Украинские кристаллы для Большого адронного коллайдера: когда наука сильнее войны

От редакции:

ZN.UA регулярно рассказывает о достижениях украинских ученых. Но статья, которую вы прочитаете ниже, особая. Мы просто не могли не рассказать вам ее предысторию. Потому что автор и его коллеги не скажут этого о себе из-за скромности. А мы не можем об этом промолчать.

Представьте себе: весна 2022 года, начало полномасштабного вторжения. Идут ожесточенные бои за Харьков. Город жестоко обстреливают. И в это время в подвале харьковского Института сцинтилляционных материалов (ИСМА) начинают эксперимент по выращиванию кристаллов для адронного коллайдера в CERN. Не в Женеве или Лионе, а около линии фронта.

Это исследование чрезвычайно важное для фундаментальной науки. Украинские ученые получили на него грант европейской программы Horizon Europe. Их международными партнерами стали CERN и французский Институт света и материи (CNRS). Украинцы не впервые получают гранты ЕС, но это — первый в истории программы Horizon Europe проект, который координирует украинское научное учреждение.

Проект задумывали еще до полномасштабного вторжения, а сообщение о гранте поступило к нашим ученым уже когда над Харьковом разрывали небо ракеты, а на окраинах стояли вражеские танки и артиллерия. Часть исследователей на тот момент уже выехала из города, но те, кто остался, не отказались от проекта. Они делали его в подвале института и молились на генератор, ведь для выращивания кристаллов нужно поддерживать высокие температуры. И этот же подвал в первые месяцы после вторжения давал приют семьям ученым во время обстрелов. Наверное, еще никогда в мире эксперименты по фундаментальной науке, важные для ее прорыва, не проводили в таких условиях. И еще никогда новорожденные кристаллы не согревали таким теплом и верой в науку и Украину.

А теперь о научной составляющей.

Проект, о котором идет речь, называется TWISMA. Им руководит Олег Сидлецкий — доктор технических наук, заведующий отделом технологии выращивания кристаллов Института сцинтилляционных материалов НАН Украины. А сам институт, под крылом которого реализовывали проект, возглавляет академик Борис Гринев — один из исследователей CERN, получившийнаучный Оскар — международную премию Breakthrough Prize за прорывные исследования в сфере фундаментальной физики.

Почему украинский проект TWISMA настолько важен для развития науки?

Большой адронный коллайдер (LHC) — это место, где частицы разгоняют почти до скорости света и сталкивают 40 миллионов раз в секунду. И каждое такое столкновение — как микровзрыв, за которым следят ученые. Чтобы «увидеть» эти события, вдоль туннеля коллайдера размещены детекторы — гигантские приборы, которые фиксируют следы, оставленные частицами после столкновений.

Там, под землей, все происходит на грани возможного: колоссальные энергии, мощное излучение, скорость, которую трудно представить. Поэтому детекторы должны быть не просто точными — они должны выживать в условиях, которые уничтожили бы любую другую технику. Институт сцинтилляционных материалов НАН Украины как раз и занимается такими детекторами, точнее, кристаллами внутри них.

Сцинтилляция — это кратковременная вспышка света, возникающая в веществе, когда частица проходит сквозь него. Такое свойство очень для экспериментов в физике элементарных частиц. Но чтобы эта вспышка была яркой, стабильной и точной, вещество должно быть кристаллическим. Именно кристалл с четкой внутренней структурой дает возможность фиксировать «световые следы» элементарных частиц, и чем лучше его качество, тем четче картинка того, что произошло в момент столкновения.

Команда проекта TWISMA работала над созданием нового поколения таких кристаллов. И нашим ученым это удалось. Они смогли. Они выдержали. Эксперимент оказался успешным, а его результаты обсуждали на авторитетных международных научных конференциях в Италии и США. Это история, которой Украина должна гордиться. Это настоящий героизм.

О том, как реализовали проект, рассказывает дальше Олег Сидлецкий.

Кристаллы не выращивают онлайн

Поскольку TWISMA — первый проект Horizon Europe, который координирует украинская организация, его участникам пришлось столкнуться с серьезными как научными, так и организационными вызовами. Быть пионерами всегда тяжело, особенно в прифронтовом регионе в условиях войны.

Заявку на реализацию проекта подали еще до начала полномасштабного вторжения. Но сообщение о том, что мы выиграли конкурс и получили грант, поступило в мае 2022 года. На тот момент враг стоял на окраинах города, а большинство сотрудников института были вынуждены покинуть Харьков.

Выращивание кристаллов, к сожалению, не является видом деятельности, которой можно заниматься дистанционно, и требует солидной материальной базы. Конечно, в тот момент коллектив проекта и руководство ИСМА сомневались в способности выполнить проект на высоком уровне. Времени на размышления было немного — Европейская комиссия могла передать финансирование другому проекту, занявшему более низкое место в рейтинге оценивания.

