Мрії фізиків: які колайдери були б крутіше Великого адронного?

Якщо фізики елементарних частинок доб'ються свого, нові прискорювачі зможуть в один прекрасний день ретельно дослідити саму цікаву субатомную частку у фізиці — бозон Хіггса. Через шість років після відкриття цієї частки на Великому адронному колайдері, фізики планують нові величезні машини, які будуть розтягуватися на десятки кілометрів в Європі, Японії або Китаї.

Нові колайдери: які вони будуть

Відкриття цієї субатомної частинки, яка розкриває походження маси, що призвело до завершення Стандартної моделі — всеохоплюючої теорії фізики елементарних частинок. І також стало знаковим досягненням для БАК, в даний час найбільшого в світі прискорювача — адже саме для пошуку бозона Хіггса, хоч і не тільки, його будували.

Тепер фізики хочуть заглибитися в таємниці бозона Хіггса в надії, що він стане ключем до вирішення тривалих завдань фізики частинок. «Хіггс — особлива частинки», говорить фізик Ифанг Ван, директор Інституту фізики високих енергій в Пекіні. «Ми віримо, що Хіггс — це вікно в майбутнє».

Великий адронний коллайдер, він же БАК, що складається з кільця довжиною 27 кілометрів, всередині якого протони розганяються майже до швидкості світла і стикаються мільярди разів в секунду, майже досяг межі своїх можливостей. Він чудово впорався з виявленням Хіггса, але не підходить для детального його вивчення.

Тому фізики елементарних частинок вимагають нового колайдера частинок, спеціально спроектованого для запуску купок бозонів Хіггса. Пропонувалося кілька проектів для цих нових потужних машин, і вчені сподіваються, що ці фабрики Хіггса могли б допомогти знайти вирішення кричущих слабких місць Стандартної моделі.

« не є повною теорією всесвіту», говорить фізик-експериментатор частинок Галина Абрамович з Тель-Авівського університету. Наприклад, ця теорія не пояснює темну матерію, непізнане речовина, маса якого необхідна для обліку космічних спостережень, таких як руху зірок в галактиках. Вона також не пояснює, чому Всесвіт складається з матерії, у той час як антиматерія зустрічається вкрай рідко.

Прихильники нових коллайдерів стверджують, що ретельне вивчення бозона Хіггса може вказати вченим на шляху вирішення цих загадок. Але серед вчених прагнення до нових дорогих прискорювачів підтримується не всіма. До того ж незрозуміло, що саме могли б знайти такі машини.

Наступні на черзі

Перший в черзі стоїть Міжнародний лінійний коллайдер на півночі Японії. На відміну від БАК, на якому частки рухаються по кільцю, МЛК прискорює два пучки частинок по прямій лінії, безпосередньо один на одного, по всій своїй 20-кілометровій довжині. І замість того, щоб зіштовхувати разом протони, він зіштовхує електрони та їх партнерів по антивеществу, позитрони.

Проте в грудні 2018 року міждисциплінарний комітет Наукової ради Японії виступив проти цього проекту, закликаючи уряд проявляти обережність з його підтримкою і задаючись питанням, чи виправдовують очікувані наукові досягнення вартість коллайдера, яка в даний час оцінюється в 5 мільярдів доларів.

Прихильники стверджують, що план МЛК за зіткнення електронів і позитронів, а не протонів, має ряд великих переваг. Електрони і позитрони — елементарні частинки, тобто у них немає менших компонентів, а протони складаються з більш дрібних частинок — кварків. Це означає, що зіткнення протонів будуть більш небезпечними і створювати більше непотрібного сміття частинок, який доведеться просіяти.

Крім того, при зіткненнях протонів тільки частина енергії кожного протона фактично потрапляє в зіткнення, тоді як в електрон-позитронних колайдерах частинки переносять в зіткнення повну енергію. Це означає, що вчені можуть налаштувати енергію зіткнень так, щоб максимізувати кількість вироблених бозонів Хіггса. У той же час, МЛК вимагає лише 250 мільярдів електрон-вольт для виробництва бозонів Хіггса порівняно з 13 трильйонів електрон-вольт на БАК.

