Физика элементарных частиц за пределами БАК

Технологии

Судьба Международного линейного коллайдера решалась вчера специалистами ведущих лабораторий в ходе проводимой через интернет видеоконференции. Проект был представлен исследователями из Токио, Женевы и Чикаго. На его разработку было потрачено более десяти лет. Итоговый пятитомный доклад содержит планы по использованию нового ускорителя для изучения лептонов первого поколения и проверке положений современных теорий из области физики элементарных частиц. Одной из главных задач указывается постановка экспериментов, проливающих свет на природу тёмной материи.

Сегодня Большой адронный коллайдер считается самым крупным ускорителем элементарных частиц. С его помощью был обнаружен бозон Хиггса и определена его масса, подтверждено существование топ-кварка и сделан целый ряд других открытий. Однако его возможности не безграничны, а Стандартная модель – вовсе не предел в развитии наших представлений о свойствах элементарных частиц. Чтобы двигаться дальше, требуются новые ускорители – не столько более мощные, сколько принципиально другие.

Над проектом ILC (International Linear Collider) уже трудятся свыше тысячи учёных и инженеров из более чем ста университетов и лабораторий двух десятков стран. В отличие от кольцевой архитектуры БАК, компоненты нового ускорителя будут размещены в прямом тоннеле длиной тридцать один километр. Однако столкновения электронов и позитронов будут происходить не просто на встречных курсах. В ILC применяется довольно сложная и точно рассчитанная форма трека для получения дистанции пробега частиц, превышающей длину коллайдера. Это позволяет достичь более высоких энергий и снизить потери на синхротронное излучение при сохранении относительно компактных размеров.

Схема Международного линейного коллайдера (изображение: ILC GDE)

В БАК ускорялись тяжёлые заряженные частицы – протоны. Каждый протон состоит из трёх других фундаментальных частиц – кварков. При обычных условиях три кварка (uud) удерживаются вместе за счёт сильного ядерного взаимодействия и ведут себя как одна элементарная частица с положительным зарядом. При столкновении протонов друг с другом и с ионами металлов на скоростях, близких к световым, кварки высвобождаются и порождают новые частицы.

Подбирая условия экспериментов, предпринимались попытки зарегистрировать появление теоретически предсказанных ранее частиц и измерить их энергию-массу. Так был открыт и бозон Хиггса – квант поля с нулевым спином, необходимый для понимания природы массы. Его существование постулировал Питер Хиггс ещё в 1964 году, но подтвердить это предположение удалось лишь спустя сорок восемь лет, используя самый совершенный на сегодня ускоритель элементарных частиц.

Помимо наблюдения за результатами столкновения адронов, для развития Стандартной модели и выхода за её пределы требуется проведение экспериментов с другими фундаментальными частицами – лептонами. Они не участвуют в сильном взаимодействии, и их непосредственное изучение с помощью БАК невозможно.

Согласно последним данным проекта WMAP, доля «обычного» (адронного, а точнее — барионного) вещества во Вселенной составляет не более 4,6 процента. Гораздо большая часть представлена чем-то другим, получившим рабочие названия «тёмная материя» (24 процента) и «тёмная энергия» (71,4 процента).

Эволюция Вселенной в рамках теории большого взрыва (linearcollider.org)

Сейчас мы постепенно приближаемся к пониманию того, что такое «тёмная материя», методом исключения. Последовательно предлагаются различные кандидаты на роль этого загадочного вещества, не взаимодействующего с электромагнитным излучением, но проявляющего выраженные гравитационные эффекты.

Сегодня главными кандидатами на роль тёмной материи видятся тяжёлые (стерильные) нейтрино, легкие суперсимметричные и нейтральные псевдоскалярные частицы.

Чтобы подтвердить или опровергнуть каждое такое предположение, требуется разработать методику экспериментальной проверки и реализовать весьма специфические условия для регистрации результата. Именно это и будет происходить в тоннеле ILC.

Модель для тестирования ускорителя линейного коллайдера (фото: ilc-higrade.eu)

По аналогии с БАК, строящийся ускоритель можно было бы назвать «Большим лептонным коллайдером», так как в нём будут взаимодействовать лептоны первого поколения: электроны и их античастицы – позитроны. В отличие от протонов, они (по имеющимся данным) не имеют внутреннего состава. То есть результаты их столкновения должны быть менее вариабельными и более однозначными в интерпретации. Одной из ключевых задач ILC на первом этапе будет уточнение результатов, полученных на БАК.

Внутри тоннеля будет поддерживаться температура вблизи абсолютного нуля. В ILC будет установлен фотокатод, испускающий электроны под воздействием импульсов лазера длительностью 2 нс. Расчётным методом установлено, что на первичном этапе электроны будут достигать энергии 5 ГэВ. Их дальнейшее ускорение будет выполняться за счёт сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 1,3 ГГц.

Каждый пучок диаметром в доли миллиметра будет содержать около 20 млрд. электронов и позитронов. Высокая концентрация частиц позволит достигнуть числа столкновений около семи тысяч в секунду. Их полная энергия оценивается величиной порядка 500 ГэВ. В планах развития проекта ILC указывается возможность дальнейшего увеличения этого показателя вдвое.

Для сравнения: самый большой из действующих линейных ускорителей сегодня находится в Стэнфорде и характеризуется довольно скромным показателем в 50 ГэВ.

Стэнфордский центр линейного ускорителя (изображение: cnx.org)

Стэнфордский центр линейного ускорителя — общий вид (фото: flickr.com)

Предполагается, что для фиксации результатов каждого эксперимента на ILC потребуется массив накопителей большей ёмкости, чем используемый сегодня в CERN. Общая совокупность первичных данных может превысить петабайт уже в первый год использования линейного коллайдера.

Другой важной задачей ILC будет установление более чётких границ суперсимметричного расширения Стандартной модели. Последние эксперименты на БАК, зарегистрировавшие распад странного B-мезона на мюон и атимюон, уже позволили уточнить их в первом приближении.

Стоимость ILC превышает 8 млрд. долларов. Половину этой суммы готово предоставить правительство Японии, на территории которой и намечается строительство ускорителя.

Фрагмент линии компактного линейного ускорителя CLIC (фото: cds.cern.ch)

Помимо ILC той же группой параллельно ведётся работа над другим проектом компактного линейного ускорителя – CLIC. Возглавляет работу над ними бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс (Lyn Evans). Младший брат ILC позволит более эффективно распределить задачи и проверить результаты, выполняя часть намеченных исследований.