От тайн Вселенной до ускоренной доставки мемов с котиками: физик Алиса Чайковская — о возможностях, которые открывает физика частиц

― Насколько знаю, вы получили PhD в Испании, в Университете Барселоны. Расскажите, пожалуйста, какими исследованиями вы там занимались? С какой области в принципе начинали свою научную карьеру?

— В Испании я занималась физикой элементарных частиц. Мы строили теоретические модели взаимодействия элементарных частиц, которые потенциально могут быть проверены в экспериментах на таких ускорителях, как Большой адронный коллайдер. Если окажется, что наши модели лучше других описывают физику, то ученые получат новую информацию о взаимодействиях элементарных частиц, и, возможно, откроют новые типы частиц.

Отчасти мои исследования были связаны с бозоном Хиггса. Дело в том, что у него есть определенные свойства, предсказанные Стандартной моделью — совокупностью теорий, которые описывают электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Однако Стандартная модель не отвечает на все вопросы, так как не объясняет темную материю, темную энергию и гравитацию, и поэтому работает только в определенных физических пределах. 

В Стандартной модели бозон Хиггса считается элементарной частицей, как фотон, электрон и W-бозон. Но есть гипотеза о том, что это не так и бозон Хиггса может быть составной частицей, как нейтрон или пи-мезон. Чтобы это проверить, мы разрабатывали теоретические модели композитного бозона Хиггса. С их помощью можно будет экспериментально измерить свойства частицы.  

Для этого мы использовали так называемый голографический подход. Если очень коротко, то его суть в следующем. Обычно мир считается трехмерным, но в физике частиц трехмерное пространство и время объединяют в единое четырехмерное пространство. В 1990-е годы возникли идеи о том, как использовать дополнительные измерения в теории частиц, например, ввести пятое измерение и голографические методы. Для этого надо вложить какую-то дополнительную информацию в это пятое измерение, а потом перейти обратно к четырехмерному и получить дополнительные свойства четырехмерной теории. Мы строили такие пятимерные модели, в которых пятое измерение было связано с энергией.

В итоге мы создали пятимерную голографическую модель композитного бозона Хиггса, которая описывает его взаимодействие с другими частицами. Если наша модель корректна, ее предсказания, возможно, позволят открыть новые частицы — их можно будет обнаружить на коллайдере в будущем, когда у установки будет больше энергии для таких экспериментов.

― А чем вас в принципе привлекла карьера в науке? Почему в свое время выбрали именно такой путь?

— Я поступила на физфак СПбГУ, но идея строить именно научную карьеру у меня появилась не сразу. Все случилось постепенно: на 3 курсе бакалавриата нужно было выбирать кафедру, и преподаватели всячески поддерживали тех, кто разбирался в теоретической физике ― а мне это было интересно, да и хорошей материальной базы для прикладных исследований в университете тогда не было. А еще, в 2012 году, когда я окончила 3 курс, ученые открыли бозон Хиггса, и в медиа много писали про ЦЕРН, адронный коллайдер и физику частиц. Было ощущение, что наука стоит на пороге важных открытий, которые помогут узнать об истории Вселенной и Большом взрыве. Меня это вдохновило.

― Учитывая ваш опыт обучения и работы в России и за рубежом, как вы считаете, есть ли какие-то сложности именно у женщин, которые строят карьеру в науке? Сталкивались ли вы сами с какими-то сложностями?

— Лично я не сталкивалась с притеснением, но рядом со мной подобное случалось: я знаю, что некоторые ученые-мужчины предвзято относятся девушкам и предпочитают не иметь с ними дело в своем научном коллективе. Также, например, можно встретиться с мнением, что декрет помешает женщине развиваться профессионально. При этом и на физфаке СПбГУ, и на физтехе ИТМО очень хорошее отношение к девушкам — никакой дискриминации по половому признаку я не встречала. В Испании в принципе сильна тема гендерного равенства, а о семейном насилии много говорят — в СМИ часто освещают подобные инциденты.

― В ИТМО вы приехали по программе ITMO Fellowship. Как вообще узнали об университете, программе? Чем вас привлекла такая возможность?

— Об ИТМО я знала давно, потому что с детства жила в Петербурге, однако раньше не знала, что здесь занимаются теоретической физикой — впрочем, и Новый физтех появился относительно недавно.

Должность, на которой я сейчас работаю в университете, нашла по вакансии в открытом доступе. По описанию поняла, что работа близка к тому, чем я занималась прежде — физике частиц. После этого пообщалась с руководителем группы Дмитрием Карловцем и узнала подробнее о программе ITMO Fellowship. Мне понравилось, что вакансия была размещена в открытом доступе — часто в научных учреждениях их распространяют только в узком кругу студентов и научных сотрудников.

― Какое было первое впечатление от ИТМО, когда только приехали? Были ли сложности в адаптации на новом месте?

— В ИТМО меня приятно удивили атмосфера, располагающая к общению внутри и за пределами научной группы, хорошая материальная база университета, простота в коммуникации с сотрудниками административного блока. На физфаке СПбГУ, где я училась и работала раньше, работают замечательные ученые, но есть проблемы с удобством рабочей среды. В частности, они связаны с расположением корпусов физфака СПбГУ в Петергофе. Физтех же удобно расположен в центре города.

