Rengiantis didžiausiam pasaulyje moksliniam eksperimentui

Birželio 2 d., ankstyvą šeštadienio popietę, Vilniaus universiteto Seminarų salėje rinkosi mokslininkai iš kelių Europos šalių ir diskutavo apie tyrimų rezultatus iki vėlyvo vakaro bei visą sekmadienį. Sekmadienio popietę atvyko dar nemažai mokslininkų, kurie apsilankė Trakuose ir į darbą kibo nuo pirmadienio ryto ir trečiadienio. Dalis jų atsisveikino, kiti atvažiavo ir ketvirtadienį vėl tęsėsi visos dienos darbas. Taip galima apibūdinti birželio 2–9 d. Vilniaus universitete vykusius tris mokslinio centro CERN bendradarbiavimo komandų, sąlyginai įvardijamų santrumpomis WODEAN, CERN RD50 ir CERN RD39, pasitarimus. Jų metu aptarti naujausi didžiajam hadronų kolaideriui (Large Hadron Collider) reikalingų dalelių detektorių kūrimo rezultatai, kurie gauti 52 mokslinių tyrimų centruose.

Didžiausiame pasaulio elementariųjų dalelių greitintuve (jis įrengtas apskritame tunelyje, kurio ilgis 27 km) tol bus greitinami priešpriešais lekiantys vandenilio atomo branduoliai (protonai), kol įgaus 7 TeV (teraelektronvoltų) energiją, t. y. dėl neseniai 100 metų jubiliejų „šventusios“ formulės E=mc2 protonai pasunkės 7460,52 karto. Tada šie protonai bus susmogiami, o ištyrus jų „skeveldrų“ pėdsakus bus gauta itin vertingos informacijos apie materijos ir Visatos sandarą, svarbiausias Visatoje veikiančias jėgas ir energijos išsiskyrimo vyksmus. Tai bus didžiausias pasaulyje mokslinis eksperimentas, kurio pradžia numatyta 2008 metais. Jau dabar žinoma, kad jame montuojami detektoriai dėl didelės radiacijos suirs nepasibaigus eksperimentui, todėl ieškomi būdai, kaip juos patobulinti ar sukurti naujus, kurie leistų veiksmingiau tęsti eksperimentą. Šią mokslinę ir techninę problemą sprendžia daugybė mokslininkų, susijungusių į mokslinio bendradarbiavimo komandas.

Kasmet CERN bendradarbiavimo komandų pasitarimai vyksta CERN būstinėje netoli Ženevos ir konkurso tvarka vienoje iš šalių partnerių. Šiais metais sėkmė atsisuko į Lietuvos pusę. Mūsų šalies mokslininkų grupė, vadovaujama prof. Juozo Vidmančio Vaitkaus, į CERN programas įsitraukė 2002 m., oficialiai bendradarbiauti su CERN Lietuva pradėjo 2005 metais. Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų instituto mokslinė įranga yra panaudojama įvairiai apšvitintų dalelių ir detektorių elementų tyrimui, o greta to sukurta originali aparatūra bus išbandoma Helsinkio greitintuve. Bandymams pasiteisinus, ji būtų nugabenta į Šveicariją ir panaudota CERN didžiojo hadronų kolaiderio modernizavimo projekte. Siekiant pasiruošti šiam projektui kasmet rengiami mokslinių komandų WODEAN (Defektų analizė radiacijos suardytuose silicio detektoriuose), CERN RD50 (Radiacijai atsparūs puslaidininkiniai prietaisai labai didelio šviesingumo kolaideriams) ir CERN RD39 (Kriogeniniai radiacijos detektoriai) pasitarimai.

Apie Lietuvos mokslininkų dalyvavimą didžiojo hadronų kolaiderio modernizavimo projekte, Vilniaus universiteto laboratorijose sukurtą modernų prietaisą Mokslo Lietuvai pasakoja Vilniaus universiteto mokslo reikalų prorektorius, Vilniaus universiteto grupių CERN RD39 ir RD50 programose vadovas, Lietuvos mokslų akademijos narys korespondentas prof. JUOZAS VIDMANTIS VAITKUS.

