Физиката на елементарните частици е част от стремежа на човечеството за дълбоко познание за Вселената, в която живеем

Проф. Марк Томсън (Снимка: Economy.bg)

Марк Томсън е професор по експериментална физика на елементарните частици в лаборатория Cavendish и професор сътрудник на Emmanuel College, в университета Кеймбридж. Той е известен физик в областта на елементарните частици и водеща фигура в световната научна общност. Неговите основни изследователски интереси са във физиката на неутриното, където е допринесъл значително за нашето разбиране на тези неуловими частици. Професор Томсън е заемал няколко престижни позиции, включително като изпълнителен председател на Съвета за научни и технологични съоръжения (STFC) в Обединеното кралство. Тази роля включва надзор на финансирането и стратегическа насока за широк спектър от научни изследвания, включително физика на елементарните частици, астрономия и космическа наука.

Проф. Томсън е известен и с работата си върху Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), голям международен проект, насочен към изучаване на неутрино, за да отговори на фундаментални въпроси за Вселената. Освен това той е автор на учебника „Съвременна физика на частиците“, който се използва широко в академичните среди. Също така е номиниран от Обединеното кралство за следващия генерален директор на ЦЕРН, Европейската организация за ядрени изследвания, където ще се стреми да продължи преследването на новаторски открития във фундаменталната физика.

Economy.bg разговаря с проф. Томсън за това как е станал учен, какво всъщност представлява физиката на елементарните частици и защо е важна, върху какви проекти е работил, имал ли е ментор или някой, който го е двъхновил, как се справя с баланса между учен и администратор на голяма научна организация и коя е следващата голяма граница, която човечеството ще премине по отношение на физиката на елементарните частици.

Как станахте учен?
Бях на около 13, може би 14. Всъщност беше чрез четене на книги за физика на елементарните частици и желанието да знам повече. Както може да се очаква с книгите за тази възрастова група, те винаги поставят повече въпроси, отколкото отговарят. Просто исках да намеря отговорите и това ме насочи към научна кариера. А и винаги съм бил добър по математика, така че можех да се справя и с физиката. По същество исках да знам повече за Вселената.

Има ли конкретен учен, или ментор, който Ви е вдъхновил?
Когато бях в гимназията, не беше учен – беше математик. Един от моите учители по математика, който беше и международен съдия по ръгби. Така че той имаше много странна двойна кариера. Но беше фантастичен учител и отиде далеч отвъд учебната програма по отношение на математиката. И това наистина помогна. Мисля, че от научна гледна точка вероятно най-влиятелният човек беше професор Доналд Пъркинс, с когото работих в Оксфорд, когато бях студент. Той беше доста известен човек, направил редица открития и винаги се интересуваше от това да гледа науката от различна гледна точка и да изпробва различни експериментални техники. Така че той ми оказа много голямо влияние. Винаги ми беше приятно да разговарям с него на кафе например. Много вдъхновяващо.

Защо физиката на елементарните частици е важна?
Това, което всъщност правим във физиката на елементарните частици, е, че се опитваме да разберем Вселената на нейното най-основно ниво. Така че това наистина е продължение на дългото търсене на човечеството да разбере Вселената около нас от хиляди години. Сега, разбира се, това, което правим, е много по-напреднало и започваме да разбираме много повече. Така че наистина е част от стремежа на човечеството за наистина дълбоко разбиране и дълбоко познание за Вселената, в която живеем. Мисля, че не е важно само от научна гледна точка, има и културно значение. Това със сигурност е моето виждане по темата. Може да съм предубеден, защото съм физик на елементарните частици, но мисля, че всеки донякъде схваща идеята, че искаме да разберем Вселената, в която живеем.

На какво ни учи?
Мисля, че едно от нещата, които са много ясни на места като ЦЕРН и другаде, е международното научно сътрудничество. Когато се опитвате да отговорите на тези много големи въпроси, тези много предизвикателни въпроси, не можете да го направите като индивид. Просто не е възможно. Трябва да съберете хора от целия свят и искрено да си сътрудничите, защото, както казах, това не е индивидуално усилие. То наистина е голямо екипно усилие. Мисля, че в известен смисъл е едно от нещата, които физиката на елементарните частици може да научи може би други области на науката, в които съвместната работа наистина е много мощна.

