Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

Запомните эту дату: 18 декабря 2018 года Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) завершила прием предложений о дальнейшей стратегии своей работы и развития. ЦЕРН — ключевая организация, координирующая международные усилия в области физики высоких энергий. Здесь эксплуатируется Большой адронный коллайдер и планируются ускорители завтрашнего дня, и от выбора, который должен быть сделан до лета 2020 года, во многом зависит будущее фундаментальной науки. Тем же днем 18 декабря пришло и другое важное известие: власти Японии озвучили свое окончательное согласие по финансированию строительства линейного коллайдера на одном из островов страны. В общем, в новом году туман вокруг будущего фундаментальной науки несколько рассеялся, и перед нами открылся целый сад расходящихся тропок.

Поезд вышел из пункта А в пункт Б, навстречу ему вышел другой такой же поезд. В пункте В они встретились лоб в лоб и, судя по записям с видеокамер, — испарились, превратившись в 52 автомобиля, три вертолета, ракету «Ангара» и 18 старушек, тут же покинувших место происшествия. Столкновения протонов и других субатомных частиц выглядят примерно так: они распадаются, излучают и переходят одна в другую. В конце концов, развалиться на более мелкие составляющие им зачастую невозможно, ведь частиц мельче просто не существует.

Но превращения эти никак не случайны, и Стандартная модель физики элементарных частиц великолепно предсказывает, что, как и с чем должно столкнуться, чтобы привести к тому или иному результату. С помощью Большого адронного коллайдера (БАК) исследователи завершили проверку этой гипотезы жирным росчерком «работает», обнаружив последнюю из 17 элементарных частиц, существование большинства из которых было сперва показано «на кончике пера», а затем и доказано экспериментально. Шесть кварков и шесть лептонов, четыре бозона -переносчика фундаментальных взаимодействий, плюс бозон Хиггса, плюс их античастицы — но ведь это далеко не все.

Константин Томс, физик, Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

«Фантасты придумали концепцию «корабля поколений» — звездолета, который будет путешествовать сотни и тысячи лет, и цели достигнут лишь отдаленные потомки первоначальной команды. Современная физика элементарных частиц напоминает такой корабль: мегапроекты закладываются одним поколением физиков, строятся другим, а научные результаты получает уже третье. Коллайдер FCC — самый амбициозный из таких проектов, масштабы которого поражают воображение. Он потребует не только создать новые технологии, но и грамотно организовать передачу знаний и умений в течение десятилетий. Это довольно необычная задача, но ученые полны оптимизма: «новая физика» прячется от экспериментаторов, но Стандартная модель не вечна. Она обязательно сдастся, в этом не может быть сомнений».

Большая часть общей энергии Вселенной приходится на темную материю и темную энергию, природа которых совершенно неизвестна. Их действие достоверно доказывается наблюдениями, но их не втиснуть в рамки Стандартной модели, как не добавить несколько дополнительных ячеек в периодическую таблицу химических элементов: здесь все взвешено и распределено слишком точно для того, чтобы нашлось хотя бы одно незанятое место. Ясно, что при всем своем блеске Стандартная модель не описывает фундаментальные основы нашего мира целиком и полностью. Но что тогда описывает — теория струн? Или квантовая гравитация? И какие указания найти для движения за пределы привычной физики? Нам остается сталкивать частицы — и подсчитывать все эти «автомобили» и «вертолеты», пытаясь найти хоть какие-то подсказки.

Большой. Адронный

По большому счету, получать, разгонять и сталкивать мы умеем только электроны и протоны (и их античастицы): они обладают зарядом, который позволяет ускорить их в электромагнитном поле. Простейшие системы, созданные еще в первой половине прошлого века, использовали для разгона обычные постоянные магниты и пузырьковую камеру для регистрации частиц. Впрочем, уже вскоре в ускорителях начали использовать куда более мощные электромагниты, а частицы стали ускорять в кольцевых трубках: наматывая круги, они могут набирать все большую скорость.

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

В БАК для этого используется кольцевой тоннель длиной 26,7 км, оснащенный 1624 сверхпроводящими электромагнитами: на огромный инструмент приходится около 10% годового энергопотребления всего кантона Женева. Включаясь и выключаясь в строго определенной последовательности, заданной колебаниями управляющего сигнала, электромагниты разгоняют протоны до энергии в 6,5 ТэВ. На такой скорости они делают порядка 10 тыс. оборотов по тоннелю, двигаясь в противоположных направлениях, — и сталкиваются с огромной силой, порождая целый зоопарк частиц, распады которых регистрируют семь детекторов коллайдера.

