Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

100 ТэВ на перспективу

Что ждет коллайдерную физику в следующие полвека

Polar Media / CERN

После двух лет обсуждений обновленная Европейская стратегия по развитию физики высоких энергий принята. А значит, ЦЕРН определился со своими ключевыми приоритетами — причем не только на ближайшие годы, но и вторую половину XXI века. Физик Игорь Иванов разбирается, каковы основные пункты стратегической программы и как будет строиться коллайдер, что заменит LHC.

Большой адронный коллайдер (LHC, БАК) — флагман в нашем путешествии в недра микромира. Запущенный десятилетие назад, он рывком перебросил нас на шкале энергий, расстояний, интенсивностей по сравнению с прошлыми адронными коллайдерами. В 2012 году на нем был открыт хиггсовский бозон — принципиально новая частица, открывающая нам новое долгожданное «окно» в микромир. Физики потирали руки в предвкушении фейерверка открытий: казалось вот-вот, и новые частицы, явления, взаимодействия и прочая экзотика микромира посыпятся из рога изобилия.

Увы, радужным мечтам сбыться было не суждено. Коллайдер год за годом наращивал светимость, физики улучшали установки и разрабатывали все более прозорливые методы анализа данных — но в результате лишь раз за разом подтверждали Стандартную модель, современную теорию устройства микромира, созданную аж в 1970-х годах.

В 2013-2015 годах, к радости теоретиков, начали вырисовываться первые намеки на отклонения от Стандартной модели. Как раз в то время Большой адронный коллайдер, обновленный и возмужавший, начинал свой второй сеанс работы, — и надежда вспыхнула вновь. Однако несколькими прицельными циничными ударами природа послала теоретиков в нокдаун. Сейчас по-прежнему остаются странности с распадами B-мезонов, но наученные горьким опытом физики уже относятся к ним очень сдержанно.

Между тем, исходная мотивация поисков отклонений от старой доброй Стандартной модели никуда не делась. Физикам достоверно известно, что эта теория неполна. В ней нет места:

  • темной материи,

  • загадочно малым массам нейтрино,

  • объяснения наблюдающегося во Вселенной преобладания материи над антиматерией.

Да и в самом ее устройстве есть внутренние несуразности: неизвестно откуда взявшиеся взаимодействия, симметрии, численные коэффициенты. Вся эта теоретическая структура, хоть и прекрасно согласуется с тысячами измерений, оставляет ученых с гнетущим ощущением неудовлетворенности. Кажется, что перед нами — осколки какой-то более симметричной, красиво настроенной, глубокой и простой теории. Новой физики.

В том или ином виде Новая физика точно должна быть — и теоретики уже понапридумывали сотни ее вариантов. Но только нам никак не удается нащупать ее проявления в экспериментах на коллайдерах. О, сколько нобелевских премий, сколько интеллектуального восторга нас ждет, добудь мы хоть один четкий, достоверный, неопровержимый пример отклонения природы от Стандартной модели! Но увы — такой пример никак не находится.

Именно поиски Новой физики и стали в последние десятилетия главной задачей физики элементарных частиц. Этого подвига ждали от Большого адронного коллайдера — но пока его работа «новофизических» плодов не принесла. Он проработает еще долго, примерно до 2038 года, но в сердца исследователей уже закрадывается холодок: а вдруг нынешний коллайдер так ничего и не откроет? Это приговор или нет? Куда двигаться коллайдерной физике потом? Ведь если ставить цели на 2040-е годы и дальше, то делать это надо уже сейчас и всем вместе.

Именно это и стало главным мотивом, заставившим ЦЕРН запустить широкую кампанию по выработке европейских (а фактически — глобальных) приоритетов в развитии физики частиц на ближайшие годы и десятилетия.


Всем миром

Физика частиц работает на пределе технологических возможностей экспериментальной науки. То, что здесь можно было сделать усилиями небольшой исследовательской группы в рамках настольного эксперимента — уже сделано. Дальше можно двигаться, либо наращивая энергию, точность и прозорливость современных установок, либо изобретая принципиально новые подходы.

И то, и другое требует совместной работы больших коллективов ученых, а значит, скоординированных усилий не только отдельных лабораторий, но и целых стран. Собственно, сам ЦЕРН — Европейская организация по ядерным исследованиям — возник в послевоенной Европе, когда стало ясно, что европейские страны своими слаженными усилиями смогут получить куда больше научных результатов, чем если будут при том же суммарном бюджете действовать по отдельности. Эта модель оказалась исключительно успешной и стала примером для других научных и технических организаций Европы.

В эпоху Большого адронного коллайдера, координация усилий в экспериментальной физике частиц поднялась на глобальный уровень. Сейчас ЦЕРН — не только центр притяжения европейских университетов и институтов, но и ключевой партнер для научных лабораторий по физике частиц по всему миру. ЦЕРН не пытается заместить собой национальные институты, но всегда готов предложить свою кооперацию по реализации проектов разного масштаба и амбициозности. Это понимают в России, в США, в Китае, в Японии и во всех остальных странах, серьезно ориентированных на физику частиц. Поэтому когда ЦЕРН обрисовывает свои планы на ближайшие годы и десятилетия, все понимают — это коснется исследовательских программ всех стран мира.