Може ли да обясните какво е неутрино и защо е важно?
Неутрините са едни от основните частици. Всъщност нямаме много фундаментални частици. Смятаме, че Вселената е изградена от 12 основни градивни елемента. Това не е много. И три от тях се наричат неутрини. Различното при неутрините е, че те имат почти нулева маса. Не съвсем, но са много, много по-леки от всички други частици. И другото, което е много необичайно за тях, е, че могат да преминават през материя почти незабелязани. През повечето време, ако имате милиарди неутрини и ги изстреляте през цялата Земя, може би само 1 или 2 от тях биха направили нещо в това пътуване. Така че са доста странни частици. От гледна точка на физиката на елементарните частици са наистина интересна квантова система. Използваш неутрините и начина, по който те говорят помежду си и квантова механика, за да измериш някои много фини свойства. Нещото, което можете да направите с неутрините, което не можете да направите с други частици, е да ги изстреляте на много, много дълги разстояния, като през Земята, и след това да ги откриете в другия край. И има много фини промени в техните свойства, които измерваме. И това ни казва нещо много фундаментално за природата на Вселената. Така че те са специални частици заради това, което правят. Но също така знаем, че са много странни, защото почти нямат маса. 

Работили сте в ЦЕРН върху W- и Z-бозоните. Какво представляват и как са свързани с Хигс-бозона?
Във физиката на елементарните частици имаме три различни сили. Имаме градивните елементи на материята, тези 12 частици, след това имаме няколко сили. Познатата се нарича електромагнетизъм. Това са електричество и магнетизъм. Те са една единствена сила. Ние знаем за това. Има силна сила, която държи ядрото заедно в нашите атоми. И тогава идва трета сила – слабата сила. А слабата сила се създава от бозоните W и Z. И те са открити още през 80-те години. Това, което прави тези частици различни, е, че те са много тежки. Така че това са частици, носещи сила, които са много тежки, за разлика от другите частици. Електромагнетизмът е фотонът. Това е частицата на светлината. Няма маса. В нашия теоретичен модел всъщност е много трудно да се обясни как всяка частица може да има маса. И това наистина е едно от изненадващите неща, че когато открихме тези много тежки частици, трябваше да обясним как са получили масата си. И бозонът на Хигс, тази специална частица, която открихме през 2012 г., придаваща на всички частици техните маси. Хигс-бозонът е невероятно специален – той дава масата на всичко във Вселената и без това не бихме могли да обясним тези други частици, W и Z. Цялата ни теория няма да има никакъв смисъл. Така че моята работа беше да проуча много подробно свойствата на W- и Z- бозоните, за да можем наистина да разберем свойствата им. И по това време дори можехме да предвидим каква ще бъде масата на Хигс-бозона, въпреки че не го бяхме виждали. И всъщност успяхме.

Детекторите за частици са особено важни в изследванията Ви. Разкажете ни как работят.
Има много различни видове детектори за частици. Основната идея е много проста – ако имате частица, която лети през пространството, искате да поставите нещо на пътя ѝ, през което тя вероятно ще премине, но оставя малък сигнал. Има два примера. В много детектори по физика на частиците в момента използваме много тънки листове силиций. Те приличат малко на камерите в телефоните, състоят се от много малки пиксели, но в основата си са силиций. Когато частица с висока енергия преминава през парче силиций, тя отлага малко енергия. И можете да прочетете този сигнал за изходяща енергия. Можете да кажете, че тази частица е преминала през конкретно място във вашето парче силиций. След това, ако имате няколко слоя силиций, можете да разберете къде всъщност отива тази частица. Това е един пример как откриваме частици.

Има и други начини, по които можем да използваме специални видове пластмаса. Много подобна идея. Когато частицата преминава през пластмасата, тя създава малка светкавица и след това откривате тази светкавица. Знаете, че можете да проследите тези частици. Вие не ги спирате, вие ги проследявате, докато минават през нещо. По отношение на иновациите с нашите детектори за частици винаги се опитваме да направим нещо, което не е правено преди, или да направим нещо по-добро. Трябва да разработваме все по-добри детектори. Мисля, че добър пример за скорошна иновация в някои от тези силициеви детектори е разглеждането на много бързи детектори за изображения, които започват да се използват за медицински изображения по по-добър начин, отколкото можеше да се направи преди. Веднага, щом можете да изобразявате частици, можете да започнете да изобразявате частици в медицински скенери и да правите това по много по-добър начин. Това е само един пример, има много други.

