тези частици.

- Колко хигс бозона бяха открити?

- Грубо казано, няколкостотин.

- Те вече са умрели?

- Да. Тази частица се ражда и живее десет на минус двадесет и трети от секундата. Имаме огромен фон и от него трябва да извадим тази частица. За да направим това, ние обаче не регистрираме самата частица, а регистрираме продуктите на разпад на тази частица. Наблюдаваме например разпада на хигс бозона на два фотона или на четири електрона, или на 4 миона. Това са каналите, които ние следим.

- Какво следва оттук натам за доказването на тази частица?

- В рамките на Стандартния модел са предсказани определени характеристики на този хигс бозон. Това, което обаче не се знаеше досега, е колко е неговата маса. Наблюдаваните досега характеристики на тази частица много приличат на това, което предсказва Стандартният модел.

- Той се разработва от Айнщайн нататък ли?

- Да. От 60-те години на миналия век, като интересното за него е, че всички негови хипотези се потвърждават до момента.

- Има ли и други частици, чието съществуване предстои да бъдe доказано?

- Тук идваме до втория проблем, който е действително по-сериозен. Когато започнахме тези изследвания на ускорителя, на големия адронен колайдер в ЦЕРН, ние си поставихме две огромни задачи: едната е да "окомплектоваме" Стандартния модел, защото единствената част, която липсваше от него, беше хигс бозонът - сега можем да считаме, че в първо приближение сме го окомплектовали.

Вторият проблем е доста по-сериозен в действителност, защото се оказва, че този Стандартен модел описва около 4% от съдържанието на Вселената и се пита какво стои зад съдържанието на останалите 96%. Когато хората са изследвали движението на галактиките и как те се привличат една друга, са установили, че в действителност тяхната маса би трябвало да бъда по-голяма, отколкото е видимата им маса - тази, която можем да припишем на звезди, звезден прах и т.н.

Това може да се изчисли и се оказва, че 23% от масата на Вселената е съставена от материя, която ние не познаваме. Тази материя не излъчва и не поглъща светлина, поради което се нарича тъмна материя. Това, което ние със сигурност знаем, е, че тази материя не е съставена от тези частици, които са в Стандартния модел, а от нещо друго.

Вторият въпрос е по-интересен: ние установихме, че Вселената се разширява, т.е. галактиките се разбягват. При това разширението се ускорява. Ако тя се разширява ускоряващо, това означава, че действа някаква сила, която я кара да се разширява. Пита се коя е тази сила - какъв е източникът на това разширение. Ние не знаем отговора. Може да е някаква сила от типа на антигравитацията, може и да е просто свързано със свойствата на пространство-времето.

Обаче това, което можем да направим, е да пресметнем каква част от пълната енергия на Вселената отива за това разширение. Оказва се, че 73% от енергията във Вселената отива за разширението й - 73% плюс 23% прави 96%. Така за това, което ние знаем и познаваме, остават едни 4%.

Другият въпрос, на който се опитваме да отговорим, е от какво се състои тъмната материя и каква е причината, поради която Вселената се разширява.

- Отговор на този въпрос се търси извън този Стандартен модел, така ли?

- Точно така. Представете си една картина, някой ви е показал от тази картина едно ъгълче - 4% от нея. Вие сте изучили много добре това ъгълче и знаете, че има още нещо - едни 96%, адски ви се иска да видите какво има на картината, и сега се опитвате да вдигнете завесата. За целта трябва да наблюдавате нещо извън тези 4%. Това се нарича нова физика: някакви физически явления или частици, които не се описват от Стандартния модел. И това е втората основна задача на изследванията ни. Иначе имаме един куп теории, които се опитват да обяснят тези неща.

- Теорията за черните дупки една от тях ли е, или тя се вписва в Стандартния модел?

