Еволюція експериментальних і теоретичних досліджень властивостей матерії на фундаментальному рівні призвела до необхідності створення установок, які за масштабом можна порівняти з мегаполісами. Найпотужнішою серед них є Великий адронний колайдер (ВАК) — унікальна прискорювальна установка, розташована у підземному тунелі завдовжки 27 км на кордоні Швейцарії та Франції. Саме тут, у міжнародному дослідницькому центрі ЦЕРН (CERN, фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Європейська організація з ядерних досліджень), тисячі фізиків з усього світу шукають відповіді на фундаментальні питання про будову Всесвіту. Серед них – і вчені Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Про це – у статті Аліни Волик, яку публікує газета “Світ”.
Про ЦЕРН та ВАК
«Якщо коротко, ЦЕРН — це місце, де вчені намагається зрозуміти, з чого складається матерія і як вона тримається разом, — пояснює професор кафедри ядерної фізики та високих енергій фізичного факультету КНУ, учасник експериментів ЦЕРН Володимир Аушев. — Колайдер дозволяє нам у мініатюрі відтворити умови, за яких формувався Всесвіт після Великого вибуху. Коли частинки стикаються, вони розлітаються на ще дрібніші «цеглинки» матерії, абсолютна більшість з яких дуже швидко зникає. Але ВАК — це лише своєрідний «стадіон». Щоб побачити, що відбувається під час зіткнень, потрібні гігантські «мікроскопи» — великі та складні детекторні системи, що дозволяють заглянути в глибини мікросвіту».
За словами вченого, два головні детектори ВАК — ATLAS і CMS — є справжніми гігантами науки. «CMS, — додає Аушев, — можна порівняти з футбольним клубом рівня «Реал Мадрид». Це детектор висотою з п’ятиповерховий будинок і масою понад 14 тисяч тонн, де працюють тисячі дослідників, які аналізують інформацію з мільйонів інформаційних каналів від детектора. Саме команди CMS і ATLAS у 2012 році відкрили бозон Гіггса — частинку, що пояснює походження маси у матерії».
Експеримент Proto-DUNE
Вчені КНУ імені Тараса Шевченка не є новачками в ЦЕРН. Фахівці фізичного факультету, а саме кафедр квантової теорії поля та космомікрофізики і ядерної фізики та високих енергій, на постійній основі беруть участь у кількох експериментах. Один із них — у напрямку нейтринних досліджень, зокрема, в рамках Нейтринної платформи та експерименту Proto-DUNE. Цей проєкт готує основу для майбутнього американського мегадослідження DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment): якщо ВАК вивчає процес зіткнення частинок, то Proto-DUNE дозволяє досліджувати загадкові властивості нейтрино — частинок, що можуть проходити крізь товщу Землі, не взаємодіючи з нею.
У складі команди працюють професори Ігор Каденко та Володимир Аушев, наукова співробітниця Ольга Гогота та доцент Руслан Єрмоленко. Proto-DUNE — це масштабний прототип майбутнього детектора DUNE. Для проведення досліджень його камери завжди заповнені сотнями тонн рідкого аргону, який підтримується при температурі близько -184°C. Коли нейтрино взаємодіє з аргоном, воно виробляє заряджені частинки, які іонізують атоми. Це дозволяє вченим виявляти та вивчати взаємодії нейтрино.
Далекий детектор DUNE, який буде приблизно в 20 разів більший за Proto-DUNE, будується в Сполучених Штатах. DUNE надішле пучок нейтрино з Національної прискорювальної лабораторії Фермілаб поблизу Чикаго, штат Іллінойс, на відстань понад 1300 кілометрів по Землі до нейтринних детекторів, розташованих на глибині 1,5 км під землею в Сенфордському підземному дослідницькому центрі (SURF) у Сенфорді, Південна Дакота.
Експеримент SHiP
Інша група фізиків КНУ — професор Станіслав Вільчинський, доценти Олег Безшийко та Лариса Голінка-Безшийко — є учасниками колаборації SHiP (Search for Hidden Particles). Цей новий експеримент у ЦЕРН, розпочатий у квітні 2024 року, спрямований на пошук поки що невиявлених частинок, які можуть пояснити природу темної матерії та походження асиметрії між речовиною і антиречовиною у Всесвіті.
«Ми сподіваємося задетектувати частинки, які надзвичайно слабко взаємодіють зі звичайною матерією, — розповідає професор Вільчинський. — Йдеться про темні фотони, аксіони, важкі нейтральні лептони — гіпотетичні частинки, що можуть бути складниками невидимої матерії. Вони передбачені кількома теоретичними моделями, що виходять за рамки Стандартної моделі й сучасної теорії, що описує елементарні частинки та сили, що їх об’єднують. Наше завдання — визначити, у яких межах мас і змішувань ці частинки можуть існувати, і які з них зможе виявити детектор SHiP». Вільчинський також зазначає, що дослідження українських учених охоплюють ширший контекст — від генерації баріонної асиметрії у ранньому Всесвіті до моделей виникнення первинних магнітних полів під час інфляції.
Загалом кінцевий етап експерименту включає розробку великого детектора та мішені, які будуть встановлені в прискорювальному комплексі ЦЕРН. Таким чином, SHiP планує «вирушити у плавання» для дослідження прихованого сектору у 2031 році.