Кое е най-вълнуващото нещо в научната Ви кариера?
Изучаването на неутрино. Разглеждахме начина, по който един тип неутрино може да се превърне в друг. И по това време разглеждахме определен тип неутрино, наречено мюонно неутрино. Никога дотогава не беше наблюдавано да се превръща в електронно неутрино. Така че в експеримента, върху който работихме с моя много малък екип, разработихме нов начин за търсене, много по-мощен. Никога преди не беше откривано, взехме някои данни и не смятахме, че наистина имаме шанс да видим нещо просто защото беше точно на ръба на възможното. Беше наистина вълнуващо, защото получихме малък сигнал, но не беше достатъчно голям, за да можем да твърдим, че това е откритие. Заедно с друго експериментално сътрудничество видяхме подобно нещо по същото време. Беше много вълнуващо, когато отворихме нашите данни, за да видим какви са, и видяхме това, този намек за сигнал. Така че това беше особено интересно време.

Как изглежда един типичен ден за Вас, бидейки едновременно учен и лидер на голяма научна организация?
Ако сте научен изследовател, мисля, че не е лесно, но вашите отговорности всъщност вероятно са тройни. Човек очевидно се занимава с наука. Другото е преподаването, което е много голяма отговорност, и мисля, че всички учени трябва да искат да преподават на следващото поколение. Третата и последна отговорност всъщност е работата със завършилите студенти, тези, на които помагате да станат следващите учени. Така че като изследовател общите неща, които правите, са някак добре дефинирани. И е само въпрос на постигане на правилния баланс. В ролята, която имам сега, бих казал, че няма нито един ден, който да прилича на друг. И искам да кажа, че това е наистина вярно. Понякога работя с нашето правителство, с нашето министерство на науката. Понякога работя с международни организации. Понякога се опитвам да изградя нови научни сътрудничества с различни страни. Също така се грижа за много голяма научна организация, която сега управлявам с 3000 служители и се опитвам да разработя стратегията и подхода за това, което искаме да правим, не непременно сега, но след пет години. Така че мисля, че няма такова нещо като типичен ден. И това го прави наистина интересен и е много предизвикателно, но наистина завладяващо. Мога да видя науката от толкова много различни аспекти – на финансирането на науката в Обединеното кралство, физиката на елементарните частици и астрономията, действителното предоставяне на ресурси на правилните хора, както и на действителното правене на науката в нашите собствени национални лаборатории, които, както казах, са големи научни организации. Така че нито един ден не прилича на друг.

Какво бихте посъветвали младите хора, които се чудят дали да изберат научна кариера?
Да го направят, абсолютно! Знаете ли, направихме някои проучвания в Обединеното кралство, разглеждащи хора, които се стремят да преподават. Един вид академична, научна кариера във физиката например. Те са невероятно пригодни за работа след това. Не всички се занимават с физика. Понякога отиват в други области, навлизат в изкуствения интелект, но уменията, които придобиват, докато изучават науката, са невероятно продаваеми. Нужни са навсякъде. Те са необходими и в инженерството. Необходими са, няма да кажа в компютрите, а в изкуствения интелект, необходими са и във финансовия сектор. Финансовият сектор се нуждае от хора, които са добре обучени и много добре работят с числа. И мисля, че това ще става все по-важно в бъдеще, тъй като в нашите икономики все повече навлизат технологиите. Така че мисля, че за хората, които имат интерес към науката, това е брилянтна кариера, както и различни пътища и възможности. И мисля, че това е ключът, който отваря огромен брой възможности, не само научни, но и по-широки. И в бъдеще нашият свят почти сигурно ще стане по-напреднал в технологично отношение и хората с научни умения ще бъдат невероятно ценни, каквито всъщност са и сега. И знаем, че не са достатъчно.

Вие сте номинацията на Великобритания за следващ генерален директор на ЦЕРН. Защо решихте да се кандидатирате?
Поради две причини. Първо, аз съм физик на елементарните частици, така че съм запален по ЦЕРН. Искам да кажа, че ЦЕРН е брилянтна организация и огромна и наистина важна възможност. Следващите няколко години са много важно време за ЦЕРН. Така че дори само по отношение на моята страст към науката и всъщност стремежът ми ЦЕРН да продължи да успява. От друга страна, вероятно през последните 10 години не чрез планиране или нещо подобно, а просто от това, което правя, ръководейки голямо научно сътрудничество, след това голяма научна организация и също с много международни ангажименти не само из Европа и други страни, работещи с финансиращи организации и министерства, някак си всъщност имам всички умения, за да мога да върша работата. Така че съм в позиция, в която мога да се видя в ЦЕРН като следващия генерален директор. И да служа на ЦЕРН. Усещам го като служба – правите нещо за доброто на организацията. Мисля, че притежавам всички необходими умения, и вярвам, че това беше причината, поради която моето правителство имаше голямо желание да издигне името ми.

