Новый проект ЦЕРН (CERN) заключается в строительстве механизма, который будет почти в четыре раза больше, чем самое большое ныне существующее устройство. Но для чего же конкретно он нужен?
Большой адронный коллайдер (БАК) — возможно, одно из самых загадочных устройств в мире. Оно находится в круговом туннеле длиной 27 километров на границе между Францией и Швейцарией, а его главная задача заключается в том, чтобы сталкивать самые мелкие частицы вселенной.
Этот механизм прославился на весь мир в 2012 году, когда ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) объявил об обнаружении бозона Хиггса. Теория о существовании этой элементарной частицы появилась много десятилетий назад, математические вычисления, стоящие за стандартной моделью элементарных частиц, предполагали, что она есть, но до эксперимента в БАК ее никто не мог зафиксировать.
И сейчас ЦЕРН заговорил о планах на будущее. Эксперименты с помощью БАК проводились с 2009 года с перерывами на обновление механизма. Сейчас как раз такой перерыв, и БАК вновь запустят в 2021 году, после чего он будет работать еще несколько десятков лет.
Но имеющиеся проекты настолько масштабны, что ЦЕРН уже несколько лет обсуждает предложение о строительстве преемника БАК. И вот сотрудники организации готовы рассказать о своем видении будущего.
Сейчас его называют Будущим циклическим коллайдером (Future Circular Collider, FCC), планы по его строительству были обнародованы в январе 2019 года. БЦК намного больше и мощнее, чем ныне существующий ускоритель. Пока это всего лишь план, его еще не приняли. Если план будет реализован, эксперименты в БЦК начнутся в 2040-х годах.
По данным ЦЕРН, общая стоимость строительства составит чуть более 200 миллиардов крон (более 1,5 триллиона рублей — прим. перев.). Финансировать проект в течение нескольких десятилетий будут страны-члены организации. Норвегия — одна из 22 стран, входящих в ЦЕРН, и в 2019 году она внесет примерно 240 миллионов крон (более 1,8 миллиардов рублей).
Но зачем нужен новый ускоритель частиц, чего ученые надеются добиться с его помощью?
Длинный-длинный туннель
БАК проложен в том же туннеле, что и предыдущий ускоритель частиц, просто туда поместили новую начинку. Работу предыдущего устройства свернули в 2000 году.
Но для БЦК будет построен совершенно новый туннель длиной 100 километров. Благодаря увеличенной длине ускорителя частиц частицы будут сталкиваться с гораздо большей силой.
«Сотню лет столкновение небольших кусочков материи с большой силой было, пожалуй, самым важным экспериментальным методом изучения структуры и состава материи», — рассказывает Андерс Квеллестад (Anders Kvellestad), физик, специализирующийся на элементарных частицах и работающий в Имперском колледже в Лондоне.
На самом деле план ЦЕРН предусматривает строительство в одном и том же туннеле нескольких устройств, которые разместятся одно за другим. Первый механизм будет сталкивать электроны и позитроны, и его можно будет использовать для более точных измерений и исследований, например, того же бозона Хиггса, о котором до сих пор известно далеко не все.
С его помощью можно будет также обнаруживать квантовые следы совершенно новых неизвестных частиц, не делая при этом прямых наблюдений.
Новая физика?
В дополнение к другим экспериментам, связанным со столкновениями электронов и ядер атомов свинца, позже планируется построить очень мощный механизм, с помощью которого в туннеле будут сталкивать протоны с протонами.
«В физике элементарных частиц столкновение протона с протоном напоминает кувалду, тогда как столкновение электрона с позитроном можно сравнить с маленьким геологическим молоточком. Первое дает большую мощность, а для второго характерна большая точность».
Мощность самого пучка частиц измеряется в тераэлектронвольтах (ТэВ). БАК длиной в 27 километров справится с 14 ТэВ, тогда как новый ускоритель выдержит мощность до 100 ТэВ.
Более высокие энергии позволяют «выманить» более массивные частицы, которые, возможно, раньше не наблюдались, и не исключено, что результаты таких экспериментов дадут представление о совсем новой физике, объясняет Квеллестад.
Потому что во вселенной еще полно такого, чего не понимают ученые. Например, нет ответа на вопрос, что же на самом деле представляют из себя темная энергия и темная материя, хотя они и являются центральными понятиями в нашем нынешнем представлении о вселенной.
А еще в современной физике есть большая проблема. Общая теория относительности и квантовая теория поля, которая описывает элементарные частицы, не совпадают. В настоящее время нет объяснения и самой гравитации, которая вписывается в обе модели.