В целом, здесь обстановка более живая и свободная, а сотрудники и студенты полны драйва и любят рассказывать о своих исследованиях. В отличие от СПбГУ, где обычно я работала только в паре с руководителем и общалась с ним нечасто, здесь всегда можно обсудить работу с коллегами, а задачи распределяются на много человек.

― Какие исследования вы проводите в ИТМО? Каким видите результат своей работы?

— Я работаю в научной группе, которая занимается физикой закрученных частиц. Такие частицы имеют ненулевой орбитальный угловой момент. Это новое направление, по которому провели много экспериментов за последние 10–15 лет. В отличие от экспериментов в ЦЕРН, где нужно запускать огромные установки и тратить много энергии, опыты по закручиванию частиц требуют более компактного оборудования, обходятся дешевле, проводятся быстрее и тоже дают новую информацию о физике частиц.

Мы проводим теоретические расчеты, которые позволят изучить процессы, происходящие с закрученными частицами. Наша задача в том, чтобы найти, чем эффекты, специфические для закрученных частиц, отличаются от тех, что порождают обычные частицы. Эти знания могут пригодиться физикам-экспериментаторам, которые будут изучать закрученные частицы опытным путем и смогут узнать, на какие их характеристики стоит обратить внимание. Например, у моих коллег есть идеи о том, как можно экспериментально проверить наши модели на коллайдере в ОИЯИ в Дубне.

Прочитайте также:

«Мы хотим, чтобы люди не боялись науки»: физик Станислав Батурин ― о том, что такое установки класса Megascience и зачем нужны «закрученные» частицы

В ИТМО придумали, как закручивать частицы с помощью свойства квантовой запутанности

Ученый Дмитрий Карловец — о программах Fellowship для исследователей в России и Германии и о том, зачем «закручивать» частицы

― Как можно применять эти результаты на практике? В каких областях они будут полезны? Какие проблемы могут помочь решить?

— Закрученные частицы можно использовать, чтобы повысить скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю и, например, сделать интернет более скоростным за счет мультиплексности. Дело в том, что закрученные частицы несут большее количество информации, поскольку содержат дополнительную характеристику или степень свободы — орбитальный угловой момент (ОУМ). В оптоволокне информация передается с помощью импульсов света — фотонов. Соответственно, чем больше информации нам удастся поместить в фотоны, используя закрученность, тем быстрее будет скорость передачи информации в оптоволокне. Получается, что закрученные частицы помогут нам быстрее отправлять или получать любую информацию, например, те же мемы с котиками.

Другая область применения — физика частиц, а именно адронов, составных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Это уже ближе к нашим исследованиям. Простой пример адрона — протон. Чтобы экспериментально определить его внутреннюю структуру, ученые «стреляют» электроном с большой скоростью по протону и смотрят на то, как разлетаются частицы в конечном состоянии. В частности, в ходе подобных экспериментов ученые «увидели» кварки в структуре протона. Нас же интересует, что изменится в этом процессе, если использовать закрученный электрон.

Кроме того, наши исследования потенциально могут быть полезны в изучении Вселенной. Дело в том, что из космоса к нам прилетают разные частицы (протоны, электроны, фотоны, нейтрино). Ученым не всегда понятно, что является источником этих частиц. Информацию об этом мы получаем, исследуя свойства частиц, одно из которых — закрученность. Источником закрученных частиц в космических лучах может служить, скажем, вращающаяся черная дыра. Наши исследования как раз направлены на поиск методов, которые позволят выделять закрученные частицы в общем потоке и определять их характеристики.

— Помимо научной работы, в ИТМО вы занимаетесь преподаванием. Чему вы учите студентов? И как справляетесь со сложностями, которые возникают в процессе обучения?

— В прошлом семестре я преподавала общую физику, и это было своего рода челленджем, потому что этот раздел физики далек от того, чем я обычно занимаюсь. С другой стороны, было интересно переосмыслить то, чему меня когда-то учили в бакалавриате.

В этом семестре я веду курс по физике элементарных частиц, и материал на нем немного сложнее. Несмотря на трудности, думаю, что и студентам, и в целом широкой аудитории важно рассказывать о современном взгляде на фундаментальное устройство Вселенной. Очень часто такие теории далеки от практического применения, однако наука — это не только про быстрый технический прогресс, но и про развитие наших знаний о мире, в котором мы живем. Хоть в физике элементарных частиц и приходится работать с абстрактными теоретическими концепциями, мне кажется, студентам важно указывать на связь теории с реальными экспериментами.

А вообще, преподавание помогает и в научной работе, так как умение точно подчеркнуть важные аспекты каких-то теорий может пригодиться, например, при общении с новыми студентами, которые приходят в нашу научную группу.

― А чем занимаетесь в свободное время?

— Я люблю читать исторические романы и фэнтези, играть в компьютерные игры жанра RPG (например, последний Pathfinder, Cyberpunk), стратегии (Civilization и другие), смотреть сериалы. Читаю всё на английском, потому что лет в 17 решила, что хочу читать книги в оригинале.