Новые коллайдеры: какие они будут

Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике — бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.

Открытие этой субатомной частицы, которая раскрывает происхождение массы, привело к завершению Стандартной модели — всеобъемлющей теории физики элементарных частиц. И также стало знаковым достижением для БАК, в настоящее время крупнейшего в мире ускорителя — ведь именно для поиска бозона Хиггса, хоть и не только, его строили.

Теперь физики хотят углубиться в тайны бозона Хиггса в надежде, что он станет ключом к решению затянувшихся задач физики частиц. «Хиггс — особенная частицы», говорит физик Ифанг Ван, директор Института физики высоких энергий в Пекине. «Мы верим, что Хиггс — это окно в будущее».

Большой адронный коллайдер, он же БАК, состоящий из кольца длиной в 27 километров, внутри которого протоны разгоняются почти до скорости света и сталкиваются миллиарды раз в секунду, почти достиг предела своих возможностей. Он прекрасно справился с обнаружением Хиггса, но не подходит для подробного его исследования.

Поэтому физики элементарных частиц требуют нового коллайдера частиц, специально спроектированного для запуска кучек бозонов Хиггса. Предлагалось несколько проектов для этих новых мощных машин, и ученые надеются, что эти фабрики Хиггса могли бы помочь найти решения вопиющих слабых мест Стандартной модели.

«Стандартная модель не является полной теорией вселенной», говорит физик-экспериментатор частиц Галина Абрамович из Тель-Авивского университета. Например, эта теория не объясняет темную материю, неопознанное вещество, масса которого необходима для учета космических наблюдений, таких как движения звезд в галактиках. Она также не объясняет, почему Вселенная состоит из материи, в то время как антиматерия встречается крайне редко.

Сторонники новых коллайдеров утверждают, что тщательное изучение бозона Хиггса может указать ученым на пути решения этих загадок. Но среди ученых стремление к новым дорогостоящим ускорителям поддерживается не всеми. К тому же непонятно, что именно могли бы найти такие машины.

Следующие на очереди

Первый в очереди стоит Международный линейный коллайдер на севере Японии. В отличие от БАК, на котором частицы движутся по кольцу, МЛК ускоряет два пучка частиц по прямой линии, непосредственно друг на друга, по всей своей 20-километровой длине. И вместо того, чтобы сталкивать вместе протоны, он сталкивает электроны и их партнеров по антивеществу, позитроны.

Однако в декабре 2018 года междисциплинарный комитет Научного совета Японии выступил против этого проекта, призывая правительство проявлять осторожность с его поддержкой и задаваясь вопросом, оправдывают ли ожидаемые научные достижения стоимость коллайдера, которая в настоящее время оценивается в 5 миллиардов долларов.

Сторонники утверждают, что план МЛК по столкновению электронов и позитронов, а не протонов, имеет ряд крупных преимуществ. Электроны и позитроны — элементарные частицы, то есть у них нет меньших компонентов, а протоны состоят из более мелких частиц — кварков. Это значит, что столкновения протонов будут более беспорядочными и создавать больше бесполезного мусора частиц, который придется просеивать.

Кроме того, при столкновениях протонов только часть энергии каждого протона фактически попадает в столкновение, тогда как в электрон-позитронных коллайдерах частицы переносят в столкновение полную энергию. Это значит, что ученые могут настроить энергию столкновений так, чтобы максимизировать количество производимых бозонов Хиггса. В то же время, МЛК потребует только 250 миллиардов электрон-вольт для производства бозонов Хиггса по сравнению с 13 триллионами электрон-вольт на БАК.

У МЛК «качество получаемых данных будет намного выше», говорит физик элементарных частиц Лин Эванс из женевского ЦЕРН. Одно из каждых 100 столкновений на МЛК будет производить бозон Хиггса, тогда как на БАК это происходит раз в 10 миллиардов столкновений.

Ожидается, что правительство Японии примет решение по коллайдеру в марте. Эванс говорит, что если МЛК будет одобрен, на его создание уйдет около 12 лет. Позже ускоритель можно будет также модернизировать, чтобы увеличить энергию, которой он может достичь.

У ЦЕРН есть планы по созданию похожей машины — Компактного линейного коллайдера (CLIC). Он также будет сталкивать электроны и позитроны, но при более высоких энергиях, чем МЛК. Его энергия начнется с 380 миллиардов электрон-вольт и увеличится до 3 триллионов электрон-вольт в серии обновлений. Чтобы достичь этих более высоких энергий, необходимо разработать новую технологию ускорения частиц, а значит CLIC появится явно не раньше МЛК, говорит Эванс, возглавляющий сотрудничество исследователей обоих проектов.

Бег по кругу

Два других запланированных коллайдера, в Китае и Европе, будут круглыми, как БАК, но намного больше: каждый окружностью 100 километров. Это достаточно большой круг, чтобы дважды опоясать страну Лихтенштейн. Это практически длина МКАДа.

Круговой электронный-позитронный коллайдер, место строительство которого в Китае пока не определено, будет сталкивать электроны и позитроны на 240 миллиардов электрон-вольт, согласно концептуальному плану, официально представленному в ноябре и защищенному Ваном и Института физики высоких энергий. Этот ускоритель может быть позже обновлен для сталкивания протонов на высоких энергиях. Ученые говорят, что могли бы начать строительство этой машины стоимостью 5-6 миллиардов долларов к 2022 году и завершить ее до 2030 года.

И в ЦЕРНе предложенный Будущий круговой коллайдер, БКК, также будет вступать в работу поэтапно, сталкивая электроны с позитронами, а позже протоны. Конечной целью будет достичь протонных столкновений на 100 триллионах электрон-вольт, что более чем в семь раз превышает энергию БАК.

Между тем, ученые закрыли БАК на два года, модернизируя машину для работы на более высокой энергии. В 2026 году заработает БАК с высокой светимостью, который увеличит частоту столкновений протонов по меньшей мере в пять раз.

Портрет Хиггса

Когда БАК был построен, ученые были достаточно уверены, что найдут с его помощью бозон Хиггса. Но с новыми машинами непонятно, какие новые частицы искать. Они будут просто каталогизировать, насколько сильно Хиггс взаимодействует с другими известными частицами.

Измерения взаимодействий Хиггса могут подтвердить ожидания Стандартной модели. Но если наблюдения будут отличаться от ожиданий, расхождение может косвенно указывать на наличие чего-то нового, такого как частицы, составляющие темную материю.

Некоторые ученые надеются, что произойдет что-то неожиданное. Потому что сам бозон Хиггса — загадка: эти частицы конденсируются в жидкость, похожую на патоку. Почему? Мы понятия не имеем, говорит физик-теоретик частиц Майкл Пескин из Стэнфордского университета. Эта жидкость пронизывает Вселенную, замедляя частицы и давая им вес.

Другая загадка заключается в том, что масса Хиггса в миллион миллиардов меньше ожидаемой. Эта странность может говорить о том, что существуют и другие частицы. Ранее ученые думали, что смогут ответить на проблемы Хиггса с помощью теории суперсимметрии — согласной которой у каждой частицы есть более тяжелый партнер. Но этого не произошло, потому что БАК не нашел никаких следов суперсимметричных частиц.

Будущие коллайдеры могут все же найти свидетельства суперсимметрии или иным образом намекнуть на новые частицы, но в этот раз ученые не будут давать обещаний. Сейчас они больше заняты разработкой приоритетов и приведением аргументов в пользу новых коллайдеров и других экспериментов по физике элементарных частиц. Одно можно сказать наверняка: предлагаемые ускорители будут исследовать неизвестную территорию с непредсказуемыми результатами.