Есть ли жизнь после LHC? Европейцы покушаются на основы физического мира
К концу 2030-х годов на смену Большому адронному коллайдеру (БАК) придет Будущий циклический коллайдер. Для него посреди Европы построят кольцевой тоннель длиной сто километров. Без такой установки невозможно досконально исследовать бозон Хиггса и найти новую физику, уверяют ученые. Ускоритель задействует принцип crab waist, в разработку которого большой вклад внесли российские физики. РИА Новости вместе с соавторами изобретения рассказывает о новом мегапроекте Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН).
Наследник БАК
Официально о планах строить новый коллайдер ЦЕРН объявил в 2014 году. В конце года ожидается публикация физобоснования (conceptual design report), где воедино будут собраны и проверены на непротиворечивость ключевые принципы работы ускорителя, технические и научно-исследовательские задачи. Это обязательный предварительный этап перед проектированием любой крупной физической установки.
Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider, FCC) представляет собой фабрику по производству событий, в которых рождается бозон Хиггса. Эта частица (она же поле Хиггса) наделяет массой другие элементарные частицы, образующие обычную материю.
Ее предсказали в 1960-х, а в 2012-м обнаружили - на БАК. Первооткрыватели частицы Питер Хиггс и Франсуа Энглером удостоились Нобелевской премии. Теперь физики хотят знать, как именно приобретается масса через механизм Хиггса, в том числе самим одноименным бозоном. Чтобы ответить на эти вопросы, нужно набирать статистику, а это требует регистрации большего числа событий.
Высокие параметры, новые задачи
Основными характеристиками коллайдеров служит светимость - число соударений частиц с мишенью или пучком встречных частиц, а также их энергия. В июле БАК начали модернизировать, чтобы поднять к 2026 году светимость в десять раз - до 10 35 см −2 *с −1.
Интегральная светимость FCC на порядок превысит этот параметр на БАК, а рабочая энергия в столкновениях протонных пучков - в семь раз. За 25 лет работы на фабрике получат 10 10 рождений бозона Хиггса - в сто раз больше, чем на БАК. Статистика позволит выделить сигналы из фона, который так мешает физикам.
Высокая светимость и производительность FCC увеличат вероятность зафиксировать рождение тяжелых Z и W калибровочных бозонов, ответственных за слабое взаимодействие, гипотетических частиц гейджино, скварков, предсказанных теориями суперсимметрии. Авторы проекта рассчитывают проникнуть в тайну темной материи и нащупать новую физику, выходящую за границы Стандартной модели.
"Новая физика - это не только движение ко все более высоким энергиям для поиска новых частиц, но и изучение очень редких распадов, нарушений симметрии. Для этого требуются коллайдеры на precision frontier, производящие большое количество таких редких событий, то есть обладающие высокой светимостью. Именно такими установками должны стать FCC-ee в ЦЕРН и "Супер С-Тау фабрика" в Новосибирске", - рассказывает РИА Новости Михаил Зобов, управляющий технологическими исследованиями Национальной лаборатории Фраскати Национального института ядерной физики (Италия).
Михаил Зобов окончил кафедру электрофизических установок МИФИ, где приобщился к ускорительной технике. Стажировался в Италии, после защиты диссертации уехал туда работать.
Три ускорителя в одном
Проект FCC предполагает строительство в одном тоннеле поэтапно трех циклических коллайдеров, пояснил РИА Новости Евгений Левичев, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, соавтор проектов "Супер С-Тау фабрика" и FCC.
По словам Левичева, первым реализуют электрон-позитронный коллайдер (FCC-ee) на максимальную энергию до 180 ГэВ в пучке (рождение пары топ-антитоп-кварков). Установка предназначена для работы в низкой области энергий (45-180 ГэВ), но с огромной светимостью.
На втором этапе построят протонный коллайдер (FCC-hh) на энергию 100 ТэВ в системе центра масс, где на каждый пучок приходится 50 ТэВ.
