Теории и практики: Физик Игорь Алцыбеев об экспериментах на адронном коллайдере и рисках работы по грантам

В детстве я мечтал стать водителем троллейбуса № 5 в городе Кирове. По этому маршруту мы часто ездили в гости к бабушке, и мое внимание всегда было приковано к щелчкам и вспышкам в коробке рядом с водителем (видимо, при включении-выключении реле). Еще мне нравилось наблюдать, как рога троллейбуса преодолевают перекрестки проводов. Я представлял, как везу людей, уверенно вращая огромный руль на поворотах.

На меня очень сильно повлияла книжка Павла Клушанцева «Станция «Луна». Прочитав ее, я мог отчетливо представить себе траекторию спускаемых на Луну аппаратов, прыжки в пониженной гравитации, сжатый газ в баллонах и даже неплохо знал карту Луны с названиями кратеров. Класса с шестого я стал читать больше на тему физики и космоса. Мы с братом соорудили на даче солнечные часы (гномон) и расписали таблицу с различными коррекциями на их показания. Мое воображение будоражили такие вещи, как атмосфера Юпитера с его холодным металлическим ядром, безмолвный полет мириад частиц, составляющих кольца Сатурна. Нравилось понимать жизненный цикл Солнца и его место в иерархии звезд — через это я задумывался о месте людей в этом огромном мире.

Все это привело меня в МГУ. На третьем курсе я распределился на кафедру физики высоких энергий, начал ездить на занятия из Москвы в Дубну. В 2005 году нас, студентов четвертого курса, впервые вывезли в ЦЕРН на ознакомление с экспериментальными установками на Большом адронном коллайдере (LHC, по-нашему БАК). Основные задачи, решаемые в экспериментах на коллайдере, — поиск новых частиц, проверка теоретических предсказаний, уточнение параметров Стандартной модели физики частиц, а также исследования нового состояния вещества, называемого кварк-глюонной плазмой. В то время эксперименты на БАК еще только готовились, работа кипела в институтах по всему миру. Например, я занимался оценкой эффективности работы мюонных детекторов на установке CMS. Защитив диплом, я переехал в Санкт-Петербург и устроился на работу инженером-моделистом. В моем отделе создавались программные тренажеры-симуляторы морских судов. Я разрабатывал симуляцию циклов сгорания топлива в корабельных дизельных двигателях и модель опреснительной установки на корабле — испарителя морской воды размером с актовый зал. И все же я довольно быстро заскучал по науке и через несколько месяцев поступил в аспирантуру в СПбГУ, присоединившись к группе Григория Александровича Феофилова — заведующего лабораторией физики сверхвысоких энергий.

В течение трех лет, пока я работал и параллельно учился в аспирантуре, все больше убеждался, что душа лежит к фундаментальным исследованиям. Моя диссертация была посвящена угловым корреляциям вылета частиц из области столкновения двух протонов либо ядер свинца в установке ALICE на БАК — одной из четырех больших экспериментальных установок, сооруженных на этом коллайдере.

ALICE расшифровывается как A Large Ion Collider Experiment, то есть основная физическая задача этого эксперимента — исследование свойств кварк-глюонной среды, рождаемой в соударениях ядер. Группа под руководством Григория Александровича Феофилова участвует в коллаборации ALICE с 1992 года, с самого момента ее образования. Работа в группе ведется сразу по многим направлениям: это разработка и создание частей экспериментальной установки, анализ экспериментальных данных, поддержка вычислительных кластеров (GRID) по анализу данных ALICE в РФ и, наконец, теория. В 2010 году я впервые поехал в ЦЕРН уже от СПбГУ. Во время этой командировки впервые участвовал в рабочих совещаниях и провел первые работы по анализу дальних корреляций в данных по протон-протонным соударениям. Интерес к теме набирал обороты, и в 2012 году встал вопрос: либо я ухожу из своей компании и полностью довожу результаты до публикации и защищаю диссертацию, либо остаюсь в индустрии. Я выбрал первый вариант. К этому времени ситуация с финансированием стала несколько лучше, появились гранты, и я смог полностью переключиться на работу в лаборатории физики сверхвысоких энергий.