К счастью, летом 2022 года военная ситуация вокруг Харькова несколько стабилизировалась, и было принято решение начать проект. Спасительным преимуществом оказалось то, что участок для выращивания кристаллов размещается в глубоком подвале. Поэтому этот подвал стал приютом для десятков ученых и их семей в первые недели полномасштабного вторжения — первым «пунктом несокрушимости», когда их еще не создавали централизованно.

Но главной уязвимостью для экспериментов остается стабильность электроснабжения. Процесс выращивания кристаллов проходит на температурах до 2000°С, когда даже секундные перебои в поставке электричества приводят к непоправимому ухудшению качества выращиваемых кристаллов.

Кроме технических осложнений, были и бюрократические, потому что никто в Украине не знал, как, например, переводить средства проекта от координатора, которым является ИСМА, зарубежным научным партнерам в условиях ограничения валютных операций Национальным банком Украины. Понадобилось много времени на регистрацию проекта в МОН. Отдельным испытанием был поиск взаимопонимания с украинским банком, который требовал от наших партнеров иногда абсурдные документы, а именно подтверждения, что CNRS (французский аналог украинской Академии наук) не финансируется и не является собственностью России, Беларуси или их граждан. Вопрос кратковременных командировок ученых призывного возраста за границу тоже долго был недостаточно урегулирован.

Что удалось создать: научный итог

Задачей эксперимента было создать новое поколение кристаллов, которые не только будут высокочувствительными, но и выдержат сумасшедшие нагрузки, в частности радиационное излучение.

В условиях, которые без преувеличения можно назвать экстремальными, команде удалось создать серию сцинтилляционных кристаллов с улучшенными свойствами. Часть из них — вместе с монокристаллическими волокнами — изготовили в ИСМА, часть — во французском ILM. Все образцы проходят испытание на прототипах детекторов в CERN. Проект оказался успешным благодаря фантастической поддержке руководителей групп от международных партнеров в проекте — доктора Киреддина Леббу в ILM и доктора Этиэнетт Ауффрей в CERN. Но в первую очередь основой успеха стала самоотверженная работа сотрудников Отдела технологии выращивания монокристаллов под руководством заместителя заведующего отделом Ярослава Герасимова и других подразделений ИСМА.

Что удалось сделать? Были выращены и протестированы несколько видов новых сцинтилляционных кристаллов с улучшенными параметрами.

Это образцы на основе кристаллов редкоземельных гранатов, которые активно «вспыхивают» при попадании в них частиц. Они перспективны для одного из самых сложных для эксплуатации мест адронного коллайдера. Речь идет о зоне детектора LHCb, которая расположена ближе к точке столкновения частиц, а следовательно, получает самую большую радиационную нагрузку.

Другая группа образцов — кристаллы BSO — обнаружили потенциал для использования в другом типе новых калориметров. Эти кристаллы могут измерять энергию частиц, проходящих сквозь кристалл, когда регистрируется сразу два типа свечения — сцинтилляционное и черенковское, возникающих при разных механизмах. Комбинация этих сигналов дает возможность точнее идентифицировать частицы, пролетающие сквозь детектор.

Черенковское излучение — это тип свечения, возникающего, когда заряженная частица (например, электрон) проходит сквозь прозрачную среду (воду, стекло, кристалл) быстрее, чем в этой среде распространяется свет. Это излучение похоже на оптический удар, как звуковой барьер в воздухе. Когда самолет летит быстрее звука, мы слышим громкий «бум». Когда частица двигается быстрее света в веществе, появляется синеватое свечение, которое физики фиксируют специальными детекторами.

Когда наука выходит за пределы лаборатории

Проекты наподобие TWISMA имеют не только научное, но и общественно-просветительское значение. Ведь в нем участвовали и молодые исследователи. Они получили неоценимый опыт исследования свойств кристаллов в CERN и Институте света и материи в Лионе.

В рамках проекта также состоялись три научные школы — две в Харькове и Львове (в смешанном формате) и одна в Женеве. На них специалисты партнерских организаций делали доклады не только на темы разработки сцинтилляторов для физики частиц, но и о защите авторских прав на научные результаты, подготовке научных проектов, коммерциализации научных разработок. Это чрезвычайно полезные темы для ученых.

В 2024 году TWISMA был представлен на ведущей мировой конференции SCINT в Милане. Это самое престижное в мире событие в отрасли сцинтилляторов. В ней приняли участие восемь ученых из ИСМА. Это — не только признание со стороны международного сообщества, но и пример того, как украинская наука сохраняет субъектность и участвует в определении глобальной повестки дня.

Проект TWISMA — хороший пример взаимодействия украинских ученых с ведущими лабораториями мира при поддержке европейских программ. Это, бесспорно, повышает конкурентоспособность украинской науки на международной арене и является особенно актуальным в условиях недофинансирования науки во время войны.