Какви интересни проекти има в момента в ЦЕРН и как те ще допринесат за широката общественост?
Много е трудно да се предвиди. Науката, която се правите днес, точно на авангарда, може да доведе до иновация след 50, 20, може би 100 години. Просто не се знае. Така че е много трудно да се предвидят големите въздействия. И един пример, който винаги обичам да използвам, е общата теория на относителността на Айнщайн, която е отпреди повече от 100 години. Не мисля, че някой е вярвал, че има някаква практическа полза. Нещата, които предсказва, са толкова малки, че изглеждат безполезни. Но сега целият GPS разчита на разбирането на общата теория на относителността, за да направи корекциите, така че да можете да го използвате. Винаги е трудно да се предвиди точно какво ще се случи. 

За мен най-интересният проект, който е в ход в ЦЕРН сега, е Lumi Large Hadron Collider. Това е да вземем нашата съществуваща машина, водещата машина, LHC, и да я направим по-ярка, не да я правим по-енергична, а да я направим по-ярка. Вече сме направили забележителни измервания на научни открития, но всъщност сме само в началото на това пътуване. Тази машина ще стане по-мощна.

Също така подобряваме нашите детектори. И много, много умните учени, които работят върху тези научни експерименти, измислят все по-умни начини за анализиране на данни и за надграждане на използването на изкуствения интелект. В известен смисъл наистина сме едва в началото на LHC, въпреки че не изглежда така. Мисля, че това е невероятно вълнуващо. Има реални възможности да открием неща, които не сме виждали досега. Мисля, че това е интересното. Кой знае какво може да видим – може да не видим нищо, не се знае. Но това се случва, когато изследваш неизвестното. И ако видим нещо, то може да е напълно различно от това, което очакваме да бъде, защото, това е природата на научното откритие. Ако знаехте какво ще откриете, това всъщност не е откритие. Мисля, че проектът е невероятно вълнуващ и ще работи до около 2040 година, така че има повече от десетгодишна програма за изследване, търсеща открития. За мен това е най-вълнуващото, което се случва.

Коя е следващата голяма граница във физиката на елементарните частици?
Има толкова много. Това се случи през последните, да кажем, 60 години и някак се ускори напоследък – имаме наистина много точно описание на всичко, което виждаме, и то се нарича стандартен модел на физиката на елементарните частици. Това е сегашното ни разбиране за физиката на елементарните частици. Но има толкова много въпроси, на които отговаря и задава, а ние не знаем отговора. Така че можем да опишем Вселената наистина с много подробности. Има неща, които не разбираме. Не разбираме защо има толкова много частици. Не разбираме защо техните маси са такива, каквито са, а те са много различни. Нямаме представа защо са различни. Това всъщност е доста странно. Ние наистина не разбираме защо масата на неутриното е толкова малка. Не разбираме защо е останала материя във Вселената. Всъщност имаме някои идеи за това. 

Вероятно най-големият въпрос е, че знаем, че материята, която виждаме, е само около 5% от материята във Вселената. А останалото се нарича тъмна материя или тъмна енергия. И ние знаем, че е там, защото можем да видим ефектите от присъствието ѝ предвид космологията. Не знаем какво е. Така че се надявам в допълнение към физиката на откритията в Големия адронен ускорител, вече имаме много интересна програма за бъдеща физика на неутриното, където можем да започнем да отговаряме на някои от тези въпроси. И другата голяма граница във физиката на елементарните частици е търсенето на тъмна материя. И се надявам, че ще постигнем напредък в това през следващото десетилетие, би било огромно откритие. Би било, ако идентифицираме какво представлява тъмната материя, това е, разбирате ли, наука за Нобелова награда без съмнение.

Какво следва за проф. Томсън?
Зависи. Има възможности. ЦЕРН очевидно е една от тях и мисля, че едно от нещата, които съм правил през цялата си кариера, не е като да имам план за кариера, че ще направя това и ще отида от A до B, а това ще ме отведе до C, после до D и накрая ще стигна дотук. Не така се разви кариерата ми. И не мисля, че това е начинът, по който се развива кариерата на повечето хора, така че всъщност не знам отговора на този въпрос. Знам, че има много, много интересни възможности и очаквам с нетърпение да открия в каква посока ще се насоча отново към откривателската наука в търсене на неизвестното.