Физики изучают мир элементарных частиц, прежде всего, с помощью коллайдеров — ускорителей, на которых разогнанные элементарные частицы сталкиваются друг с другом лоб в лоб. Ускорители частиц — это, по сути, микроскопы. С их помощью физики «рассматривают», как функционирует вселенная на мельчайших масштабах.

И таковы уж свойства нашего мира, что чем более мелкие объекты нам требуется рассмотреть, тем больше должна быть энергия и интенсивность ускорителей, а значит, тем более сложной и более дорогой становится установка. Высокая стоимость новых коллайдеров обуславливается не дорогими материалами самими по себе — материалы-то стараются найти по возможности доступные. Новые коллайдеры дороги, потому что они не собираются из уже готовых запчастей. Они даже не ориентируются на уже существующие технологии. Сама необходимость создать коллайдер следующего поколения с неизбежностью требует сначала новых технологий. Именно поэтому строительство новых коллайдеров с рекордными параметрами начинается с десятилетий (!) инженерных поисков и подвигов.

А значит, если научное сообщество рассчитывает на новый коллайдер (или коллайдеры?) после LHC, его надо активно разрабатывать уже сейчас. И желательно даже выходить на стадию изготовления компонентов.

Проблема в том, что нет быстрого однозначного ответа, какой именно коллайдерный проект следует предпочесть. Таких проектов уже несколько. Все они различаются по размерам, стоимости, готовности технологий, по амбициозности научной программы. Некоторые из них предполагается построить рядом с ЦЕРНом, другие — в Китае или в Японии. Каждый из них будет глобальным проектом и очень дорогой установкой: масштабы вложений оцениваются от нескольких миллиардов до десятков миллиардов долларов. Построить сразу все — просто нереально. Так какой проект в нынешней ситуации выглядит для европейской физики частиц самым разумным, надежным, сбалансированным в части амбициозных целей и гарантированной научной отдачи?


Европейская стратегия: процесс

Впервые Европейская стратегия была сформулирована в 2006 году. Она создавалась «снизу вверх»: все научное сообщество по физике частиц через серию специальных мероприятий определяло приоритеты на ближайшие годы.

В 2013 году, на волне открытия бозона Хиггса и оптимистичных ожиданий от грядущих результатов на LHC, стратегия была обновлена. Ее ключевой пункт — выжать максимум научной информации из Большого адронного коллайдера и его будущей реинкарнации на высокой светимости HL-LHC, переход к которой запланирован на 2026-2027 год. Эта часть работы выполнена на отлично: LHC превратился в беспрецедентно надежную машину, поставляющую новые данные рекордными объемами, переход на HL-LHC уже не за горами.

В сентябре 2017 года, на 186-й сессии Совета ЦЕРНа был дан старт новой фазе обновления стратегии. Специальный координирующий орган выпустил в марте 2018 года призыв ко всем университетам, научным институтам и лабораториям мира подготовить до конца года свои обоснованные предложения по тому, куда должна двигаться физика частиц в период с 2020 по 2026 годы. Пусть этот «короткий» семилетний период вас не смущает: в нынешней ситуации ясно, что план на ближайшие семь лет становится осмысленным только вместе с глобальным видением, как развиваться физике частиц в ближайшие лет 50. То, что обсуждается сейчас, повлияет, в том числе, на наших внуков.

В 2019 году произошло несколько примечательных событий.

Во-первых, в январе был представлен четырехтомный проект будущего 100-километрового коллайдера FCC (Future Circular Collider), который может стать следующим мегапроектом (скорее даже — гигапроектом) ЦЕРНа. Мучительный поиск компромисса между грандиозным научным потенциалом FCC, неопределенностью этого самого потенциала (эпоха гарантированных открытий закончилась!) и стоимостью коллайдера привел к следующей схеме, которая сейчас считается приоритетной.

  • Начать в ближайшее десятилетие прокладку 100-километрового туннеля, в котором к концу 2030-х годов будет установлена электронно-позитронная версия FCC (FCC-ee). Такой коллайдер будет рассчитан на скромную энергию до 250 ГэВ и будет работать как хиггсовская фабрика — коллайдер, специально заточенный под массовое производство бозонов Хиггса и их всестороннее изучение. Стоимость его строительства: около 10 млрд швейцарских франков, половина из которых будет потрачена на сам туннель (расклад по стоимости можно найти, в частности, в отдельном документе).

  • Затем — 10-15 лет научной работы FCC-ee, а параллельно этому будут создаваться новые магниты для уже адронной версии FCC (FCC-hh). Это будет протонный коллайдер с невообразимой на сегодня энергией столкновений 100 ТэВ, семикратно превышающей рекорд LHC, а также намного большей светимостью. Дополнительная стоимость этого этапа — 17 млрд франков сверх того, что уже было вложено на этапе FCC-ee.

  • В районе 2050-х годов запланирован демонтаж FCC-ee и установка в том же туннеле FCC-hh, который затем проработает еще лет 25-30, ориентировочно до 2080-х годов.