- Там всичко се вписва и няма проблем. Има теории, които съдържат Стандартния модел като своя съставна част, но претендират, че описват по-широко нещата и света. Трябва да проверим кой от тези модели е верен. Всички те предсказват някакви нови частици и физически явления, ние се опитваме да ги наблюдаваме.

- В миналото имаше политически, а и идеологически деления на Източен и Западен блок. Има ли и днес деления, вече в полето на теоретичната физика, които да ни помогнат да се ориентираме за случващото се?

- Това не са въпроси на теоретичната физика, това са въпроси на физиката: абсолютно неправилно е да се дели физиката на теоретичтна и експериментална. Ние имаме някакъв модел, който условно можем да наречем теоретичен, но той е абсолютно безсмислен, ако вие не го проверите експериментално. Така че тези две неща вървят ръка за ръка и си влияят едно на друго. Ние нещо мерим, хората коригират моделите си, след това пак мерим. Това е формално деление, но тотално неправилно. Физиката е единна.

- Добре. И все пак какви разделителни линии - политически или други, съществуват във физиката днес? Останаха ли идеологеми?

- Не, няма идеологеми. ЦЕРН е създаден през 1954 г. Това е моментът, в който хората са осъзнали, че във физиката на елементарните частици най-доброто решение е да обединят силите и ресурсите си, тъй като тези изследвания са доста тежки и скъпи. Почти едновременно с това - през 1956 г., се създава Обединеният институт за ядрени изследвания в Дубна, в Русия. Това е аналогът на ЦЕРН, който също е концентриран в областта на ядрената физика и физиката на елементарните частици. Оттогава тръгва един процес, с който хората осъзнават, че е добре да се обединяват, а не да се разделят.

В някаква степен кристализация на този процес е съвременното състояние в областта на физиката на елементарните частици, защото ЦЕРН е създаден като европейска организация, има 20 страни членки, асоциирани членове и кандидат-членове. Тъй като това в научно отношение е лидиращата организация в света, разполагаща с уникална инфраструктура, реално в него участва целият свят. В момента тече процес на превръщане на организацията от европейска в световна. Наскоро приехме Израел, който е първата неевропейска държава.

- Русия членува ли в ЦЕРН? А САЩ?

- Русия не членува, но преди един месец подаде официално искане за асоциирано членство в ЦЕРН. САЩ засега мълчат, защото там задачата не е чак толкова проста. Но в ЦЕРН тече това обединение, защото там е съсредоточен целият финансов и човешки ресурс, с който светът разполага в тази област. Веригата от ускорители, които работят в ЦЕРН, завършваща с този голям адронен колайдер, тази инфраструктура се поддържа от около 3000 души - това са щатните служители в ЦЕРН, но на нея работят още 10 хил. човека.

- България откога членува в ЦЕРН и колко българи работят там?

- Страната ни е пълноправен член от 1999 г. По задачи, свързани с ЦЕРН, работят около 90 българи. Но по тези конкретни изследвания, които се провеждат на детектора CMS, където България има изключително сериозно участие, в момента има 32 българи. Можем да се гордеем, че ние участваме от самото начало на създаването на тази програма за изследвания, които ще се правят на ускорителя LHC и цялата история започна преди повече от 20 години.

- Вие от тогава ли работите там?

- Да. Ние се включихме от самото начало, като започнахме с дизайна на детектора: как да изглежда, какви подсистеми с какви характеристики трябва да има. След това преминахме към изследване на прототипи, за да се види, че те отговарят на изискванията, после започнахме да строим и самия детектор. Българският принос е най-напред в дизайна на т.нар. адронен калориметър - това е една от основните подсистеми на детектора CMS. Можем да кажем, че той е практически изцяло български. Освен това половината от този детектор фактически беше произведен в България. Това, което е произведено в България, тежи 700 тона.

- Кога и къде в България е произведено то?

- В тогавашния Комбинат за цветни метали (КЦМ) в Гара Искър. През 1997-1998 г. - в най-тежките и гладни години.