Независимо от того, как вы на это смотрите, в понимании вселенной чего-то не хватает. Объяснений предлагается много, но исследователям нужны доказательства.
И физики надеялись, что нынешний ускоритель частиц БАК даст подсказку относительно новой физики. Пока этого не произошло, но БАК будет работать еще много лет.
«Теперь мы знаем все о некоторых небольших, но интересных расхождениях между теорией и практическими наблюдениями в рамках существующих данных. Поэтому я жду, что результаты следующего раунда работы БАК продемонстрируют нам, являются ли эти расхождения следствием „новой физики" или же это просто статистические вариации», — говорит Квеллестад.
Но есть также и некоторые сомнения относительно планов строительства новых ускорителей частиц.
Это действительно что-то даст?
Немецкий физик Сабине Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) — одна критиков предложения по строительству БЦК. Она написала книгу о том, что физика слишком озабочена «красотой» уравнений.
В колонке в «Нью-Йорк таймс» она критикует проект, в частности, за то, что ЦЕРН предлагает его с теми же обещаниями, что давались перед началом строительства БАК: найти темную материю и прояснить происхождение вселенной.
Проблема в том, что такой результат никак нельзя гарантировать, утверждает Хоссенфельдер. Физики были почти уверены, что найдут с помощью БАК бозон Хиггса, но сейчас таких многообещающих целей у них нет.
Суперсимметрия — теория, которая предсказала существование нескольких различных частиц, способных заполнить пробелы в стандартной модели, но эти частицы еще не затрагиваются в экспериментах.
Хоссенфельдер утверждает, что физике пока стоит исследовать другие возможности, и лучше подождать со строительством ускорителя больших размеров, сосредоточившись на вопросе, почему предполагаемые частицы не появились в БАК.
Если вам интересно, вы можете более подробно ознакомиться с критикой проекта в ее блоге. Также она говорит, что если с помощью БАК в ближайшие годы действительно удастся что-то обнаружить, то картина может измениться.
Фундаментальные исследования
«После открытия бозона Хигсса у нас больше нет никаких теоретических „гарантий" того, что мы обнаружим новые частицы в экспериментах следующего поколения, — рассуждает Андерс Квеллестад. — Но на самом деле это просто означает, что физика элементарных частиц вернулась в довольно нормальное для фундаментальных исследований состояние — когда никто не знает, что может обнаружиться в следующем эксперименте».
«В истории физики есть несколько примеров открытий, которые никто не предвидел».
Квеллестад считает, что даже если мнение физиков о том, чего ожидать от этих опытов, расходятся, это не должно быть аргументом против проведения новых больших экспериментов.
По словам Квеллестада, благодаря новым ускорителям частиц ученые смогут лучше исследовать и замерить уже известные частицы.
Построить механизм побольше надо, но не сейчас?
«Нет никаких сомнений в том, что дальнейший путь исследования физики элементарных частиц пролегает через более крупный механизм», — рассказывает «Форскнинг» Бьёрн Самсет (Bjørn Samset), исследователь Центра международных экологических и климатических исследований «Цицеро» (Cicero). По образованию он физик, специализирующийся на элементарных частицах, и он работал в ЦЕРН.
«Вопрос только в том, пришло ли уже время его строить или пока лучше сосредоточиться на других вещах».
Он также считает, что физике, возможно, больше пошло бы на пользу, если бы для начала более подробно оценили другие проекты, которые могут помочь лучше понять, что именно могло бы найти новое устройство.
Самсет приводит в пример темную материю.
«Многие надеялись, что в БАК будет достаточно энергии для создания частиц, из которых, возможно, состоит темная материя».
Выдвигалось множество теорий, и некоторые были опровергнуты, но многие еще нужно проверить. Вопрос в том, не лучше ли сосредоточиться на других методах, таких как специальные датчики, с помощью которых можно напрямую фиксировать темную материю.
Если БЦК и будет построен, это случится еще не скоро, однако Самсет подчеркивает, что обсуждать подобные проекты настолько заранее очень важно.
«Опасность ожидания — в потере опыта. Техники в ЦЕРНе — настоящие волшебники, они заставляют ускоритель совершать невероятное. Если мы не начнем планировать следующий проект уже сейчас, многое из этого опыта может быть потеряно».
В то же время он считает, что опыт можно передавать и в рамках других проектов. Но он уверен, что огромные ускорители все-таки будут построены.
«Такой механизм должен быть построен, и он будет построен, но, может, пока еще слишком рано?»