Kuriama įspūdinga detektorių sistema

Mano nuomone, tie renginiai užima reikšmingą vietą vien dėl to, kad Lietuvos mokslininkai, tiksliau, Vilniaus universiteto mokslinės grupės, tose konferencijose buvo lygiateisės partnerės sprendžiant aktualiausias pasaulinio mokslo ir technologijų plėtros problemas. Ypač akivaizdžiai tai matyti WODEAN projekte, kuris vykdo kooperuotą neutronais apšvitintų medžiagų tyrimų programą, įtraukusią laboratorijas, gebančias ištirti reikalingus parametrus. Iš dešimties metodikų, kurios būtinos reiškiniui suprasti, mes atsakingi už dvi metodikas, kitas „valdo“ Londono, Oslo, Hamburgo, Varšuvos, Bukarešto ir Florencijos mokslininkai. Kadangi toks pat bandinys buvo tiriamas visose laboratorijose, tai ir aptarti rezultatus turėjo susirinkti visi. Per tris mėnesius tebuvo tik viena galimybė: Vilniuje šeštadienį ir sekmadienį paversti darbo dienomis.

Esate Vilniaus universiteto grupių CERN RD39 ir RD50 programų vadovas. Įdomu būtų apie jas daugiau išgirsti.

Esu Vilniaus komandos, kitaip mokslininkų grupės, vadovas. Ir ši, vadinamoji „neformali“ grupė sugeba tirti įvairiais metodais labai įvairių medžiagų savybes ir išmatuoti parametrus, kurių negali nustatyti kiti. Todėl mes glaudžiai bendradarbiaujame su kitomis grupėmis. RD50 programos vykdymo pradžioje (2002–2005 m.) man buvo pavesta kuruoti vieną mokslinių tyrimų kryptį. Šiandieniniai detektoriai gaminami iš silicio, vieno populiariausių puslaidininkių, tačiau buvo akivaizdu, kad iki šiol naudojamas silicis ateities detektoriams netinka. Todėl buvo pasiūlyta išnagrinėti ir kitas medžiagas, kurios atrodė ne mažiau perspektyvios. Buvo suformuota naujų medžiagų (tenkinančių Didžiojo hadronų kolaiderio eksperimentų sąlygas) radiacijos detektoriams paieškos kryptis, taip pat kryptis, kurioje bandoma įterpti į silicį defektus; jie turėtų pagerinti kristalo radiacinį atsparumą. Pirmosios krypties darbus teko koordinuoti, o kitoje kryptyje vykdyti įvairius defektų inžinerija paveikto silicio tyrimus.

Mintyje turite greitaveikiškumo užtikrinimo galimybę integriniuose grandynuose ir lustuose, kuriuose galėtų būti pranaudotas silicis arba jo dariniai?

Reikalavimai buvo sudėtingi: užtikrinti greitaveikiškumą, jautrį ir radiacinį atsparumą. Štai šias tris savybes siekta užtikrinti naujai kuriamuose įtaisuose ir naujausioje aparatūroje. Norint, kad ta aparatūra veiktų nustatytą laiką, signalai turi būti reikiamo dydžio, be to, jie turi labai greitai pasikartoti. Kitaip tariant, signalo nuskaitymas turi vykti per 12 nanosekundžių (ns). Tai itin sparčių detektorių kūrimo problemos sudėtinė dalis.

Dar vienas reikalavimas buvo tas, kad naujai kuriamos sistemos turi būti įperkamos užsakovui. Mes, mokslininkai, kuriame tuos įtaisus ar sistemas, o jas gaminti teks firmoms, ir ta gamyba neturi būti pernelyg brangi.

Žodžiu, turi būti užtikrintas gamybos technologiškumas?

Tai būtinas reikalavimas, nes gamybos sudėtingumas atsispindi gaminio savikainoje. Naujų medžiagų kūrėjams tenka gilintis į visus šiuos niuansus. Vilniuje vykusio CERN pasitarimų ciklo programoje norėčiau išskirti didžiausią konferenciją CERN RD50. Tai bendradarbiavimo (tyrimų ir plėtros) programa, kurioje buvo numatytos 6 paprogramės: Medžiagų charakterizavimas, Defektų inžinerija, Naujos medžiagos, Detektorių charakterizavimas, Naujieji detektoriai ir Visos sistemos analizė. Naujieji detektoriai – tai vadinamosios 3D konstrukcijos, kurios, pakeitus elektrodų išsidėstymą, panaikina bandinio storio ir signalo nuskaitymo trukmės ryšį, tačiau reikalauja visiškai naujos schemotechnikos. Reikia nustatyti, kaip kuriamus detektorius pavyks suderinti su visa kita elektronine sistema ir kaip tie detektoriai „elgsis“ darbinėmis sąlygomis.

