Українські кристали для Великого адронного колайдера: коли наука сильніша за війну

Від редакції:

ZN.UA регулярно розповідає про досягнення українських науковців. Але стаття, яку ви прочитаєте нижче, особлива. Ми просто не могли не розповісти вам її передісторію. Тому що автор та його колеги не скажуть цього про себе через скромність. А ми не можемо про це промовчати.

Уявіть собі: весна 2022 року, початок повномасштабного вторгнення. Точаться запеклі бої за Харків. Місто жорстоко обстрілюють. І в цей час у підвалі харківського Інституту сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) починають експеримент із вирощування кристалів для адронного колайдера в CERN. Не в Женеві чи Ліоні, а поблизу лінії фронту.

Це дослідження є надзвичайно важливим для фундаментальної науки. Українські вчені отримали на нього грант європейської програми Horizon Europe. Їхніми міжнародними партнерами стали CERN і французький Інститут світла і матерії (CNRS). Українці не вперше отримують гранти ЄС, але це — перший в історії програми Horizon Europe проєкт, який координує українська наукова установа.

Проєкт задумували ще до повномасштабного вторгнення, а звістка про грант надійшла до наших науковців, уже коли над Харковом розривали небо ракети, а на околицях стояли ворожі танки й артилерія. Частина дослідників на той момент уже виїхала з міста, але ті, хто залишився, не відмовилися від проєкту. Вони робили його в підвалі інституту й молилися на генератор, адже для вирощування кристалів потрібно підтримувати високі температури. І цей самий підвал у перші місяці після вторгнення давав прихисток родинам науковців під час обстрілів. Напевно, ще ніколи у світі експериментів із фундаментальної науки, важливих для її прориву, не проводили в таких умовах. І ще ніколи новонароджені кристали не зігрівали таким теплом і вірою в науку й Україну.

А тепер про науковий складник.

Проєкт, про який ідеться, має назву TWISMA. Ним керує Олег Сідлецький — доктор технічних наук, завідувач відділу технології вирощування кристалів Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України. А сам інститут, під крилом якого реалізовували проєкт, очолює академік Борис Гриньов — один із дослідників CERN, якийотримав наукового Оскара — міжнародну премію Breakthrough Prize за проривні дослідження у галузі фундаментальної фізики.

Чому український проєкт TWISMA такий важливий для розвитку науки?

Великий адронний колайдер (LHC) — це місце, де частинки розганяють майже до швидкості світла та стикають 40 мільйонів разів на секунду. І кожне таке зіткнення — як мікровибух, за яким стежать науковці. Щоб «побачити» ці події, вздовж тунелю колайдера розміщено детектори — гігантські прилади, що фіксують сліди, які залишають частинки після зіткнень.

Там, під землею, все відбувається на межі можливого: колосальні енергії, потужне випромінювання, швидкість, яку важко уявити. Тож детектори мають бути не просто точними — вони повинні виживати в умовах, які знищили б будь-яку іншу техніку. Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України якраз і займається такими детекторами, точніше, кристалами всередині них.

Сцинтиляція — це короткочасний спалах світла, який виникає в речовині, коли частинка проходить крізь неї. Така властивість є дуже цінною для експериментів у фізиці елементарних частинок. Але щоб цей спалах був яскравим, стабільним і точним, речовина має бути кристалічною. Саме кристал із чіткою внутрішньою структурою дає змогу фіксувати «світлові сліди» елементарних частинок, і що краща його якість, то чіткішою є картинка того, що сталося в момент зіткнення.

Команда проєкту TWISMA працювала над створенням нового покоління таких кристалів. І нашим науковцям це вдалося. Вони змогли. Вони витримали. Експеримент виявився успішним, а його результати обговорювали на авторитетних міжнародних наукових конференціях в Італії та США. Це історія, якою Україна має пишатися. Це справжній героїзм.

Про те, як реалізували проєкт, розповідає далі Олег Сідлецький.

Кристали не вирощують онлайн

Оскільки TWISMA є першим проєктом Horizon Europe, який координує українська організація, його учасникам довелося стикнутись із серйозними як науковими, так і організаційними викликами. Бути піонерами завжди важко, особливо в прифронтовому регіоні в умовах війни.

Заявку на реалізацію проєкту подали ще до початку повномасштабного вторгнення. Але звістка про те, що ми виграли конкурс і отримали грант, надійшла в травні 2022 року. На той момент ворог стояв на околицях міста, а більшість співробітників інституту була змушена покинути Харків.

Вирощування кристалів, на жаль, не є видом діяльності, якою можна займатися дистанційно, і потребує солідної матеріальної бази. Звісно, в той момент колектив проєкту та керівництво ІСМА мали сумніви у спроможності виконати проєкт на високому рівні. Часу на роздуми було небагато — Європейська комісія могла передати фінансування іншому проєкту, що посів нижче місце в рейтингу оцінювання.

