За гранью БАК: будущие коллайдеры

Большой адронный коллайдер (БАК), без сомнения, один из самых передовых научных проектов современности и крупнейший из существующих ускорителей.

🕛 22.11.2009, 11:32

Но сообщество исследователей постоянно стремится к использованию самых новых технологических достижений, к ещё большей точности, ещё большим энергиям. Уже разрабатываются проекты следующих "БАКов", поэтому задачи для них также должны быть намечены загодя. CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - Европейская организация по ядерным исследованиям) определила несколько возможных сценариев, по которым будут развиваться запланированные для БАК исследования, и намерена руководствоваться их результатами в планировании будущих работ.

Бозоны Хиггса

Если характеристики этих бозонов действительно совпадают с предсказанными Стандартной моделью физики частиц, они должны быть обнаружены в течение трёх лет. Открытие подтвердит, что поле Хиггса проникает во всю материю Вселенной, наделяя все остальные частицы массой. Если же Стандартная модель ошиблась, то найдены бозоны могут быть даже раньше, поскольку они скорее всего будут легче и потребуют меньше энергии для предваряющего их появление столкновения пучков в коллайдере, чем более тяжёлые частицы.

Следующий шаг - создание Super LHC ("Супер БАК"). Он предоставит учёным больше столкновений частиц в единицу времени, а также позволит изучать свойства бозонов Хиггса. Возможности ускорителя будут особо востребованы, если теоретические частицы окажутся тяжёлыми, хотя с CLC (Compact Linear Collider - Компактный линейный коллайдер) результаты должны быть более точными.

Если бозоны Хиггса не обнаружат

Если после трёх лет экспериментов с максимальными энергиями БАК осуществится пессимистический сценарий, это будет свидетельствовать о недостаточности теоретической базы и сложности поля Хиггса. Эти бозоны могут распадаться на известные частицы, что сложно зафиксировать в БАК, либо на невидимые, которые не взаимодействуют с детектором. Неудача также может стать признаком несоответствия бозонов Стандартной модели. Ещё один вариант - более экзотическая природа хиггсовского поля, чем предполагаемая, и включает, например, несколько типов взаимодействующих необъяснимым пока образом частиц.

Необходимо продумать иные механизмы появления у различных частиц массы. Например, когда сталкиваются два бозона W-типа (они имеют отрицательный или положительный заряд в отличие от нейтрального Z), должен появиться бозон Хиггса. Его отсутствие будет означать лишь возникновение другого объекта, на который падёт выбор в изучении наделения материи массой. Здесь помощь окажет Super LHC. Но завершение трёхлетних экспериментов без результата станет плохой новостью для ILC (International Linear Collider - Международный линейный коллайдер), потому как он должен оперировать меньшими энергиями, чем БАК. Предпочтение в таком случае лучше отдать CLC.

Суперсимметрия

Суперсимметрия (Supersymmetry, SUSY) - это теория, согласно которой все известные частицы в Стандартной модели имеют пару. В отличие от бозона Хиггса, "партнёры" не должны быть видимы напрямую и в соответствии с некоторыми предположениями проходят сквозь детекторы без взаимодействия. Их присутствие в результате столкновения возможно зафиксировать по несоответствию полного импульса, то есть "пропаже" некоторого количества энергии. Наиболее правдоподобная версия суперсимметрии подразумевает лёгкие частицы, которые обнаружатся в первый год работы БАК. Самая лёгкая частица - это кандидат на "представителя" тёмной материи.

Super LHC сможет измерять массу и спины большинства частиц теории о суперсимметрии. Но с детальным изучением лучше справится линейный коллайдер из-за точно известной энергии столкновения электронов и позитронов. В БАК и Super LHC энергия кварков и глюонов внутри столкновения протонов неизвестна, поэтому сложно отследить характеристики импульса. Большинство моделей предсказывают появление SUSY-частиц при энергиях ниже 0,5 ТэВ - идеальный вариант для ILC.

Новая физика

К новой физике относится всё, что не подпадает под Стандартную модель. Кроме суперсимметрии, в эту категорию явлений входят гравитоны, ассоциируемые с переносом гравитационного взаимодействия. Если они достаточно легки, то будут обнаружены в экспериментах с БАК. Более экзотические варианты - это так называемые "нечастицы" - абсолютно нераспознаваемый тип материи, которую возможно зафиксировать через потерю энергии столкновения.

Новое явление потребует подведения под него соответствующей теории. Например, суперсимметрия является одним из первых шагов к подтверждению теории струн. Super LHC сможет собирать намного больше данных относительно любого из относящихся к новой физике эффектов, чем БАК. А дополнительную информацию в зависимости от энергий частиц предоставят эксперименты в линейных коллайдерах.

Super LHC

По сути, Super LHC - это усовершенствованный БАК. Если всё пойдёт по намеченному плану, он будет введён в действие приблизительно через десятилетие, после всех обновлений оборудования. Сталкивающиеся лучи будут обладать в 10 раз большим количеством протонов, а число возможных столкновений в час вырастет также вдесятеро. Это означает большую вероятность зафиксировать интересные явления, но и объём лишних данных, которые нужно отфильтровать, увеличится. Вырастет и радиационный фон. Дата завершения модернизации - 2018 год, стоимость - $1,27 млрд. Сумма намного меньшая, чем понадобилась бы для строительства новой машины.

ILC (International Linear Collider - Международный линейный коллайдер)

Если после технического доклада в 2012 году проект получит финансирование, ILC станет 35-км ускорителем. БАК сталкивает протоны, содержащие кварки и глюоны, а новый линейный коллайдер будет оперировать электронами и позитронами. Их столкновения "чище", поскольку эти частицы являются фундаментальными, а значит будет меньше неясностей при изучении продуктов столкновений. Но в некоторых случаях максимальной энергии может оказаться недостаточно для наблюдения явлений новой физики. Дата завершения строительства намечена на 2020-е годы, стоимость - $8 млрд.

CLC (Compact Linear Collider - Компактный линейный коллайдер)

Этот линейный ускоритель будет работать с позитронами и электронами, как и ILC. Но его предполагаемая конструкция короче, а энергии столкновений - выше. Параллельно сталкивающимся пучкам будут запускаться управляющие высокоинтенсивные низкоэнергетические лучи. Генерируемая ими мощность должна передаваться быстрыми импульсами основным пучкам. Отличительная особенность CLC заключается в чувствительности к тяжёлым частицам по сравнению с Super LHC. Дата завершения проекта - 2020-е годы, стоимость - около $10 млрд.

Есть и другие предложения относительно будущего физики частиц. Одно из примечательных - это VLHC (Very Large Hadron Collider - Очень большой адронный коллайдер). Энергия столкновений в нём должна составлять от 40 ТэВ до 200 ТэВ (в БАК - 14 ТэВ), а строительный материал представляет собой переработанные отходы. Предлагаются также мюонные коллайдеры и электрон-протонные.