Мегапроекты человечества: Сверхбольшой адронный коллайдер и кварковый фонтан

Бозон Хиггса дал ученым больше вопросов, чем ответов. Чтобы найти решения для новых задач, группа американских специалистов предлагает создать новую гигантскую установку: Сверхбольшой адронный коллайдер в подземном тоннеле диаметром 100 километров. Интервью с одним из авторов идеи, американский физиком-теоретиком Майклом Пескином, о том, как будет устроен ускоритель и чем он похож на кварковый фонтан.

В ноябре ученые из США представили общественности концепцию создания Сверхбольшого адронного коллайдера. По прогнозам, его строительство может начаться уже в конце 2020-х годов. Колоссальное сооружение для сталкивания протонов будет почти в 4 раза больше и в 7 раз мощнее Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного в толще породы близ Женевского озера на территории Франции и Швейцарии. Стоимость строительства установки может составить около 10 миллиардов долларов.

По прогнозам, мощность Сверхбольшого адронного коллайдера будет составлять порядка 100 тераэлектронвольт (ТэВ), а диаметр его тоннеля — до 100 километров. Место строительства пока не определено, однако специалисты надеются, что к экспериментам можно будет приступить не позже 2035 года, когда БАК прекратит свою работу. Впрочем, Большому адронному коллайдеру до этого момента еще предстоит пережить модернизацию. В феврале этого года коллайдер был остановлен для плановых технических работ и заработает вновь лишь к концу 2014 года. Энергию столкновения протонов в нем планируется увеличить с нынешних 8 ТэВ до максимальных 13-14 ТэВ. Сверхбольшой адронный коллайдер может стать одним из самых крупных и сложных сооружений, которые мы когда-либо строили. Чтобы воплотить в жизнь идею его создания, специалистам придется разработать сверхпроводящие магниты, способные создавать более сильные поля, чем магниты Большого адронного коллайдера. Их мощность должна составлять порядка 20 тесла — вместо 14 тесла в БАК: то есть, магнитная индукция в Сверхбольшом адроном коллайдере будет в два раза выше, чем в солнечных пятнах. Чтобы достичь таких показателей, потребуются новые материалы: например, пластины из ниобия — покрытого оксидной пленкой серебристо-белого металла, который сегодня добывается лишь в Бразилии и Канаде. Ниобиевые магниты сегодня считаются главными претендентами на роль источников магнитной индукции в Сверхбольшом адронном коллайдере, однако они очень дороги. Кроме того, их температура постоянно должна быть ниже -255 °C.

При этом специалисты предупреждают, что гигантский коллайдер будет всего лишь еще одним шагом на пути постижения загадок физики элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса подтвердило теорию о том, что некоторые частицы обладают массой из–за того, что взаимодействуют с вездесущим, похожим на патоку или рыхлый снег полем Хиггса. Но почему же масса «частицы Бога» так велика? Одно из объяснений дает теория суперсимметрии, которая говорит о том, что у существующих частиц есть пары, более тяжелые кусочки материи. И все же, эксперименты в БАК до сих по не принесли нам никаких доказательств этой теории. Возможно, как и было предсказано физиками-теоретиками, массы «частиц-близнецов» настолько велики, что их невозможно обнаружить в Большом адронном коллайдере. В таком случае для поиска нам и впрямь необходима гигантская установка. Пока же ученым остается только надеяться, что повышение мощности БАК позволит в ближайшие 10 лет найти подтверждение существования суперсимметрии и понять, что именно потребуется от Сверхбольшого адронного коллайдера.

