Новый коллайдер построят… не в Женеве

Преемник Большого адронного коллайдера, будет запущен через 15 лет в Японии. Rey.Hori/KEK

Международный линейный ускоритель, преемник Большого адронного коллайдера, будет запущен через 15 лет в Японии. Концом CERN это не станет, ведь разгадка секретов Вселенной возможна только силами ученых всего мира.

Международный линейный ускоритель (International linear collider — ILC) уже готов — но пока на бумаге. Результат десятилетних титанических научных усилий более тысячи ученых и инженеров из сотни университетов и лабораторий двадцати стран мира был официально передан 12 июня 2013 года в распоряжение Международного комитета, курирующего создание нового ускорителя. Церемония в формате видео-конференции одновременно прошла в Университете г. Токио, в лаборатории CERN в Женеве и в научном центре «Fermilab» в Чикаго, то есть в трёх самых крупных в мире центрах физики элементарных частиц.

Франсуа Ле Диберде, физик

 

«Одно из преимуществ „ILC“ состоит в способности обнаружить превращение распадающегося бозона Хиггса в антиматерию».

 

Коллайдер «ILC» будет состоять из двух линейных ускорителей. В них «лоб в лоб» будут сталкиваться электроны и их античастицы (позитроны) с высоким энергетическим зарядом. Столкновения будут происходить внутри детекторов, в центре устройства протяженностью 31 километр. При нормальном режиме пучки электронов и позитронов столкнутся 7 тыс. раз в секунду. Каждый пучок будет содержать 20 миллиардов частиц.

Пироги с вишней и антиматерия

Столкновения электронов и позитронов уже производились в коллайдере «LEP» (Большом электронно-позитронном коллайдере), предшественнике Большого адронного коллайдера в «CERN», остановленном в 2000 году. Правда, в то время энергия этих столкновений была ограничена показателем в 209 ГэВ (гигаэлектронвольт). «ILC», выйдя на проектную мощность, сможет достичь уровня в 1000 ГэВ. Но мощность — это еще не все.

Большое преимущество электронно-позитронных столкновений состоит в чистоте получаемых результатов. Связано это с тем, что электроны и позитроны — это уже элементарные частицы, тогда как протоны, используемые в БАК, сами по себе состоят из множества других частиц, более мелких. Что бы более наглядно продемонстрировать разницу, один японский физик недавно изобрел метафору, в основе которой находятся… куски пирога с вишневыми косточками.

В результате столкновения двух таких кусков возникает своего рода месиво из теста, сахара, ягод, и иногда — но только иногда — нам может выпасть шанс пронаблюдать за столкновением собственно двух вишневых косточек. А вот «ILC» будет сразу стрелять, как один известный литературный герой, только вишневыми косточками без всяких пирогов, размывающих картинку.

При этом у нас у всех может возникнуть законный вопрос — что же физики ищут? Ответы на какие вопросы они надеются отыскать, строя все эти циклопически огромные и астрономически дорогие машины? Доказательство существования знаменитого бозона Хиггса, той самой «божественной частицы», вроде бы уже найдено, причем для этого хватило и женевского коллайдера с его мощностью в 126 ГэВ.

© Sandbox Studio for Symmetry Magazine

Однако новый ускоритель будет в состоянии не только производить все известные элементарные частицы, но изучать их взаимодействие друг с другом. И это еще не все. «Одно из преимуществ „ILC“, например, состоит в способности обнаружить превращение распадающегося бозона Хиггса в антиматерию», — поясняет физик Франсуа Ле Диберде (François Le Diberder) из «Университета Париж VII имени Дени Дидро», член Европейского комитета «ILC».

«Столкновение электрона и позитрона приводит к возникновению Z-бозона и бозона Хиггса, которые также очень быстро распадаются. Но мы будем наблюдать только дезинтеграцию Z-бозона. Потом мы произведём замер энергии и количества движений возникающих частиц, на основании чего мы сможем сделать вывод о массе того, что мы не можем наблюдать напрямую. В случае, если полученный результат будет равен 126 ГэВ, то это станет очевидным доказательством способности бозона Хиггса распадаться на невидимые части».

Почему по прямой?

Там, где БАК ускоряет частицы, гоняя их по кольцу, «ILC» столкнет их в середине прямоугольного тоннеля. Какие преимущества скрываются в этом методе?

Когда частицу заставляют двигаться по кругу, она теряет энергию, испуская свет. Чем быстрее ускорение кругового движения, тем сильнее интенсивность такого излучения. Порой оно может быть в 10 тыс. раз мощнее интенсивности излучения солнца.

Такое электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем, называется синхротронным или магнитотормозным излучением. Оно обратно пропорционально массе частицы. Иными словами, чем тяжелее частица, тем меньше энергии она теряет, «бегая по кругу».