Експеримент LHCb
Також група дослідників кафедри ядерної фізики та високих енергій, серед яких доценти Олег Безшийко та Лариса Голінка-Безшийко, аспірант Денис Клекоць і кілька студентів, — уже кілька років представляють КНУ у міжнародній колаборації LHCb у ЦЕРН. Саме тут досліджують рідкісні процеси взаємодії елементарних частинок, щоб перевірити межі Стандартної моделі фізики. Завдяки високим результатам роботи студент Владислав Орлов отримав стажування на 15 місяців у ЦЕРН і престижну нагороду Early Career Scientist Award від LHCb за 2022 рік.
У 2025 році група отримала безоплатний донат від ЦЕРН — кластерний комплект із 22 серверів сумарною потужністю більше 1800 ядер. У межах своєї дисертації Денис Клекоць розробляє новий тип детектора, який планується застосувати саме в LHCb, а згодом — у проєкті майбутнього кільцевого колайдера FCC. Попри обмеження, пов’язані з війною, українські студенти залишаються активними учасниками експериментів LHCb. Завдяки програмі IRIS-HEP, що фінансується Національним науковим фондом США, вони мають змогу віддалено працювати над проєктами з аналізу даних і розробки наукового програмного забезпечення. Програму підтримують також Національна академія наук США та Office of Naval Research Global у межах ініціативи IMPRESS-U. Отже, робота в таких колабораціях відкриває для українських науковців шлях до участі у світових дослідженнях найвищого рівня.
Сьогодні у колаборації LHCb КНУ має офіційний статус Associate Institute. Учасники експерименту від КНУ зосереджені на аналізі кутових розподілів частинок, що дозволяє вимірювати рідкісні події, перевіряти передбачення Стандартної моделі та шукати нову фізику — те, що може змінити наше розуміння Всесвіту.
Розробка Future Circular Collider (FCC)
У січні 2025 року на базі КНУ відбулася церемонія підписання Меморандуму про взаєморозуміння щодо техніко-економічного дослідження майбутнього кільцевого колайдера (FCC) на базі Європейської організації ядерних досліджень ЦЕРН. До урочистого заходу дистанційно долучилися представники інших закладів вищої освіти України та ЗВО-партнери з країн Європейського Союзу. З моменту підписання Меморандуму минув фактично рік. Яка головна відмінність FCC від ВАК і на якому етапі розробки він перебуває?
Майбутній кільцевий колайдер (Future Circular Collider) — наступне покоління прискорювача елементарних частинок, який має стати логічним продовженням діяльності Великого адронного колайдера. Робота над проєктом нині триває дуже інтенсивно: 31 березня 2025 року в ЦЕРН було представлено техніко-економічне обґрунтування FCC, зосереджене на оцінці його технічної та фінансової життєздатності. Наразі вивчаються геологічні та екологічні умови, а також технічно доцільні концепції інфраструктури та детекторів FCC. Проєкт передбачає створення нового підземного тунелю довжиною 90,7 км (порівняно з 27 км у нинішнього ВАК) і глибиною шахт від 180 до 400 метрів. У ньому буде розміщено чотири експериментальні установки й вісім наземних майданчиків.
FCC планують реалізувати у дві фази: спершу — FCC-ee, електрон-позитронний колайдер для надточних вимірювань, який працюватиме близько 15 років із кінця 2040-х, а далі — FCC-hh, протон-протонний прискорювач із рекордною енергією зіткнень у 100 ТеВ (для порівняння: у ВАК — до 14 ТеВ). Нова установка дозволить досліджувати структуру матерії на принципово новому рівні та перевіряти гіпотези поза межами Стандартної моделі фізики.
Група вчених КНУ, яка вже працює в колаборації LHCb, бере участь у розробці нових типів детекторів і методів аналізу даних, що стануть частиною експериментів FCC. Таким чином, українські дослідники долучаються до створення універсальної установки нового покоління, яка поєднає перевірені технології ВАК із найновішими досягненнями у сфері магнітів, кріогенних систем і вакуумної техніки.
Плани на майбутнє
Попереду вчених КНУ чекає ще більш масштабний етап міжнародної наукової співпраці. Наразі кафедра ядерної фізики та високих енергій проходить процедуру вступу до колаборації CMS (Compact Muon Solenoid) — одного з найпрестижніших і найвпливовіших експериментів світу, який діє на Великому адронному колайдері. «Якщо участь у проєкті FCC — це інвестиція у майбутнє фізики на найближчі десятиліття, то вступ до CMS стане реальним проривом у сучасній співпраці з ЦЕРН, адже це активний експеримент, що відіграє ключову роль у дослідженні фундаментальних законів природи” — коментує Володимир Аушев.
Команда КНУ вже встановила контакт із керівництвом CMS, представила своє бачення потенційного внеску університету та окреслила напрями, в яких українські фізики можуть долучитися до вирішення складних експериментальних завдань. Процес входження тривалий і багаторівневий, проте саме він відкриє перед науковцями шлях до роботи на передовій світової фізики високих енергій.
Паралельно вчені також беруть участь у японському експерименті на колайдері SuperKEKB та є учасниками американського нейтринного проєкту DUNE — флагманського експерименту США у галузі фізики частинок. Повноцінний запуск усіх модулів DUNE заплановано на 2027 рік. Участь у таких колабораціях демонструє, що українська наука активно інтегрована у світовий науковий простір, а КНУ продовжує розвивати партнерства, які формують нову генерацію дослідників світового рівня.
