ЦЕРН опубликовал доклад о Будущем циклическом коллайдере длиной 100 километров
ЦЕРН опубликовал четырехтомный доклад о строении и планируемых исследованиях Будущего циклического коллайдера (Future Circular Collider, FCC). Стоимость ускорителя ученые оценивают в девять миллиардов евро, из которых пять миллиардов пойдет на строительство 100-километрового тоннеля. Первое время в коллайдере будут сталкивать пучки электронов и позитронов с энергией порядка 100 тераэлектронвольт, однако в дальнейшем коллайдер переоборудуют для протон-протонных пучков, как в Большом адронном коллайдере. Строить коллайдер начнут не раньше 2040 года. Текст доклада ученые отправили в European Physical Journal, а препринт выложили на официальном сайте ЦЕРН. Кратко о докладе сообщает пресс-релиз организации.
Большой адронный коллайдер (БАК), построенный Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), начал работать 10 сентября 2008 года. С тех пор прошло десять лет, и за это время коллайдер успел сделать несколько важных открытий. В частности, коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса, измерил массу и другие параметры частицы. Благодаря этому открытию Стандартная модель элементарных частиц оказалась завершена. Кроме того, коллайдер впервые получил тетракварки, пентакварки и дважды очарованные барионы, пронаблюдал рассеяние фотона на фотоне и образование кварк-глюонной плазмы. Подробнее про открытия Большого адронного коллайдера можно прочитать в материале «С днем рождения, БАК!», блоге Игоря Иванова, в разделах «Второй сезон коллайдера» и «Результаты LHC» (на «Элементах»).
К сожалению, БАК не только помог ученым завершить Стандартную модель, но и расстроил искателей «новой физики», на описание которой теоретики потратили десятилетия работы. Дело в том, что исторически физика частиц развивалась в сторону увеличения энергий. Сначала была построена квантовая электродинамика, которая хорошо работает до энергий порядка нескольких мегаэлектронвольт. Потом к ней добавили квантовую хромодинамику (теорию сильных взаимодействий), характерным масштабом которой являются сотни мегаэлектронвольт. Наконец, электродинамику объединили со слабыми взаимодействиями, которые переносятся векторными бозонами с массой порядка ста гигаэлектронвольт. Каждый раз частицы, предсказанные теорией, оказывались все более и более массивными, что позволяло эффективно обрезать ультрафиолетовые расходимости низкоэнергетических теорий. Поэтому физики ждали, что на масштабах нескольких тераэлектронвольт (миллион масс протона) опять появятся новые частицы, и разработали множество моделей, которые такие частицы предсказывали — например, целый ряд суперсимметричных теорий. В настоящее время энергия протон-протонных столкновений на БАК достигает 13 тераэлектронвольт, однако новые частицы в этих столкновениях не возникают. Таким образом, физика частиц «подвисает» в неопределенном состоянии.
Исправить эти проблемы может новый ускоритель, который будет разгонять частицы до еще бо́льших энергий. В 2014 году ЦЕРН запустил проект такого ускорителя, который назвали Будущим циклическим коллайдером (Future Circular Collider, FCC). Теперь организация опубликовала доклад, в котором рассматривает перспективы этого проекта и описывает его детали. Разработкой этого доклада, продлившейся около пяти лет, занималось более 1300 ученых из 150 университетов. Как сообщают ученые, FCC построят рядом с БАК, длина его тоннеля превысит 100 километров. По оценкам ученых, постройка коллайдера обойдется примерно в девять миллиардов евро (около 700 миллиардов рублей по текущему курсу Центробанка), из которых пять миллиардов пойдут на строительство туннеля.
Текст доклада состоит из четырех томов. В первом томе ученые рассказывают об открытых вопросах современной физики частиц и в общих чертах рассматривают возможные открытия, которые планируется сделать на FCC. В частности, физики надеются найти с помощью FCC частицы темной материи и массивные нейтрино, выяснить, как устроен потенциал Хиггса и за счет каких процессов возникает масса бозона Хиггса, исследовать кварк-глюонную плазму и фазовые переходов в теории электрослабых взаимодействий. Кроме того, с помощью нового коллайдера исследователи планируют уточнить параметры известных частиц — топ-кварка, векторных бозонов и бозона Хиггса.
Во втором томе физики подробно описывается строение и характеристики электрон-позитронного коллайдера — будущие детекторы, катушки индуктивности, системы безопасности. Предполагается, что энергия столкновений в системе центра масс будет составлять от 90 до 365 гигаэлектронвольт, а светимость коллайдера превысит 1036 обратных квадратных сантиметров на секунду.
В третьем томе рассматривается возможность модификации коллайдера для столкновений протон-протонных пучков. В этом случае энергия столкновений будет достигать 100 тераэлектронвольт, а светимость — 1035 обратных квадратных сантиметров на секунду.
Наконец, в четвертом томе физики обсуждают строительство Большого адронного коллайдера высоких энергий (HE-LHC) — предшественника FCC, который будет использовать существующую инфраструктуру БАК. Энергия столкновений на таком коллайдере будет достигать всего 27 тераэлектронвольт, однако построить его будет гораздо дешевле и быстрее. Для модификации коллайдера будут использовать те же технологии, что и на FCC. Составители проекта планируют, что его начнут воплощать уже в 2040 году, когда закончит работать Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC).
В июне прошлого года начались работы по модернизации Большого адронного коллайдера, по окончании которых светимость ускорителя — то есть скорость набора статистики — вырастет в десять раз. Чтобы работы было легче выполнять, в декабре коллайдер остановили. Теоретически, при наращивании статистики могут проступить слабые сигналы от массивных частиц, предсказанных теоретиками, однако вероятность открыть что-то новое не очень велика, поскольку энергия столкновений останется прежней.
В ноябре прошлого года китайские физики опубликовали подробный доклад об устройстве будущего электрон-позитронного ускорителя CEPC и планируемых экспериментах с его участием. В частности, ученые сообщили, что они собираются довести энергию пучков до 240 гигаэлектронвольт и превратить ускоритель в фабрику бозонов Хиггса. Как и у FCC, длина тоннеля CEPC будет превышать 100 километров, а в будущем его можно будет превратить в протон коллайдер. Таким образом, строительство FLL и CEPC может превратиться в своеобразное соревнование между научными сообществами.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.