Обсуждают и строительство третьей очереди - электрон-ионного коллайдера (FCC-eh).
"В целом проект хорошо проработан и кажется реалистичным. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН принимает в нем активное участие на всех этапах", - прокомментировал ученый.
Сплющить и закрутить
В основе электрон-позитронного FCC-ee лежит принцип столкновения пучков заряженных частиц crab waist (можно перевести как "крабовая перетяжка", "крабовый фокус"), сформулированный в Национальной лаборатории Фраскати.
"Первоначально этот принцип предложил Панталео Раймонди (итальянский физик, бывший глава отдела ускорителей Национальной лаборатории, теперь - директор Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле. - Прим. ред.). Он же провел предварительное упрощенное моделирование, увидел значительный эффект и, чтобы понять его лучше, обратился ко мне. После моделирования я предположил, что все дело в подавлении нелинейных резонансов, возникающих при взаимодействии пучков заряженных частиц, и поделился соображениями с Дмитрием Шатиловым из ИЯФ в Новосибирске. В результате интенсивного обсуждения появилась статья с объяснением наблюдаемых эффектов", - излагает историю открытия Зобов.
Летящие и сталкивающиеся в коллайдере сгустки частиц стремятся разлететься, отклониться, что снижает светимость. Ее увеличение обычными методами, например, повышением интенсивности сгустков и уменьшением их размеров в месте встречи, приводит к резонансам, росту хаоса из-за их сильного нелинейного электромагнитного взаимодействия. Кроме того, чем сильнее стараешься сфокусировать пучок, тем больше эффект песочных часов, уменьшающий светимость при конечной длине сгустков.
Если в месте встречи пучки электронов и позитронов сталкивать под углом, а затем еще и закрутить их в самом тонком участке с помощью двух шестиполюсных магнитов (секступолей), то эти негативные эффекты можно подавить и значительно увеличить светимость, а значит, частоту рождения событий.
"Принцип назван по аналогии со схемой Crab crossing, использованной в японском коллайдере KEKB, где сталкивающиеся пучки разворачиваются по отношению к направлению движения и движутся как бы "боком". В нашем случае таким образом искажаются оптические функции, когда положение фокальной плоскости изменяется по отношению к направлению движения", - уточняет Михаил.
Новую идею воплотили при строительстве электрон-позитронного коллайдера DAФNE (фабрика фи-мезонов) в Италии. Полученный там опыт ученые признали успешным и готовым к масштабированию.
Принцип crab waist берут на вооружение в "Супер С-Тау фабрике" - установке класса мегасайенс, которую построят в Новосибирске.
"Именно новосибирские коллеги предложили этот принцип для FCC-ee. Их вклад в проект значительный, они работают над зоной взаимодействия пучков, изучают процессы, возникающие при столкновениях частиц, исследуют нелинейную динамику частиц, монохроматизацию и многое другое", - подчеркивает Зобов.
Шестнадцать тесла
Постройка нового ускорителя FCC-hh в принципе возможна, однако потребуется соединить идеи и технологии, которые до того применялись по отдельности. Придется ступить и на неизученную территорию, например, создать сверхпроводящие дипольные магниты, индуцирующие поле до 16 тесла. Их установят в тоннеле, чтобы разгонять и направлять пучки частиц. Для сравнения - магниты на БАК индуцируют восемь тесла, в пятнах на Солнца магнитная индукция достигает десяти тесла.
В ЦЕРН запустили программу по достижению 16 тесла, сделав ставку на ниобий-олово (Nb3Sn), промышленное производство которого налажено благодаря Международному экспериментальному термоядерному реактору (ИТЭР). Сверхпроводящие свойства этого соединения открыли раньше, чем у ниобий-титана, "рабочей лошадки низкотемпературной сверхпроводимости", но долгое время применяли только в исследовательских магнитах.