Поэтому протоны логично использовать в круговых ускорителях, потому что они теряют меньше энергии в результате кругового движения и возникающего на его основе синхротронного излучения. Электроны легче протонов, а потому их лучше использовать в линейных ускорителях.

Тем самым мы сможем сделать большой шаг в сторону разгадки одной из величайших загадок современных физики и космологии, а именно, имеется в виду вопрос существования и природы так называемых «темных» материи и энергии. «Обычная» видимая материя составляет ведь лишь порядка 4% из всего того, что существует во Вселенной. Всё остальное — это темная материя и энергия в пропорции, соответственно, 22% и 74%.

Что касается темной материи, то есть все основания предполагать, что она состоит из частиц. Темная же энергия, напротив, остается, по признанию французского физика, «полнейшей загадкой». Она «упорно ускользает от всех попыток своего описания в терминах физики элементарных частиц. Изначально линейный коллайдер создается вовсе не для разрешения именно этой загадки. Но, кто знает, нас здесь вполне может ожидать сюрприз…».

Япония лидирует

«Нет ни единого шанса, что новый ускоритель будет создан здесь, в Женеве», — подтверждает Рольф-Дитер Хойер, директор CERN. «Наши руки и головы полностью заняты БАК. И в настоящий момент я вижу единственную страну, способную построить новый коллайдер в разумные сроки — и это Япония.

Ее правительство вроде бы готово инвестировать необходимые средства, в том числе и сверх того, что было запланировано потратить на науку». И это действительно важное обстоятельство с учетом стоимости нового укорителя, которая потенциально оценивается в сумму в 8 млрд. франков.

Японский комитет поддержки данного проекта предложил разместить ускоритель в тоннеле в горах Китаками, примерно в 500 километрах к северу от Токио. Довольные японцы даже сняли рекламный фильм, в котором они показывают все достоинства нового коллайдера, утверждая, что такое устройство может быть построено только в Японии, стране, где теорию Большого взрыва и физику элементарных частиц преподают уже начиная с детского сада. Никто не оспаривает тот факт, что эта страна обладает гигантским научным потенциалом и всеми необходимыми технологиями.

Однако окончательное решение ожидается лишь в 2015 году. Не стоит забывать и о других странах-кандидатах, среди которых Германия, Соединенные Штаты, может быть и Россия. Неизвестность царит пока и относительно формы организации, которой предстоит управлять этим будущим «научным монстром». «Это будет зависеть от консультаций на правительственном уровне, а это уже не наш уровень», — поясняет Рольф-Дитер Хойер. «А пока консультации между Японией и другими странами даже не начинались. Будет ли эта управляющая структура списана с модели СERN, станет ли она даже ее филиалом, этого мы не знаем. Совершенно ясно пока одно: это может быть только организация международного и даже глобального масштаба».

Рольф-Дитер Хойер, директор CERN

 

«Что касается инженеров и ученых, то для них мало что изменится… Мы будем участвовать в экспериментах, проводимых на базе „ILC“, анализировать получаемые данные и работать над его наследником».

 

CERN останется сам собой

«ILC» может быть запущен уже в период между 2025 и 2030 гг. К этому времени БАК выработает весь свой ресурс. Но было бы неверным видеть в новом коллайдере улучшенную копию своего женевского предшественника. На самом деле, поясняет глава CERN оба этих устройства успешно дополняют друг друга.

«Это как в астрофизике, где наблюдение за Вселенной идет при помощи не только телескопа дневного света, но и при помощи телескопов, работающих в инфракрасном, ультрафиолетовом и радиодиапазоне частот. Чтобы получить полную картину мира, нужна вся эта информация. Так и у нас — разные ускорители изучают сходные вопросы, но с разных точек зрения».

© Rey.Hori/KEK

Но вопрос остается: что станет с CERN, как только взгляды обратятся в сторону Японии с ее новейшим «ILC»? «Что касается инженеров и ученых, то для них мало что изменится», — поясняет Рольф-Дитер Хойер. «Мы будем тоже участвовать в экспериментах, проводимых на базе «ILC», мы будем анализировать получаемые данные и работать над его наследником. Ведь мировое сообщество физиков уже сейчас размышляет над устройством, которое придет на смену «ILC». При этом важную роль играет не только технологическое развитие, но и то, какие результаты мы получим в следующие 15 лет на основе БАК.

Ясно одно: чтобы продолжить поиск ответов на базовые вопросы бытия, материи, пространства и времени, вскоре даже того, что сможет нам дать «ILC», окажется недостаточно, нам потребуется еще более мощный коллайдер. Будет ли он сталкивать электроны с позитронами, протоны с другими протонами? В первом случае в CERN уже есть план действий, а что касается других возможностей, то здесь физики не преминут, когда настанет время, достать из своей шляпы очередного кролика в жилетке и с часами на бесконечно длинной цепочке.

Перевод с французского и адаптация: Людмила Клот.