Kā izmērīt daļiņu, kas pastāv desmit mīnus divdesmit piektajā daļā sekundes? Un kā paātrinātājā iespējams īstenot simtiem miljardu sadursmju – ja pēc katras sadursmes protoni izšķīst? Fiziķis Dr. phys. Andris Potrebko – Latvijas pirmais jaunais doktors, kurš promocijas darbu izstrādājis Eiropas Kodolpētniecības centrā (CERN) un absolvējis Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) un Latvijas Universitātes (LU) kopējo doktorantūras studiju programmu "Daļiņu fizika un paātrinātāju tehnoloģijas" – pēta pasauli tās sīkākajos elementos. Zinātnes komunikācijas portāls researchLatvia sarunājas ar Dr. phys. A.Potrebko par daļiņu fiziku, kāda ir dzīve CERN un kāpēc viens mērījums var prasīt gadus.
Dr. phys. A. Potrebko pētījis masas atšķirību starp virsotnes jeb top kvarku un tā antivielas "dubultnieku" – virsotnes antikvarku. Iegūtie rezultāti ir līdz šim visprecīzākie šī raksturlieluma mērījumi pasaulē.
Ceļa sākums: no radioraidījuma līdz CERN
2012. gadā tika atklāts Higsa bozons. Andris toreiz vēl bija pamatskolā, taču radioraidījumā "Zināmais nezināmajā" dzirdētais stāsts par daļiņu, kas teorētiski postulēta pirms 50 gadiem un kuras atklāšanai nepieciešams bija pietiekami spēcīgs paātrinātājs, iededza dzirksti. "Man bija riktīgi interesanti, un arī apkārtesošie cilvēki, kas nenodarbojās ar zinātni, par to runāja, ka tas ir atklāts un ir forši," atceras Dr. phys. A. Potrebko.
Izšķirošais solis nāca bakalaura studiju laikā, kad parādījās iespēja pieteikties CERN vasaras studentu programmai. "Pieteicos – un tiku." Lai kandidētu, bija jāuzraksta motivācijas vēstule un jāsaņem divu profesoru rekomendācijas. "Bija nedaudz grūti rakstīt to motivāciju, jo tajā brīdī vēl daudz nezināju par šo zinātni un rakstīju diezgan vispārināti, par to, kas mani interesē elementārdaļiņu fizikā. Man nepatika mana nekonkrētība," atzīst Dr. phys. A.Potrebko. Tomēr šis pirmais solis atvēra durvis uz pasauli, kurā zinātnieki vakariņo, diskutējot par tumšo matēriju.
Kas fascinē daļiņu fizikā
Elementārdaļiņu fizika pēta pamatvienības, no kurām uzbūvēta visa matērija. Agrāk uzskatīja, ka atoms ir nesadalāma pamatvienība – grieķu valodā vārds pat nozīmē "nesadalāms". Tad atklāja, ka atomu veido elektronu mākonis ap kodolu, kodolu veido protoni un neitroni, bet tos savukārt – kvarki. "Kvarki pašlaik ir šī elementārdaļiņa, kurus mēs nezinām, kā tālāk sadalīt," skaidro fiziķis.
Andri aizrauj ne vien teorija, bet arī pētīšanas veids: "Daļiņas, kuras mēs pētām, pastāv ļoti īsus – desmit mīnus divdesmit piektajā daļa sekundes. Tā pat nepaspēj nolidot atoma diametru, kad jau ir sabrukusi, un mēs redzam tikai tās efektu." Tieši šī paradoksālā situācija – zināt par to, ko nevari tiešā veidā redzēt – ir tas, kas fiziķi pievilina atgriezties pie sava darba atkal un atkal.
Fotokolāža no Andra Potrebko personīgā arhīva: pētnieka profesionālā ikdiena un brīvais laiks – uzkāpšana Montblānā, promocijas darba daļiņu fizikā aizstāvēšana, ekskursijas vadīšana Lielajā hadrona paātrinātājā.
CERN: zinātne kā dzīvesveids
CERN nav tikai laboratorija – tā ir vesela infrastruktūra ar trim restorāniem dažādās teritorijas daļās, ugunsdzēsēju depo, suvenīru veikaliņu un muzeju. Divi Andra doktorantūras gadi pagāja šajā vidē, un tieši CERN ikdiena – neformālās sarunas pusdienās, kolēģi, ar kuriem var izrunāt katru problēmu – kļuva par vienu no būtiskākajiem pētnieciskā darba atbalstiem.
Lielā hadronu paātrinātājā – 27 kilometru apkārtmēra tunelī – nevis divi atsevišķi protoni, bet veseli stari ar simtiem miljardu daļiņu tiek paātrināti un virzīti pretī viens otram. Tieši tāpēc sadursmes var notikt stundām ilgi. Sistēma atdzesēta līdz nedaudz zem 2 kelvinu grādu temperatūrai – tā ir zemāka par vidējo temperatūru visumā. Šāda temperatūra nepieciešama, lai supravadošie kabeļi magnētos spētu radīt pietiekami spēcīgu magnētisko lauku protonu stara kontrolei. "Visa lielā hadronu paātrinātāja shēma ir diezgan trausla," atzīst Dr. phys. A.Potrebko – ja kāds protons noklīst no trajektorijas, tā enerģija var destabilizēt visu sistēmu.
Pētījums: visprecīzākie mērījumi pasaulē
Trīs no pieciem doktorantūras gadiem Andris veltīja vienam mērījumam – virsotnes kvarku un antikvarku masas starpībai. Pēc kvantu lauka teorijas CPT (uzlādes, paritātes un laika inversijas simetriju apvienojums) simetrijas principa daļiņas un antidaļiņas masas ir identiskas. Jebkura novirze no nulles būtu zinātniski sensacionāla – tā norādītu uz fiziku, kas pārsniedz mūsu pašreizējās zināšanas. "Kopumā tas ir svarīgs solis, bet kā viens rezultāts tas neapgāž visu fiziku, ko mēs zinām," skaidro fiziķis.