- Значи още преди страната ни да стане пълноправен член на ЦЕРН?

- Да. Вторият ни съществен принос е по изграждането на една система от камери, които регистрират мюони - наричат се камери със съпротивителна плоскост.

- Какво представляват мюоните?

- Това са едни частички, които са по-особени от другите в някакъв смисъл, които държим да ги регистрираме, защото например един от каналите, по които наблюдаваме разпад на хигс бозона, е на четири мюона. Ние заедно с италианските колеги построихме камери с площ над 2 хил. кв. м. България и до момента отговаря за експлоатазцията и поддръжката на системата, която играе и изключително важна роля при наблюдението на хигс бозона, а и не само за него. Създаваме и софтуер за компютърни симулации на реакциите на детектора при различни процеси, които се случват вътре. Участваме и при анализа на данни.

- Откъде са българските учени в ЦЕРН?

- Едната група е от СУ "Св. Климент Охридски", а другата от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика на БАН. Двете групи са почти еднакви по численост - по 15-ина души.

- Вие не харесвате названието "божествена частица", дошло от научно-популярната литература.

- Названието е въведено от нобеловия лауреат Леон Ледерман, който се е опитвал да обясни в научно-популярна книга процеса на генериране на маса. То е поето после от журналистите. Тук става въпрос за поле, което е навсякъде и е сякаш като Господ, който е навсякъде. Аналогията е тази, но тя е абсолютно некоректна. Коректното е хигс бозон и той е кръстен на Питър Хигс, който е въвел тази частица.

- Отразяването на последното откритие беше ли на нивото на неговата значимост? Разбраха ли хората достатъчно за експеримента, за който са отишли толкова много средства, включително и техни?

- За нас е изключително важно да информираме хората за нашите резултати. В крайна сметка обществото заделя средства, които отиват за развитие на науката и то трябва да бъде информирано как се изразходват те. Подходът "Дайте ми пари и не ме питайте какво ще правя" не е правилен и не работи. Затова в ЦЕРН има цели отбори от хора, чиято задача е да разказва на обществото какво правим и каква е ползата за хората. Затова случилото се беше изключително широко отразено в цял свят от всички възможни видове медии - интернет медии, вестници, списания. Откликът е огромен и е резултат от ясното разбиране, че искайки, трябва да даваме и да обясняваме какво даваме.

- А каква е ситуацията у нас?

- Приятно изненадан съм от случващото се през последните години. Откакто започна да се вдига шум около програмата, тя се отразява много широко и адекватно. Има и много голям интерес, което ме прави щастлив, защото от една страна журналистите отразяват една толкова нетривиална материя, а от друга: много по-важно е, че обществото ни не се е изродило в такава степен, че да загуби интереса към това какво се случва по света и какви технологии се разработват и така се поддържа един висок интерес към науката. Това е много важно за самото общество, защото ако и вие млъкнете, нещата ще станат наистина лоши, тъй като ще остане чалгата. Тя обаче няма да ни нахрани, ще ни нахранят високите технологии, научните достижения.

- Как хората ще се ползват от последното откритие?

- Обикновено делят науката на фундаментална и приложна, което е абсолютно неправилно, защото едната без другата не може. Това, на което фундаменталната наука се опитва да отговори, е въпросът как се ражда вселената, какво се е случило през първата една секунда от нейния живот. Част от тази картина е откритието на този хигс бозон. На въпрос това ще промени ли живота на една пенсионерка в България, трябва да отговоря: Не, няма да го промени по никакъв начин. Може би някога, но аз не се наемем да кажа кога и как.

Но нека дам един пример. През 1896 г. Дж. Дж. Томсън открива електрона и когато го попитали какво от това, той отговорил: Трудно е да си представим по-малка и по-ненужна частица от тази, но ето открихме я и нея я има. Сега не можем да си представим света без електричество, нали?!