Вообще, изучение свойств кварк-глюонной среды проводится путем измерения большого числа разных наблюдаемых. Ни одна величина по отдельности не может дать исчерпывающую информацию о происходящих процессах и параметрах системы. Чтобы понять, что происходит на масштабах 10 в минус 15-й метра, нам нужно измерить множественность, спектры импульсов частиц различных сортов, число частиц одного сорта по отношению к другому, угловые корреляции, флуктуации выходов частиц и другие величины. Это как в притче про слона и слепых, которые его ощупывают: кто-то ощупал хобот, кто-то — уши, кому-то достались ноги или хвост, и вот они должны сложить из этих измерений одну цельную картину.

Эксперименты в современной физике частиц возможны только в слаженной работе большого коллектива людей: только сотрудничество теоретиков, экспериментаторов, инженеров, IT-специалистов и грамотное администрирование всего происходящего могут обеспечить получение нового физического результата.

У каждой коллаборации (например, как в ALICE на БАК) есть конституция, которая содержит научные цели, которые коллектив ставит перед собой, прописывает четкую иерархию внутренней организации и все внутренние процедуры работы. Институты, состоящие в коллаборации, берут на себя те или иные обязательства. Например, в начале 1990-х СПбГУ занялся разработкой и созданием систем структур поддержки и охлаждения слоев внутренней трековой системы ALICE. Сегодня он продолжает эти работы для обновленного варианта внутреннего трекера, который вступит в строй в 2020 году.

Каждому институту — участнику коллаборации приписывается определенное количество смен на эксперименте, которые необходимо отработать в текущем году. Смена (как правило, восьмичасовая) подразумевает присутствие в комнате управления экспериментом и выполнение ряда функций во время сеансов по набору данных. Все участники коллаборации имеют полный доступ к экспериментальным данным и могут начать вести свой собственный физический анализ. Результаты сначала обсуждаются на технических рабочих совещаниях по анализу — еженедельных и проводимых очно либо через систему видеоконференций онлайн. Со временем анализ выходит на уровень физической группы и, наконец, на финальной стадии выносится на физический форум, где уже вся коллаборация обсуждает полученные результаты и в итоге дает или не дает добро на публикацию статьи за подписью коллаборации.

В ALICE около 20 таких научных подгрупп по физическому анализу (Physics Analysis Group, PAG), и каждая фокусируется на каких-то своих задачах. Есть группа, изучающая спектры импульсов частиц различных сортов, есть PAG по изучению так называемых потоков — коэффициентов при разложении в ряд Фурье распределения по углам вылета частиц. На каждую такую группу назначаются по два координатора. Они проводят еженедельные рабочие совещания, на которых студенты и ученые представляют свои результаты анализа. Недавно я стал таким координатором: наша группа занимается анализом флуктуаций от соударения к соударению (event-by-event) различных физических величин, например количества частиц определенных сортов либо так называемого остаточного заряда (net-charge) в определенном интервале углов.

Координаторы решают и разные организационные вопросы. Например, для нашего PAG особенно актуальна проблема часовых поясов: часть людей, ведущих анализ флуктуаций, находится в Индии, часть — в США, европейцы — посередине (им проще всего). Поэтому еженедельные совещания начинаются у нас в 16:00 по центральноевропейскому времени: у американцев это около 9 утра, в Петербурге — 17:00, а в Индии это 7–8 часов вечера. Компетентность в своей области и умение ясно донести свой результат до сообщества — это базовые требования для любого ученого. Вдобавок для работы в международных группах необходима коммуникабельность и владение английским. Очень помогают личные знакомства с коллегами, с которыми ведется работа: заочный обмен электронными письмами намного проще, когда люди знают друг друга.