Iegūtie mērījumi ir līdz šim visprecīzākie šī raksturlieluma noteikšanā pasaulē. Tas uzskatāmi parāda, ko nozīmē fundamentālā zinātne: viens skaitlis, kura iegūšanai nepieciešami gadi, var kļūt par pamatu nākamajai atziņai.
Doktorantūra: maratons ar ēnu fonā
Doktorantūra eksaktajās zinātnēs ir pamatā pētnieciskais darbs – promocijas darbs top paralēli ikdienas pētniecībai. Fonā vienmēr klīda nemierīga doma: "Vai es paspēšu? Kaut kad beigsies finansējums." Pabeidzot darbu, tā vietā nāca kaut kas cits – sirsnīgs prieks par padarīto, tāda atblāzma pēc gara maratona. "Ir kaut kas tāds taustāms, kas izdarīts par šiem gadiem," saka Andris.
Daļiņu fizikā doktorants sākotnēji nav ļoti neatkarīgs – jaunajam pētniekam ir jāiegūst milzīgs apjoms iekšēju zināšanu par eksperimentu, metodēm un to vēsturi. "Lēnām ir jākļūst neatkarīgākam – tas ir mazliet bailīgi," atzīst Andris. Taču tieši šis process, kurā jauni pētnieki nāk ar daudziem jautājumiem un nepieņem visu kā pašsaprotamu, bieži vien ir lielāko atklājumu avots.
Starptautiskā sadarbība un Latvijas loma
Mūsdienu fundamentālā zinātne nav iespējama bez starptautiskas sadarbības. CERN nodarbina tūkstošiem zinātnieku no daudzām valstīm. "Tas parāda, ka dažreiz lielas lietas, kur strādā tūkstošiem cilvēku, var strādāt ļoti precīzi," saka Dr. phys. A.Potrebko.
Latvija pēdējos gados aktīvi virzās uz pilntiesīgu CERN dalībvalsts statusu – process, kas sācies ar asociētās dalībvalsts statusu Dr. phys. A.Potrebko doktorantūras laikā. Tas paver plašākas iespējas Latvijas studentiem un pētniekiem, kā arī rada tiešu ekonomisko atdevi: dalība CERN nāk atpakaļ pasūtījumu veidā Latvijas uzņēmumiem. Latvija piedalās arī MTD detektora – minimāli jonizējošo daļiņu laika detektēšanas sistēmas – izstrādē, kas būs pilnīgi jauna detektora daļa nākamajā lielā hadronu paātrinātāja darbības periodā.
Kāpēc sabiedrībai vajadzīga fundamentālā zinātne
"Man patīk popularizēt zinātni, bet to ir grūti darīt nepārspīlējot," saka Andris atklāti. "Cilvēkiem gribas rezultātus, kas ir sensacionāli. Bet pētījums, kas neapgāž visu fiziku, bet pieliek jaunu gabaliņu mūsu zināšanu puzlei, ir gandrīz tik pat svarīgi kā sensacionālie atklājumi." Šo spriedzi starp zinātnes komunikāciju un realitāti fiziķis uzskata par vienu no lielākajiem izaicinājumiem.
Atbilde uz jautājumu par viņa veikto mērījuma reālo pielietojumu ir vēsturiska. Faradejs, pētot magnētismu un elektrību, nezināja, ka viņa atklājumi kļūs par visa mūsdienu elektroapgādes pamatu. Kvantu fizika, kas sākumā likās abstrakta, šodien ir datoru un telefonu pamatā. "Es nezinu, kur tas tiks pielietots un kad tas atmaksāsies," atzīst Dr. phys. A.Potrebko, "bet neieguldot fundamentālajā zinātnē, mēs riskējam ar stagnāciju."
CERN jau ir devis sabiedrībai ārkārtīgi daudz: World Wide Web protokolu, paātrinātāju tehnoloģijas medicīnā, supravadošo materiālu attīstību, mākslīgā intelekta rīkus, kurus daļiņu fizikā izmantoja vēl pirms desmit gadiem. "Lielākā daļa paātrinātāju nav zinātnē, bet medicīnas iestādēs – vēža diagnostikā un ārstēšanā," norāda Andris.
Motivācija un ieteikumi jaunajiem pētniekiem
Motivāciju uzturēt palīdz kolēģi un iespēja laiku pa laikam atgādināt sev par lielo ainu. "Bieži vien iedziļinos vienā sīkā problēmā un neredzu lielo bildi – ir vitāli svarīgi to sev atgādināt," stāsta Dr. phys. A. Potrebko.
Studentiem Andris iesaka nevilcināties – meklēt starptautiskas iespējas ar atvērtu prātu, tāpat kā viņš pats reiz pieteicās CERN vasaras skolai, baigi daudz negaidīdams. "Runājiet ar pasniedzējiem – viņi liekas baisi, jo viņi ļoti daudz zina, bet pēc pieredzes, ja ar viņiem parunā, viņi ir ļoti atvērti."
Un visbeidzot – nepadoties, kad lietas nestrādā. "Kods, kuru rakstu, nestrādā. Hipotēze nestrādā. Tad jādomā tālāk, jāmēģina izskaidrot, kāpēc šādas lietas notiek. Ir sarežģīti – bet tik ļoti interesanti pētīt to, no kā sastāv mūsu pasaule."
Bildes: Armins Ronis