Майкл Пескин

физик-теоретик Национальной ускорительной лаборатории (США), автор концепции создания Сверхбольшого адронного коллайдера

Планы по строительству сверхбольшой установки — лишь один из элементов концепции эволюции ускорителей частиц в ближайшие 10 лет. В 2015 году мощность Большого адронного коллайдера должна достичь 13 ТэВ, а в 2022-23 годах он войдет в фазу высокой светимости. Кроме того, существует проект Международного линейного коллайдера — электронно-позитронной установки для более тщательного исследования бозона Хиггса и истинных кварков. Ее строительство в Японии как раз обсуждается сейчас. Эксперименты планируется начать в конце 2020-х годов. Сверхбольшой адронный коллайдер — это пока только образ. Очертив его в нашем докладе, мы хотели подтолкнуть других специалистов к созданию научно-исследовательских работ, чтобы в течение ближайшего десятилетия кто-нибудь выдвинул конкретные предложения. Стоимость коллайдера нужно многократно снизить. Для этого необходимо разработать магниты нового поколения. Я ожидаю, что строительство установки начнется в конце 2020-х годов, а первые эксперименты можно будет провести в 2040-х.

Как и БАК, Сверхбольшой адронный коллайдер будет общемировым проектом. Вероятно, для его строительства потребуется более сбалансированный с точки зрения распределения обязательств между регионами подход к финансированию проекта. Важным игроком станет Китай. Россия, надеюсь, тоже окажется больше вовлечена в процесс реализации задачи. Человечеству ведь нужен всего один сверхбольшой коллайдер. Место для строительства установки пока не выбрано. Это зависит от того, какие страны проявят интерес к проекту. ЦЕРН, очевидно, потребуется другой масштабный проект после закрытия БАК, и потому именно ЦЕРН должен стать главной фигурой в том, что касается реализации этого замысла. В США в реализации нашей задумки заинтересована Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми, однако на сегодняшний день американские власти достаточно негативно относятся к перспективе строительства установки стоимостью 10 миллиардов долларв. Но отношение правительства может измениться, если ученым удастся совершить новые открытия в БАК.

Большой адронный коллайдер был построен для поисков бозона Хиггса. После того, как мы его нашли, Стандартную модель физики элементарных частиц можно считать завершенной. Сегодня не существует других частиц, относительно которых мы располагали бы какой-то теорией или предсказанием того, где их найти. Тем не менее в фундаментальной физике есть множество феноменов, которые Стандартная модель не может объяснить. Например, в ней нет частицы темной материи Вселенной. Модель не объясняет, почему кварки и лептоны имеют настолько разную массу, а истинный кварк в 1000 раз тяжелее «верхнего» кварка. Мы знаем, что поле, связанное с бозоном Хиггса, в любой точке Вселенной имеет отличное от нуля значение, и что это и есть причина возрастания масс всех прочих частиц. Но мы не знаем, почему поле Хиггса так странно себя ведет, и Стандартная модель не может дать нам ключ к этой загадке.

Теоретические модели непонятных нам эффектов действия поля опираются на предположение, что в мире существуют частицы в 10 и даже в 30 раз тяжелее W-бозона или истинного кварка. Сегодня существует множество таких моделей, и в каждой ключевую роль играют разные новые частицы. Многие схемы предполагают фундаментальные изменения в структуре пространства-времени, когда на первый план выходят понятия суперсимметрии, суперструн и новых измерений. У меня нет никаких сомнений в том, что есть масса важных и захватывающих открытий, которые мы можем совершить в коллайдере более высокой мощности. В самое ближайшее время мы бросим все силы на поиск новых частиц в Большом адронном коллайдере. Я верю, что открытия, которые он позволит совершить, укажут нам путь вперед.

В отношении 100-километровой установки существует и другая проблема, куда менее серьезная, но не менее принципиальная, чем все остальные: название. Его дословный перевод звучит как «Очень большой адронный коллайдер». После публикации концепции создания устройства BBC предложила своим читателям придумать для него имя получше. В результате среди предложенных названий оказалось немало смехотворных: космическая соковыжималка, большая сосиска и мegahadrosaurousen, больше похожее на название какого-нибудь доисторического ящера с утиным клювом. Однако нашлись и имена, которые отличались поэтичностью: например, кварковый фонтан, светоч темной материи и машина великого «Почему».