После открытия способности ниобий-олова индуцировать магнитное поле примерно до 20 тесла материал стал интересен промышленности.
Для магнитов ИТЭР понадобилось шестьсот тонн ниобий-олова. Из них 120 тонн поставила Россия.
По словам заведующего отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ВНИИ кабельной промышленности из Подольска Виталия Высоцкого, для достижения 16 тесла нужно повысить плотность тока в сверхпроводнике в три с лишним раза по сравнению с ИТЭР.
"Это возможно при использовании так называемой технологии с внутренним источником олова", - отмечает Высоцкий.
С ЦЕРН в этом проекте сотрудничает ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, а ВНИИКП готовится делать кабели из изготовленного в России Nb3Sn-провода.
Магниты представляют собой огромные катушки кабелей, внутри которых уложено и скручено особым образом множество тоненьких проволочек. Чтобы добиться сверхпроводимости, катушки нагревают несколько дней при температуре 650 градусов Цельсия. В 2015-м из ниобий-олова удалось создать опытный образец сверхпроводника, сгенерировавшего поле 16,2 тесла.
По расчетам ЦЕРН, для исследований и экспериментов в ближайшие пять лет потребуется около шести тонн ниобий-олова. На обеспечение коллайдера FCC-hh - порядка десяти тысяч тонн. Это хороший шанс для развития отрасли во всем мире.
Сверхпроводники понадобятся для создания высокочастотных резонаторов, увеличивающих энергию пучка. И магниты, и резонаторы нужно будет охлаждать жидким гелием, что, учитывая размер установки, представляет собой нетривиальную задачу и очередной вызов для мировой высокотехнологичной промышленности.
Конкуренты поджимают
Между тем у FCC есть конкуренты. В 2013 году сходную по дизайну фабрику Хиггса задумали в Китае. Ее хотели реализовать в тоннеле длиной 54 километра на энергии 70 ТэВ, но в прошлом году тоннель увеличили до ста километров.
"Думаю, будет соревнование. Пока в FCC-ee закладывается гораздо более высокая светимость. Похожая ситуация складывалась и с В-фабриками: еще работал коллайдер CESR в Корнеллском университете США, а уже строили два новых - PEP-II в Стэнфорде (США) и KEKB в Японии. Тогда говорили, что это хорошо, поскольку таким образом происходит взаимопроверка полученных результатов. Правда, Нобелевскую премию получили только японцы", - рассказывает Зобов.
В Японии хотят построить и электрон-позитронный международный линейный коллайдер (International Linear Collider, ILC).
"У циклических и линейных коллайдеров свои особенности. Например, на FCC-ee можно достичь более высокой светимости на энергии Хиггса, а в ILC - более высокой энергии, поскольку нет потерь на синхротронное излучение", - продолжает ученый.
"На самой, как считается, интересной энергии рождения бозона Хиггса (120 ГэВ) FCC-ee намного более перспективен, чем ILC, поскольку его светимость почти в сто раз больше. В пользу FCC-ee говорит и то, что он основан на хорошо проверенной технологии циклических машин, в отличие от недостаточно освоенных линейных коллайдеров, а также то, что в высоких энергиях БАК пока не "увидел" ничего нового и необычного", - поясняет Евгений Левичев.
"Посмотрим, какой из этих проектов профинансируют", - резюмирует Михаил Зобов.
Ускорители позволяют исследовать структуру материи с беспрецедентной детальностью, открывать новые частицы, изучать силы природы и главное - получить представление о том, что происходило в момент рождения Вселенной. Последнее обстоятельство взволновало общественность в период строительства БАК. Не родится ли в ускорителе при попытке смоделировать Большой взрыв черная дыра, которая поглотит Землю?
Вряд ли подобных вопросов избегут авторы идеи FCC. А значит, в ближайшую четверть века (столько как минимум уйдет на строительство грандиозного коллайдера) нас ждет небывалый всплеск интереса к ядерной физике и загадкам мироздания.
