Размер имеет значение. Зачем европейским ученым новый дорогой коллайдер

Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе – самый мощный ускоритель частиц в мире. За десять лет работы он дал возможность совершить замечательные открытия, в том числе долгожданный бозон Хиггса. Международная команда физиков представила концептуальный проект нового ускорителя частиц, на фоне которого БАК покажется крохой.

Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider) задуман как преемник "Большого", и, если ему дадут зеленый свет, он позволит ученым найти ответы на некоторые из величайших загадок физики. Он может помочь выяснить, из чего фактически состоит большая часть вселенной, или даже открыть совершенно новую физику.

Предполагаемое месторасположение Будущего циклического коллайдера - CERN

Проект предполагает строительство подземного тоннеля длиной 100 км, проходящего под Женевой и прилегающей сельской местностью. Частицы будут переходить из БАКа, длина которого составляет 27 км, в новый коллайдер, подобно машинам на автомагистралях. Это позволит сталкивать частицы, разогнанные до энергии в семь раз большей, чем в БАК. Он даст возможность проводить исследования, находящиеся за пределами возможностей своего предшественника, и сможет вывести физику элементарных частиц в неизведанное микроскопическое царство.

Дверь в темноту

Создание Будущего циклического коллайдера разбито на два этапа. На первом будет сооружена машина, которая сталкивает электроны с их, так сказать, антиматерийной версией – позитронами. Считается, что у каждой частицы есть пара из антиматерии, практически идентичная, но с противоположным зарядом. Когда пары встречаются, они полностью уничтожают друг друга, а вся их энергия преобразуется в новые частицы.

Энергию столкновения в таком коллайдере можно очень точно контролировать. Кроме того, столкновения будут очень "чистыми" по сравнению с БАК, который сталкивает протоны. Протоны – это не фундаментальные частицы, как электроны, а скопления более мелких частиц, включающие кварки и глюоны. Когда они сталкиваются, их "внутренности" разлетаются, что затрудняет поиск новых частиц среди "обломков".

Основная цель электрон-позитронного коллайдера будет состоять в изучении бозона Хиггса, отвечающего за происхождение массы других фундаментальных частиц. Он сможет создавать миллионы бозонов Хиггса и проводить измерения их параметров с небывалым уровнем точности.

Это сулит многочисленные возможности для новых открытий. Одно из самых заманчивых заключается в том, что бозон Хиггса может действовать как портал, соединяющий мир обычной атомной материи, в котором мы живем, со скрытым миром частиц, которые мы пока не смогли обнаружить. Около 85% всей материи во вселенной – темная. Мы знаем, что она существует только по гравитационному притяжению, которое она оказывает на окружающую материю. Электрон-позитронный коллайдер может изменить это и помочь увидеть бозон Хиггса, распадающийся на ее частицы.

На втором этапе его сменит гораздо более мощный протон-протонный коллайдер, в котором энергия столкновения будет достигать 100 трлн электрон-вольт. Это будет машина открытий, способная создавать огромный спектр новых частиц. Данный ускоритель позволит почти полностью охватить энергетический диапазон, в котором, вероятно, будет найдено большинство форм темной материи. С ним ученые получат возможность изучить условия, существовавшие триллионную долю секунды после Большого взрыва. Этот момент в истории вселенной имеет решающее значение, поскольку именно тогда поле Хиггса – всепроникающее энергетическое поле, небольшой долей которого является бозон Хиггса, – коллапсировало до своего текущего состояния, что и породило массы фундаментальных частиц.

Понимание того, как поле Хиггса приобрело свой нынешний уровень энергии, – это одна из величайших нерешенных проблем в физике. Ведь оно, похоже, невероятно точно настроено, чтобы позволить атомам, а следовательно, звездам планетам и людям, существовать.

Кроме того, новый коллайдер может помочь и в решении другой головоломки: почему вселенная почти полностью состоит из материи, а не из антиматерии.

Неочевидная выгода

Реализация первого этапа сооружения нового коллайдера намечена на 2040-е. Она состоится после финального запуска модернизированного БАК. Фаза 2 будет осуществлена десятилетием позже. Оба проекта обойдутся весьма недешево – в 24 миллиарда евро в общей сложности. Такой ценник уже вызвал обоснованную критику. Некоторые утверждают, что эти деньги было бы лучше потратить на что-нибудь другое. Например, на борьбу с изменением климата.

Однако физик Джон Уомерсли, участвующий в разработке Будущего циклического коллайдера, отмечает, что БЦК сулит и менее очевидные выгоды, помимо расширения базы фундаментальных знаний. "Будущий циклический коллайдер подстегнет развитие инновационных технологий, необходимых для решения связанных с ним задач. В свое время для удовлетворения потребностей фундаментальной физики были разработаны интернет, Wi-Fi и сверхпроводящие магниты в машинах МРТ", - говорит он.

Столь амбициозный проект станет возможен только благодаря широкому международному сотрудничеству при финансировании из десятков стран. Он уже включает 1300 участников из 150 университетов и исследовательских институтов, а также промышленных партнеров со всего мира. Между тем, о подобном проекте думает и Китай – единственна страна, способная мобилизовать ресурсы, необходимые для самостоятельного создания такой грандиозной машины.

Сторонники Будущего циклического коллайдера надеются, что проект войдет в новую европейскую стратегию относительно физики элементарных частиц, которая будет опубликована в 2020 году. В случае ее принятия начнется длительный процесс исследований и разработок, а также убеждения национальных правительств и широкой общественности в перспективности инвестиций в поразительные фундаментальные исследования, которые можно провести на этом коллайдере.

Путь проекта определенно будет усыпан преградами, но физики полны решимости не отказываться от стремления к более глубокому пониманию нашей вселенной.

По материалам The Conversation