Во-вторых, в марте 2019 года, после нескольких лет обсуждений и задержек, правительство Японии официально заявило, что пока не готово строить у себя Международный линейный коллайдер ILC. Это был серьезный удар для научного сообщества. Дело в том, что все технологии для ILC уже несколько лет как готовы — проект ждал лишь зеленого света от правительства Японии, на территории которой коллайдер планировалось строить. Увы, пока не сложилось; Япония отдала приоритет другим научным мегапроектам.

Между тем процесс подготовки обновленной Европейской стратегии шел своим чередом. В мае 2019 года, на открытом симпозиуме в испанской Гранаде была представлена сводка предложений, поступивших от разных стран, лабораторий, а также сообществ по отдельным направлениям внутри физики частиц. Все эти данные были сведены в единый текст Physics Briefing Book, препринт которого стал доступен публике в октябре 2019 года . Этот текст содержал в себе уже почти финальную версию обновленной стратегии развития, которая была окончательно сформулирована в январе 2020 года. В марте текст был представлен Совету ЦЕРНа на рассмотрение. Из-за ограничений, вызванный пандемией COVID-19, одобрение программы, изначально запланированное на май, было сдвинуто на месяц и перенесено в онлайн. И вот сейчас Совет ЦЕРНа наконец-то смог завершить этот процесс и объявить о принятии обновленной стратегии.


Ключевые пункты стратегии

По результатам этого многоступенчатого и широкого обсуждения сформировался следующий список ключевых приоритетов по развитию физики, опубликованный на сайте ЦЕРНа.

Нулевым пунктом идет продолжение работы LHC, включая выход на стадию LHC на высокой светимости. Из этой уникальной установки необходимо выжать максимум научной информации. Ожидается, что к 2038 году будет накоплено примерно в 20-30 раз больше данных, чем сейчас, и не исключено, что в новых данных Большого адронного коллайдера будут скрываться грандиозные сюрпризы. Если это произойдет, текущие планы на эпоху после LHC могут быть пересмотрены.

Главный приоритет на будущее сформулирован максимально конкретно: работа над созданием электрон-позитронной хиггсовской фабрики. Однако обратите внимание: никто не утверждает, что прокладка туннеля и создание ускорителя начнется прямо сейчас! Более того, в самом ЦЕРНе есть два конкурирующих проекта хиггсовской фабрики: FCC-ee и CLIC. У них разные технологии, разные перспективы, в том числе, с прицелом на будущий адронный коллайдер. ЦЕРН пока не принял решение, какому проекту отдать предпочтение — для взвешенного решения требуется еще несколько лет работы. Предполагается, что это решение можно будет принять ближе к концу нового цикла работы, в районе 2026 года. Когда через несколько лет научное сообщество будет вновь обновлять планы, этот вопрос станет ключевым. Сейчас — пока подготовка.

Новый адронный коллайдер на энергию 100 ТэВ тоже упоминается среди главных приоритетов, но в еще более далекой перспективе. Иными словами, на сегодняшний день ЦЕРН точно не планирует строить новый коллайдер FCC сразу в адронном варианте. Главный упор сейчас делается на разработку новых магнитов. Хотя эта работа уже давно кипит, ЦЕРН активно призывает научное сообщество к интенсивной совместной работе над дальнейшим совершенствованием технологий. Ожидается, что к 2026 году прояснятся перспективы и самого коллайдера FCC-hh.

Любопытно, что отдельной строкой в сдержанно-позитивной форме упоминается и злополучный проект Международного линейного коллайдера ILC. Если Япония в сжатые сроки начнет строительство проекта, ЦЕРН будет рад сотрудничать, причем это взаимодействие ни в коей мере не станет препятствием для развития своих, церновских ускорительных проектов. Поскольку все это сформулировано в сослагательном наклонении, возникает впечатление, что такой вариант кажется авторам текста маловероятным.

Список главных приоритетов завершается призывом к работе над еще более инновационными ускорительными методиками: мюонным коллайдером, кильватерными ускорителями и прочими устройствами, способными выдавать намного более сильное ускоряющее поле. Никаких сроков по успешному превращению этих перспективных технологий в реальные установки не приводится.

За рамками главных приоритетов перечислены и другие направления работы и формы взаимодействия, которыми ЦЕРН ни в коей мере не будет пренебрегать. Это посильное участие в экспериментах, проводимых другими лабораториями по всему миру, широкая программа развития теоретической физики частиц во всех ее проявлениях, развитие детекторных технологий и соответствующей инфраструктуры, дальнейшее развитие вычислительных технологий, взаимодействие со смежными областями (ядерной физикой, астрофизикой частиц), трансфер технологий от науки обществу, многочисленные образовательные и популяризаторские проекты и прочее.

Пожалуй, из всего этого списка стоит подчеркнуть только один момент. Участие ЦЕРНа в нейтринных программах исследований так и останется скромным: в список приоритетов оно не попало. В нейтринной физике главными игроками в ближайшие годы будут оставаться США, Азия, а также Россия, которая и сама проводит нейтринные эксперименты, и активно участвует почти во всех этих проектах.


Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.