Никога не е ясно колко бързо от едно откритие ще има практическа полза. Но е ясно, че когато човек прави подобни сложни изследвания, построяването на подобни ускорители фактически води до разработването на нови технологии, които практически веднага навлизат в ежедневния ни живот. Ще ви дам пример само с няколко разработки на ЦЕРН.

Първата я знаят всички. Ние получаваме огромни обеми от данни, които би трябвало да обработваме, и работим в големи колаборации, пръснати по цял свят. Тези хора трябва да имат достъп до тези данни и да могат координирано да работят помежду си. За тази цел за предишното поколение експерименти беше разработен World Wide Web. Това е ЦЕРН-овска разбработка, нещо, което ЦЕРН е дал на целия свят. Трудно е днес да си представим хората без Интернет, "Гугъл", www..

Тъй като в момента обемите информация, с които боравим, са още по-големи, се разработи нова надстройка на www - това е световна мрежа, коята се нарича грид (grid). Разликата е, че освен, че съхранявате информация и имате достъп до нея, при грид имате ресурс да обработвате тази информация. Т.е. вие имате задача, пускате я в мрежата, тя намира свободна мощност, обработва се и връща резултата.

Съвсем пресен пример има за използването на ЦЕРН-овска разработка в областта на енергетиката: покриването на женевското летище със слънчеви колектори, за разработката на които е използвана ЦЕРН-овска технология. В ускорителите ни се налага  да поддържаме изключително висок вакуум и е разработено специално покритие, което позволява поддържането на такъв вакуум. Това покритие в момента се използва за тези слънчеви колектори, което драстично увеличава тяхната ефективност.

В момента се използват ускорители при лечението на тумори - те се облъчват и се унищожават с помощта на електронни ускорители. През последните години беше въведено в употреба едно изцяло ново направление в лечението на тумори с помощта на ускорители - т.нар. адронна терапия, която е значително по-ефективна, от една страна унищожавайки тумора, а от друга - има значително по-малко вредно въздействие върху съседните тъкани.

- В България имаме ли достъп до това лечение?

- Не, това са доста скъпи устройства, които тепърва се въвеждат в някои страни, а България още не е сред тях. Но се надявам някой ден и ние да имаме подобно решение.

Фактически всички детектори, които ние разработваме, много бързо преминават в медицината и цялата образна диагностика в медицината действително се базира на устройства, разработени не за медицински цели, а за целите на физиката на елементарните частици.

- Казахте, че знаем вече доста за първата секунда след Големия взрив. Това знание дава ли ви ново поле за разговор с теолозите или ви отдалечава от тях? Интересно ми е също как влияе вярата на учения - пречи ли му или му помага.

- Има или няма Бог е въпрос на вяра. Науката, грубо казано, се занимава с материалното в този свят - опитваме се да кажем как е устроен този свят и как той функционира. Независимо от това дали сме вярващи или не и каква религия изповядваме, ние нямаме абсолютно никакви разногласия в работата си, а имаме общ език.

Потвърждение на това е фактът, че в ЦЕРН в момента работят 13 хил. души, които са събрани буквално от цял свят. Сред тях има атеисти, вярващи, представени са всички видове религии, за които може да се сетите. Това по никакъв начин не ни пречи да имаме общ език, на който говорим, и да изучаваме какво се е случило една стотомилиардна от секундата след раждането на Вселената - ние сме там и говорим на един език.

Противоречията, които едно време са се трупали между религия и наука - догмите, които религията слагаше на науката, отдавна минаха. И понеже с тях се е прочула католическата църква, искам да ви кажа, че Ватиканът има научна академия, в която членуват едни от най-изявените физици.

- Това значи ли, че всички те са религиозни?

- Не, не означава това. Аз познавам от тази академия физик, който е протестант, но е член на Папската академия на науките. Не знам има ли и мюсюлманин, но знам, че религията не е пречка на хората да комуникират помежду си. А нека да оставим на религията духовното. Духовната сфера е в действителност нейната сфера.