На щастя, влітку 2022 року військова ситуація навколо Харкова дещо стабілізувалась, і було ухвалено рішення розпочати проєкт. Рятівною перевагою виявилося те, що дільниця для вирощування кристалів розміщується в глибокому підвалі. Тож цей підвал став прихистком для десятків науковців та їхніх родин у перші тижні повномасштабного вторгнення — першим «пунктом незламності», коли їх іще не створювали централізовано.

Однак головною вразливістю для експериментів залишається стабільність електропостачання. Процес вирощування кристалів відбувається на температурах до 2000°С, коли навіть секундні перебої в постачанні електрики призводять до непоправного погіршення якості вирощуваних кристалів.

Окрім технічних ускладнень, були й бюрократичні, бо ніхто в Україні не знав, як, наприклад, переводити кошти проєкту від координатора, яким є ІСМА, до закордонних наукових партнерів в умовах обмеження валютних операцій Національним банком України. Знадобилося чимало часу на реєстрацію проєкту в МОН. Окремим випробуванням був пошук порозуміння з українським банком, який вимагав від наших партнерів часом абсурдні документи, як-от підтвердження, що CNRS (французький аналог української Академії наук) не фінансується й не є власністю Росії, Білорусі або їхніх громадян. Питання короткотривалих відряджень науковців призовного віку за кордон теж довго було недостатньо врегульованим.

Що вдалося створити: науковий підсумок

Завданням експерименту було створити нове покоління кристалів, які не лише будуть високочутливими, а й витримуватимуть шалені навантаження, зокрема радіаційне випромінювання.

В умовах, які без перебільшення можна назвати екстремальними, команді вдалося створити серію сцинтиляційних кристалів із покращеними властивостями. Частину з них — разом із монокристалічними волокнами — виготовили в ІСМА, частину — у французькому ILM. Усі зразки проходять випробування на прототипах детекторів у CERN. Проєкт виявився успішним завдяки фантастичній підтримці керівників груп від міжнародних партнерів у проєкті — доктора Кіреддіна Лєббу в ILM і докторки Етіенетт Ауффрей у CERN. Та насамперед основою успіху стала самовіддана праця співробітників Відділу технології вирощування монокристалів під керівництвом заступника завідувача відділу Ярослава Герасимова та інших підрозділів ІСМА.

Що вдалося зробити? Було вирощено й протестовано кілька видів нових сцинтиляційних кристалів із покращеними параметрами.

Це зразки на основі кристалів рідкоземельних гранатів, що активно «спалахують» при потраплянні в них частинок. Вони є перспективними для одного з найскладніших для експлуатації місць адронного колайдера. Йдеться про зону детектора LHCb, яка розташована ближче до точки зіткнення частинок, а отже, отримує найбільше радіаційне навантаження.

Інша група зразків — кристали BSO — виявили потенціал для використання в іншому типі нових калориметрів. Ці кристали можуть вимірювати енергію частинок, що проходять крізь кристал, коли реєструється одразу два типи світіння — сцинтиляційне й черенковське, що виникають за різних механізмів. Комбінація цих сигналів дає змогу точніше ідентифікувати частинки, які пролітають крізь детектор.

Черенковське випромінювання — це тип світіння, що виникає, коли заряджена частинка (наприклад, електрон) проходить крізь прозоре середовище (воду, скло, кристал) швидше, ніж у цьому середовищі поширюється світло. Це випромінювання схоже на оптичний удар, як звуковий бар’єр у повітрі. Коли літак летить швидше за звук, ми чуємо гучний «бум». Коли частинка рухається швидше за світло в речовині, з’являється синювате світіння, яке фізики фіксують спеціальними детекторами.

Коли наука виходить за межі лабораторії

Проекти на кшталт TWISMA мають не лише наукове, а й суспільно-просвітницьке значення. Адже в ньому взяли участь і молоді дослідники. Вони отримали неоціненний досвід дослідження властивостей кристалів у CERN та Інституті світла і матерії в Ліоні.

У межах проєкту також відбулися три наукові школи — дві в Харкові та Львові (у змішаному форматі) та одна в Женеві. На них фахівці партнерських організацій робили доповіді не тільки на теми розробки сцинтиляторів для фізики частинок, а й про захист авторських прав на наукові результати, підготовку наукових проєктів, комерціалізацію наукових розробок. Це надзвичайно корисні теми для науковців.

2024 року TWISMA був представлений на провідній світовій конференції SCINT у Мілані. Це найпрестижніша у світі подія в галузі сцинтиляторів. У ній узяли участь вісім науковців із ІСМА. Це — не лише визнання з боку міжнародної спільноти, а й приклад того, як українська наука зберігає суб’єктність і бере участь у визначенні глобального порядку денного.

Проєкт TWISMA є гарним прикладом взаємодії українських учених із провідними лабораторіями світу за підтримки європейських програм. Це, безперечно, підвищує конкурентоспроможність української науки на міжнародній арені та є особливо актуальним в умовах недофінансування науки під час війни.