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)
«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.
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
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
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.
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.
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».