Šių paprogramių galutinis siekis – sukurti naują aparatūrą?Jei taip, tai kokią?

Norima sukurti milžinišką detektorių sistemą, kuri veiktų nepriekaištingai, nors ir būtų sudaryta iš daugybės įvairių rūšių detektorių. Jie visi turi teikti informaciją apie tą vienintelį procesą, kai Didžiajame hadronų kolaideryje vienas protonas susismogs su kitu. Mūsų aptariamos programos nagrinėja tik arčiausiai protonų susidūrimo vietos esančius detektorius, kurių gyvybingumą labiausiai pažeidžia radiacija. Visa sistema aprėpia ir daugelį kitų detektorių, kurie reikalingi sukuriamų dalelių energijai ir kitiems parametrams nustatyti.

Štai čia mūsų pokalbyje nuo medžiagotyros dalykų, kurie būtini naujų detektorių gamybai, ir prieiname prie didžiajame hadronų kolaideryje vyksiančių procesų?

Tai vis tie patys tiesioginiai CERN’o uždaviniai, skirti tyrinėti procesus, ieškoti naujų materijos savybių. O tam reikia pasirinkti tinkamus instrumentus, kad pavyktų sudaužyti protonus. Iš jų skeveldrų būtų galima spręsti apie tuos materijos ir Visatoje vykusius bei vykstančius procesus, apie kuriuos dabartinė fizika vis dar neturi informacijos. Vienas įdomiausių klausimų, į kurį norima gauti atsakymą, sietinas su priežastimis, lemiančiomis kūnų masę. Kita plačiai diskutuojama problema – kas tai yra „tamsioji medžiaga“, kurios egzistenciją pasiūlė astrofizikai nagrinėdami galaktikas. Ne ką mažiau įdomios problemos, susijusios su klausimu, ar dabartinis elementariųjų dalelių modelis yra pakankamas, ar dar reikia atrasti naujas „supersimetrines“ elementariąsias daleles. Tą įdomių temų ratą galima tęsti.

Vaizdžiai tariant, du protonai pagreitinami iki sunkiai įsivaizduojamo greičio, sudaužiami „kaktomis“, ir iš išsilaksčiusių skeveldrų sprendžiama apie gilumines materijos savybes. Bet gal tai pernelyg supaprastintas vaizdas?

Iš esmės taip ir yra. Kartais juokiamasi, kad automobilio vidinę sandarą galima pamatyti dviem būdais: išardžius automobilį arba du automobilius susmogiant labai dideliu greičiu vienas į kitą. Jeigu jie susidauš važiuodami nedideliu greičiu, tai susispaus kaip armonikos dumplės ir vidinės struktūros neišvysime. Susismogus labai dideliu greičiu, visos detalės išsilakstys į šalis, ir iš tų detalių galima spėlioti, kokie tai buvo automobiliai. Tą kartais ir daro teismo ekspertai. Elementariųjų dalelių fizikoje kol kas tai vienintelis būdas sužinoti apie mikrodalelių sandarą. Daužiant vieną dalelę į kitą ir nagrinėjant skeveldras, išlėkusias smūgio metu, pavyksta giliai įsiskverbti į materijos gelmes.

Jums, kaip medžiagotyros atstovui, tikriausiai netenka labai giliai smelktis į elementariųjų dalelių fizikos problemas?

Iš tikrųjų mums tenka smelktis visur, tik vienu atveju į tam tikras problemas gilinamės kaip profesionalai, o kitais atvejais lendame kaip mėgėjai. Jeigu žinome, kad smūgyje dalyvauja neutronai, protonai ar pi-mezonai (pionai), tai turime reikalų su tam tikra specifika, sąveikomis. Tokiu atveju tenka gilintis į didelių energijų fizikos reikalus, nes kitaip būtų sunku suprasti, kokie sąveikos mechanizmai gali egzistuoti toje medžiagoje. Taip pat aiškinamės, kokiu keliu atsiranda tos ar kitos dalelės.