General

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 субатомну частинку в 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 субатомной частки, якарозкриває походження маси, призвело до завершення Стандартної моделі - всеосяжної 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 бозонаХіггса в надії, що він стане ключем до вирішення тривалих завдань фізики частинок. «Хіггс - особлива частки», говорить фізик Іфанг Ван, директор Інституту фізики високих енергій в Пекіні. «Ми віримо, що Хіггс - це вікно в майбутнє».

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

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

«Стандартна модель не є повною теорієювсесвіту », 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, в той час як антиматерія зустрічається вкрай рідко.

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

Наступні на черзі

Перший в черзі стоїть Міжнародний лінійнийколлайдер на півночі Японії. На відміну від ВАК, на якому частинки рухаються по кільцю, МЛК прискорює два пучки часток по прямій лінії, розташовані один навпроти одного, по всій своїй 20-кілометрової довжині. І замість того, щоб зіштовхувати разом протони, він зіштовхує електрони і їх партнерів по антиречовини, позитрони.

Однак в грудні 2018 року міждисциплінарнийкомітет 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 позіткнення 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 безладними і створювати більше непотрібного сміття частинок, який доведеться просівати.

Крім того, при зіткненнях протонів тількичастина енергії кожного протона фактично потрапляє в зіткнення, тоді як в електрон-позитронного коллайдерах 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 потребують тільки 250 мільярдів електрон-вольт для виробництва бозонів Хіггса в порівнянні з 13 трильйонами електрон-вольт на БАК.

У МЛК «якість одержуваних даних буде набагатовище », 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 в 10 мільярдів зіткнень.

Очікується, що уряд Японії приймерішення по коллайдера в березні. Еванс каже, що якщо МЛК буде схвалений, на його створення піде 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 в серії оновлень. Щоб досягти цих більш високих енергій, необхідно розробити нову технологію прискорення частинок, а значить CLIC з'явиться явно не раніше МЛК, говорить Еванс, який очолює співпрацю дослідників обох проектів.

Біг по колу

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

Круговий електронний-позитронний колайдер, місцебудівництво якого в Китаї поки не визначено, буде зіштовхувати електрони і позитрони на 240 мільярдів електрон-вольт, згідно концептуальному плану, офіційно представленому в листопаді і захищеному Ваном і Інституту фізики високих енергій. Цей прискорювач може бути пізніше оновлений для зіштовхування протонів на високих енергіях. Вчені говорять, 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 круговоїколлайдер, 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 в сім разів перевищує енергію ВАК.

Тим часом, вчені закрили БАК на два роки,модернізуючи машину для роботи на більш високій енергії. У 2026 року запрацює БАК з високою світністю, який збільшить частоту зіткнень протонів щонайменше в п'ять разів.

портрет Хіггса

Коли ВАК був побудований, вчені були доситьвпевнені, 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.

Вимірювання взаємодій Хіггса можуть підтвердитиочікування 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 щосьнесподіване. 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 зі Стенфордського університету. Ця рідина пронизує Всесвіт, сповільнюючи частки і даючи їм вагу.

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

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

Не пропустіть поновлення на цю тему в наших каналах в Телеграма.