Огромный. Адронный

Главный интерес современных ученых смещается в область все более массивных частиц, которые могут указать на следы долгожданной «новой физики». Появление и регистрация таких частиц требуют все больших энергий, и БАК стал заметным шагом в этом направлении. Следующим логичным движением может стать простое увеличение масштаба — и колоссальный проект FCC (Future Circular Collider, Кольцевой коллайдер будущего) действительно рассматривается в ЦЕРН среди вероятных «сменщиков» БАК. Для его туннеля длиной 80−100 км существующий коллайдер будет служить лишь источником частиц, которые смогут набирать головокружительные 100 ТэВ энергии и, возможно, укажут на процессы, выходящие за рамки Стандартной модели.

БАК. Итоги

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

Найдено: бозон Хиггса

Является квантом поля, за счет которого некоторые частицы получают массу покоя, в отличие от не взаимодействующих с полем Хиггса «безмассовых» частиц, таких как фотон. Обнаружение предсказанного более полувека назад хиггсовского бозона завершило Стандартную модель, — но и другие наблюдения на БАК с огромной точностью совпадали с ее предсказаниями.

Найдено: экзотические адроны

Кварки по одному не существуют — объединяются в тройки, образуя барионы (включая протон и нейтрон), либо в пары с антикварками (мезоны). Эксперименты на БАК обнаружили и экзотические их соединения, не укладывающиеся в эту классификацию, — состоящие из двух кварков и двух антикварков, из четырех кварков и одного антикварка… Впрочем, Стандартной модели их существование никак не противоречит.

Не найдено: нестандартные частицы

Гипотеза суперсимметрии и некоторые другие теоретические построения пытаются связать темную материю с действием сверхтяжелых (вплоть до 2 ТэВ) частиц, которые слишком массивны для ускорителей предыдущих поколений. Однако никаких указаний на их существование пока не нашлось и в столкновениях на таком мощном инструменте, как БАК.

До сих пор созданы далеко не все технологии, необходимые для реализации этого амбициозного проекта. Ему, например, понадобятся намного более эффективные электромагниты и система отведения тепла от стенок, бомбардируемых синхротронным излучением. Однако времени у ученых пока достаточно: БАК должен проработать до 2030 года, и программу дальнейших действий ЦЕРН планируется принять только в 2020-м. Возможно, что в итоге прорыв обеспечит другая и более расчетливая стратегия. Недаром проект адронного коллайдера FCC до сих пор остается на самых ранних этапах рассмотрения, тогда как на первый план стремительно выходят ускорители, работающие с электронами и позитронами.

Кольцевой. Электрон-позитронный

Электроны проще контролировать, они мельче и позволяют рассмотреть более тонкие эффекты: говорят, что «адронные коллайдеры — для открытий, а электрон-позитронные — для исследований». Возможно, пришла их пора. Ведь даже 27-километровый кольцевой туннель БАК прежде служил для работы электрон-позитронного коллайдера LEP (Large Electron-Positron Collider), который вполне можно возродить с использованием уже новых технологий. Такой проект рассматривается в ЦЕРН — ожидается, что он достигнет энергии в 240 ГэВ. Эта цифра может и не впечатлять, но ее вполне достаточно для массового производства хиггсовских бозонов и их детального изучения.

В кильватере. Третий путь

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

Совершенно новые перспективы могут открыть альтернативные методы разгона частиц, не требующие использования электромагнитов. Возможно, когда-нибудь они обеспечат выход на новые уровни энергии и при этом позволят уменьшить размеры и стоимость коллайдеров на порядки, как это обещает, например, технология кильватерного ускорения.

Такой ускоритель представляет собой прямую трубку, заполненную разреженной плазмой, в которую подается сверхкороткий и сверхмощный импульс лазера или высокоэнергетических электронов или протонов. Двигаясь в плазме, этот драйвер оставляет за собой колебания плотности заряда, которые расходятся подобно волнам за кормой быстро идущего судна. Эти колебания создают электромагнитное поле, напряженность которого может достигать фантастических величин в сотни гигавольт. Вовремя запущенные в его «кильватере» электроны увлекаются огромным положительным зарядом и устремляются за ним, быстро разгоняясь до околосветовой скорости драйвера.

