Сможет ли перевернуть основы физики лунный коллайдер частиц

Физики снова озадачились вопросом строительства гигантского коллайдера, на этот раз — на Луне. Ученые обрисовали долгосрочный план по сооружению коллайдера, который пройдет по окружности большого круга Луны и будет опоясывать спутник Земли.

Физики из университета Дьюка и ЦЕРНа уверены, что гигантская структура может появиться уже в следующем столетии. Их проект, опубликованный на сайте научных статей и препринтов arXiv, утверждает, что Луна хорошо подходит для изучения физики высоких энергий.

Коллайдеры частиц сталкивают кванты, такие как протоны и электроны, на высоких скоростях. На Земле некоторые из таких сооружений имеют круглую форму, например, Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии. Другие построены в виде прямых линий. Оба варианта конструкций помогают частицам достигать феноменальной скорости.

Из энергии столкновения могут формироваться другие кванты и частицы, в том числе крупные. Например, бозон Хиггса — фундаментальная частица, которая помогает придавать массу другим элементарным частицам.

Художественная концепция лунного коллайдера. Изображение: Alyse Markel

Таким образом, наличие дополнительного пространства для создания более крупного и мощного коллайдера потенциально может привести к открытию других новых частиц. Эти частицы помогут объединить разрозненные физические идеи и продвинуть нас к более полному пониманию Вселенной. Мегаструктура на Луне, занимающая до 11 000 км по окружности, может обеспечить энергию столкновения протон-протон до 14 ПэВ, а это примерно в 1000 раз больше, чем у БАК — самого мощного коллайдера частиц на Земле.

«У нас уже слишком много открытых вопросов в науке и физике элементарных частиц, и больше нет теоретических намеков на то, куда нужно двигаться, чтобы их решить», — говорит Джеймс Бичем, физик элементарных частиц, работающий в Университете Дьюка, который помогал теоретизировать лунный коллайдер.

По словам ученого, при запуске огромного лунного огромного коллайдера увеличивается вероятность открытия следующего бозона Хиггса. Также можно будет продолжить изучение процесса зарождения Вселенной.

В первую очередь, на Луне очень холодно. Ночью температура опускается до –73 С, а днем в  тени лунных кратеров находится лед, то есть без воздуха и воды места, защищенные от прямых солнечных лучей, остаются холодными.

Физикам необходимы такие низкие температуры: в таких условиях сверхпроводящие магниты, которые разгоняют частицы в ускорителе почти до скорости света, не расплавятся, а чем горячее детектор, тем с большим количеством шума приходится иметь дело, пытаясь выделить сигналы от частиц.

Помимо низких температур, тот факт, что у Луны нет атмосферы, также является большим преимуществом.

На Луне вакуум в 10 раз лучше, чем во всех устройствах, которые физики когда-либо создали, причем для его достижения не нужно прилагать никаких усилий.

Схематическая возможная траектория (черная линия) лунного коллайдера. На изображении слева в центре находится северный полюс Луны, справа — южный полюс. Исходные топографические изображения были построены с использованием данных, собранных Lunar Reconnaissance Orbiter Camera. Изображение: James Beacham/ Frank Zimmermann

Кроме того, из-за приливной блокировки Луна все время повернута к Земле одной и той же стороной, то есть связь установки с лабораториями на Земле может быть беспрерывной.

По плану авторов проекта, сначала потребуется отправить на Луну специалистов для проведения исследований. Ученым нужно будет понимать, какие материалы доступны на Луне и что нужно будет привезти с Земли. Однако транспортировка инструментов и строительных материалов в космосе невероятно дорогая: одни только машины для бурения туннелей могут весить более 1200 тонн. По оценкам NASA, отправка на орбиту Земли каждых 4,5 кг полезного груза стоит около $700.

Также придется понять, как коллайдер будет вращаться вокруг Луны. В качестве траектории можно взять окружность сфероида в любой точке или месте, поэтому коллайдеру не нужно обходить самую широкую часть Луны. Ученые говорят, что, например, вокруг Луны есть большие круговые маршруты, которые позволяют избежать изменения высоты.

Еще понадобится наладить производственную инфраструктуру. Первоначально добыча материалов будет иметь наивысший приоритет. Лучшим вариантом для коллайдера на Луне было бы использование высокотемпературных сверхпроводников на основе железа, потому что похоже, что Луна полна доступного железа.

Кроме того, коллайдеру потребуется так много энергии, что даже всей существующей ядерной энергии на Земле будет недостаточно. По оценкам, лунный коллайдер будет потреблять десятки тераватт энергии (все человечество каждый день потребляет около 15 тераватт). Здесь ученые предлагают использовать сферу Дайсона для получения максимума солнечной энергии — воображаемую космическую «надстройку», которая может напрямую улавливать энергию ближайшей звезды.

Также понадобится найти лучший способ передать большие объемы данных с Луны на Землю. Что еще более важно, помимо небольшой бригады для технического обслуживания, люди на Земле должны будут иметь возможность управлять коллайдером.

В целом, ученые оценивают перспективы строительства гигантского коллайдера частиц на спутнике Земли, как вполне реальные в течение следующих 150 лет. И в этом случае физику ожидает крупный прорыв.