Мы в СПбГУ на протяжении нескольких лет проводим мастер-классы по анализу данных эксперимента ALICE для школьников — они приезжают целыми классами из разных школ Петербурга и Москвы. В марте ребята, приехавшие к нам в СПбГУ, впервые в России участвовали в централизованном мастер-классе, который координировал ЦЕРН. После сессии по анализу данных школьники через видеомост обменялись полученными результатами и пообщались со сверстниками из Франции, Италии и США. У ребят горят глаза, когда они прикасаются к реальной науке и имеют возможность поработать с живыми данными с коллайдера, что-то из них извлечь.

Бывают и вылазки за пределы университета. В прошлом году, например, я был одним из ведущих в центре по популяризации науки в Петербурге, откуда проводился видеомост с ЦЕРН: коллега с камерой GoPro на голове спустился вниз на 90 метров в шахту к детектору CMS и в онлайн-режиме показывал и рассказывал про эту гигантскую установку. Или год назад я читал лекцию про коллайдер школьникам, вышедшим в финальный тур Всероссийской математической олимпиады.

Сложностей, с которыми приходится сталкиваться, немало. Сейчас финансирование научных исследований у нас почти полностью переведено на систему грантов. Но если западный ученый-профессор имеет постоянную позицию в университете с достойной зарплатой, то перерыв в гранте позволяет ему держаться на плаву — продолжить преподавание и научную работу, а получение очередного гранта позволит набрать новых студентов, аспирантов или постдоков. У нас же ставки профессоров и доцентов низкие, и без серьезных грантов существовать практически невозможно. А ведь гранты имеют свойство заканчиваться, и, чтобы научная работа получила продолжение, необходимо подавать на новые и новые гранты, ко всему этому еще добавляется изрядное количество бюрократических заморочек.

Что касается аспирантов и постдоков, то это основная сила, которая производит анализ экспериментальных данных в коллаборациях на БАК, и ALICE в том числе. Как правило, это двух-, трех-, иногда четырехлетние позиции, и во многих странах эти молодые ученые имеют достойную оплату труда. У нас в России стипендия в аспирантуре очень маленькая, единственная возможность получать зарплату — это опять же «сесть на грант», но большинство грантов не настолько крупные, чтобы достойно оплачивать работу аспирантов, тем более если речь идет о содержании семьи. Постоянно существует опасность не получить очередной грант, и если пробел достаточно долгий (месяцы), то группа может просто выпасть из работы.

Еще одно сравнение. Когда я бываю в командировках в ЦЕРН и других институтах, то замечаю, как мало там бюрократии и бумажного делопроизводства по сравнению с нашими институтами. Количество необходимых действий сильно уменьшено и возможно через электронные формы, и подписи тоже электронные. У нас до сих пор, например, чтобы отправиться в командировку, нужно заполнить несколько бланков и собрать порядка пяти-шести подписей, и аналогично — с отчетом по прошедшей поездке.

Думаю, я выбрал работу в сфере фундаментальных исследований, потому что вопросы о том, как устроен мир, интересовали меня с детства. Конечно, университет приумножил мой интерес к физике, дал необходимые знания и инструменты для научной работы, но не имей я того детского, начального интереса, я бы ушел из физики в IT или банкинг, как это случилось со многими моими сокурсниками. Ведь, помимо знаний, университетское образование развивает умение думать, и выпускники естественно-научных факультетов могут не только вести научные исследования, но и быстро войти в курс дела во многих других сферах. Кстати, мне помог не только университет, но и Кировский физико-математический лицей: многие знания и концепции, которые я усвоил еще тогда, до сих пор помогают в работе и в жизни.

Со временем задумок по новым подходам к анализу экспериментальных данных ALICE, по методам, с помощью которых можно получать сведения о поведении кварк-глюонной среды, появляется все больше. Сейчас, например, я делаю попытки применить алгоритмы машинного обучения к данным. Работа продолжается.