По некоторым предположениям, такой механизм может ускорять частицы в солнечной короне, вызывая ее аномальный нагрев. Возможно, то же происходит и при взрывах сверхновых, огромные магнитные поля которых ускоряют космические частицы до невероятных энергий — вплоть до уровней, происхождение которых иначе трудно было бы объяснить (см. частицу Oh-My-God на шкале энергий).

С другой стороны, электрон-позитронный коллайдер может быть построен и в 80-километровом кольце наподобие FCC — тогда в будущем у него останется пространство для модернизации и достижения по‑настоящему больших энергий. Такой подход может быть реализован в Китае. Близ Циньхуандао на востоке страны уже вовсю готовятся к строительству собственной «хиггсовской фабрики» в кольцевом туннеле длиной 50−70 км. Работы планируется начать в 2021 году, а с 2028 года новый коллайдер CEPC (Circular Electron Positron Collider) должен начать первые столкновения электронов. Инструмент готовится с расчетом на будущую модернизацию и после 2035 года может быть перестроен под сверхмощные столкновения протонов. Такой путь логичен хотя бы потому, что кольцевой тоннель не лучший вариант для работы с легкими электронами.

Линейный. Электрон-позитронный

Любая заряженная частица, летящая с достаточной скоростью, будет терять энергию на излучение каждый раз, когда меняется ее скорость или направление. Недаром туннели кольцевых коллайдеров, включая БАК, построены не ровными окружностями, а скорее прямоугольниками со скругленными углами. Это позволяет ловить возникающее синхротронное излучение лишь на определенных участках траектории и даже частично использовать его в деле. Это жесткое излучение исключительно полезно для исследования новых материалов и биологических макромолекул, хотя с точки зрения фундаментальной физики является большой проблемой. Электронные и электрон-позитронные коллайдеры теряют на него существенную часть затраченной на ускорение энергии, к тому же нагревая стенки вакуумной камеры кольца.

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером Движение электрона в «кильватере» пучка-драйвера.

Мощность синхротронного излучения обратно пропорциональна массе частицы в четвертой степени, поэтому для адронных ускорителей эта проблема стоит не так остро. Однако потери энергии при разгоне по кольцу все же останутся слишком существенными, что заставляет все пристальнее присматриваться к перспективам новых линейных инструментов, в которых пучки частиц летят друг навстречу другу по длинным прямым туннелям. Появление современных сверхпроводниковых магнитов позволяет достичь достаточных энергий даже на протяжении вполне приемлемой — порядка десятков километров — дистанции. Один из таких проектов — CLIC (Compact Linear Collider) с туннелем длиной от 11 до 50 км и энергиями до 3 ТэВ — может быть пристроен к БАК, получая из него частицы для дальнейшего ускорения. Но пока решение ЦЕРН лишь готовится, его конкуренту осталось дождаться только инвестиций.

Когда погаснет БАК: что станет с адронным коллайдером

С немалой вероятностью ЦЕРН отложит свой проект CLIC ради Международного линейного коллайдера ILC (International Linear Collider). Планируется, что его прямые плечи длиной по 12 км смогут сталкивать электроны с энергиями 250 ГэВ, делая установку продуктивной «хиггсовской фабрикой», а впоследствии уровень энергий может быть поднят до 500 ГэВ. ЦЕРН рассматривал несколько вариантов для строительства ILC, включая Германию (как основного вкладчика организации) и Россию (подмосковную Дубну с ее подходящей научно-технической инфраструктурой). Однако правительству Японии удалось фактически «переманить» ультрасовременный проект к себе, пообещав предоставить до половины необходимых для строительства финансов, которые в ценах 2007 года составляли почти 7 млрд долларов. 18 декабря — запомните эту дату — решение должно быть принято окончательно. Уже вскоре из множества тропинок, открытых на ближайшие десятилетия, — кольцевых и линейных, адронных и электрон-позитронных — некоторые превратятся в широкие магистрали новых мегапроектов и, возможно, даже приведут нас к долгожданной «новой физике».

Источник

31.03	37-й IT talk »
17.11	MBLTdev #2 »
16.11	GeekWeek-2015 »