У МЛК «якість одержуваних даних буде набагато вище», - говорить фізик елементарних частинок Лін Еванс з женевського ЦЕРН. Одне з кожних 100 зіткнень на МЛК буде виробляти бозон Хіггса, тоді як на БАК це відбувається раз на 10 мільярдів зіткнень.

Очікується, що уряд Японії прийме рішення щодо коллайдеру у березні. Еванс каже, що якщо МЛК буде схвалений, на його створення витрачено близько 12 років. Пізніше прискорювач можна буде також модернізувати, щоб збільшити енергію, якої він може досягти.

У ЦЕРН є плани по створенню схожою машини — Компактного лінійного коллайдера (CLIC). Він також буде зіштовхувати електрони і позитрони, але при більш високих енергіях, ніж МЛК. Його енергія почнеться з 380 мільярдів електрон-вольт і збільшиться до 3 трильйонів електрон-вольт у серії оновлень. Щоб досягти цих високих енергій, необхідно розробити нову технологію прискорення частинок, а значить CLIC з'явиться явно не раніше МЛК, каже Еванс, який очолює співробітництво дослідників обох проектів.

Біг по колу

Два інших запланованих коллайдера, в Китаї і Європі, будуть круглими, як БАК, але набагато більше: кожен окружністю 100 кілометрів. Це досить велике коло, щоб двічі оперезати країну Ліхтенштейн. Це практично довжина МКАДа.

Кругової електронний-позитронний коллайдер, місце будівництво якого в Китаї поки не визначено, буде зіштовхувати електрони і позитрони на 240 мільярдівелектрон-вольт, згідно з концептуальним планом, офіційно представленому в листопаді і захищеному Ваном і Інституту фізики високих енергій. Цей прискорювач може бути пізніше оновлено для зіштовхування протонів на високих енергіях. Вчені кажуть, що могли б почати будівництво цієї машини вартістю 5-6 мільярдів доларів до 2022 року і завершити її до 2030 року.

І в Церні запропонований Майбутній кругової коллайдер, БКК, також буде вступати в роботу поетапно, зіштовхуючи електрони з позитронами, а пізніше протони. Кінцевою метою буде досягти протонних зіткнень на 100 трильйонів електрон-вольт, що більш ніж у сім разів перевищує енергію БАК.

Між тим, вчені закрили БАК на два роки, модернізуючи машину для роботи на більш високій енергії. У 2026 році запрацює БАК з високою светимостью, який збільшить частоту зіткнень протонів щонайменше в п'ять разів.

Портрет Хіггса

Коли БАК був побудований, вчені були впевнені, що знайдуть з його допомогою бозон Хіггса. Але з новими машинами незрозуміло, які нові частинки шукати. Вони будуть просто каталогізувати, наскільки сильно Хіггс взаємодіє з іншими відомими частками.

Виміру взаємодій Хіггса можуть підтвердити очікування Стандартної моделі. Але якщо спостереження будуть відрізнятися від очікувань, розбіжність може побічно вказувати на наявність чогось нового, такого як частинки, що становлять темну матерію.

Деякі вчені сподіваються, що станеться щось несподіване. Тому що сам бозон Хіггса — загадка: ці частинки конденсуються в рідину, схожу на патоку. Чому? Ми поняття не маємо, говорить фізик-теоретик частинок Майкл Пескин з Стенфордського університету. Ця рідина пронизує Всесвіт, сповільнюючи частинки і даючи їм вагу.

Інша загадка полягає в тому, що маса Хіггса мільйон мільярдів менше очікуваної. Ця дивина може говорити про те, що існують і інші частинки. Раніше вчені думали, що зможуть відповісти на проблеми Хіггса з допомогою теорії суперсиметрії — згідної якої у кожної частинки є більш важкий партнер. Але цього не сталося, тому що БАК не знайшов ніяких слідів суперсиметричних частинок.

Майбутні колайдери можуть знайти свідчення суперсиметрії або іншим чином натякнути на нові частинки, але в цей раз вчені не будуть давати обіцянок. Зараз вони більше зайняті розробкою пріоритетів і наведенням аргументів на користь нових коллайдерів та інших експериментів з фізики елементарних частинок. Одне можна сказати напевно: пропоновані прискорювачі будуть досліджувати невідому територію з непередбачуваними результатами.

Не пропустіть оновлення на цю тему в наших каналах