Главные тайны материи: зачем физикам новый стокилометровый коллайдер
Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) работает над проектом Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC). Длина его туннеля составит около 100 км. Краса и гордость современной физики, 27-километровый Большой адронный коллайдер (БАК) станет для FCC вспомогательным кольцом, обеспечивающим предварительный разгон частиц.
Планируется, что FCC вступит в строй не ранее 2040 года. Технико-экономическое обоснование проекта еще не завершено, так что трудно говорить об общей стоимости ускорителя. Когда проект был заявлен в 2019 году, назывались суммы до €21 млрд. Для сравнения: затраты на строительство БАК составили около €5 млрд.
Разберемся, зачем физикам столь дорогая игрушка.
Ускорить познание
Вся материя состоит из элементарных частиц. Любое явление, от горения бензина до столкновения галактик, в конце концов сводится к взаимодействию между частицами. В этом смысле законы, управляющие частицами — самые глубокие и фундаментальные из физических законов.
Подавляющее большинство из более чем 200 известных частиц существуют лишь ничтожные доли секунды. Чтобы изучать их свойства, нужно прежде всего получить сами частицы. Для этого и нужны ускорители.
Коллайдеры — это разновидность ускорителей. Они ускоряют два пучка долгоживущих частиц (обычно электронов или протонов) и направляют их навстречу друг другу.
Столкнувшиеся частицы исчезают, а вместо них рождаются новые. Небольшая часть энергии столкновения переходит в массу новых частиц по знаменитой формуле E = mc2, львиная же доля превращается в энергию их движения. Например, масса бозона Хиггса — 125 гигаэлектрон-вольт (ГэВ). Но чтобы его открыть, понадобился БАК с энергией столкновений вдесятеро больше (13,6 ТэВ на сегодняшний день).
Частицы в ускорителях разгоняются электромагнитным полем. Чем больше ускоритель и мощнее его электромагниты, тем более массивные частицы будут рождаться. Когда легкие частицы изучены вдоль и поперек, остается увеличивать ускоритель, чтобы изучать тяжелые. Физики прошли по этой лестнице от установок 1960-х годов длиной менее километра до 27-километрового БАК. Скоро настанет пора сделать следующий шаг.
FCC будет сталкивать протоны с энергией до 100 ТэВ, что приведет к рождению частиц массой до нескольких десятков ТэВ. Это на порядок больше доступного БАК.
Другой важнейший параметр ускорителя — светимость. Она характеризует число столкновений частиц. Чем больше столкновений произойдет, тем больше родится новых частиц и тем больше данных получат физики.
Например, в 2017 году БАК произвел 3 млн бозонов Хиггса. FCC обещает десятки миллиардов этих частиц. Это позволит намного лучше выяснить свойства бозона Хиггса, в том числе точнее измерить его массу. От последней, между прочим, зависит, грозит ли нашей Вселенной распад вакуума.
Вопросы жизни, Вселенной и всего такого
На какие вопросы ученые надеются получить ответ с помощью FCC?
Сегодня в физике элементарных частиц доминирует Стандартная модель. Эта теория описывает свойства всех известных частиц и действующих между ними сил, за исключением гравитации. Стандартная модель была создана в 1960 — 1970 годы и с тех пор с блеском проходила экспериментальные проверки. Все элементарные частицы, открытые на БАК (а их несколько десятков), были предсказаны этой теорией.
И все же Стандартная модель небезупречна. Она предсказывает, что масса нейтрино равна нулю, но в конце XX века физики обнаружили, что это не так — за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике 2015 года. Новый коллайдер сможет проверить как минимум некоторые гипотезы о механизмах, отвечающих за массу нейтрино. Этот вопрос может показаться мелким и частным. Но и вопросы, из которых выросли главные физические теории XX века — квантовая механика и общая теория относительности — тоже казались мелкими и частными.
Стандартная модель не отвечает и на очень глобальный по любым меркам вопрос. Почему при Большом взрыве образовалось больше материи, чем антиматерии? Свойства материи и антиматерии почти идентичны, так что логично предположить, что их должно было образоваться поровну. Но в таком случае частицы и античастицы взаимно уничтожились бы, и во Вселенной осталось только излучение. Звезды, планеты и наши тела состоят из частиц, для уничтожения которых не хватило античастиц. Очень удачно, что так получилось, но все же почему это произошло? У физиков много версий, для проверки которых нужны эксперименты. Здесь данные FCC могут оказаться незаменимыми.
Еще один прóклятый вопрос — темная материя. Астрономические наблюдения говорят, что ее в несколько раз больше, чем обычной. До сих пор нет ясности, из чего состоит эта загадочная субстанция. Самая авторитетная точка зрения состоит в том, что это частицы, которых нет в Стандартной модели. Теоретиков предлагают целый зоопарк кандидатов на роль «темных» частиц. Новый коллайдер поможет проверить хотя бы самые популярные гипотезы об их природе.
Застарелая боль теоретической физики — гравитация элементарных частиц. Ученые прекрасно знают, как притягивают друг друга звезды, планеты и галактики. Но попытки спуститься на уровень частиц и подчинить гравитацию квантовым законам не удаются уже многие десятилетия. Все теории квантовой гравитации страдают от тех или иных недостатков. Тем не менее FCC по силам проверить некоторые из них и, быть может, даже обнаружить дополнительные измерения пространства.
Планы и риски
Подчеркнем, что FCC — проект послезавтрашнего дня. Большой адронный коллайдер в 2022 года начал очередной четырехлетний цикл экспериментов. После его завершения начнется масштабная модернизация, дабы увеличить светимость в 5–7,5 раз по сравнению с номинальной. Планируется, что обновленный коллайдер вернется к работе в 2028 году и проработает 12 лет. Только после этого он станет вспомогательным кольцом для FCC, как для самого БАК стали вспомогательными кольцами ускорители предыдущих поколений.
Новый коллайдер тоже не сразу приобретет окончательный вид. Сначала он будет сталкивать легкие частицы — электроны и позитроны. В такой конфигурации ускоритель будет сильно уступать БАК по энергии, зато превосходить его по светимости. За счет частых столкновений физики надеются найти какие-нибудь редкие явления, ускользнувшие от многочисленных электрон-позитронных ускорителей прошлого.
Только потом FCC будет переделан в ускоритель протонов. Большую часть оборудования и инфраструктуры менять не придется, так что ЦЕРН получит два гигантских ускорителя пусть и не по цене одного, но значительно дешевле, чем они обошлись бы в отдельности.
Однако в эпоху геополитической турбулентности трудно ручаться за начинания такого масштаба. В 1993 году Конгресс США прекратил строительство «Сверхпроводящего суперколлайдера» (Superconducting Super Collider), готового на 20%. И это несмотря на уже израсходованные $2 млрд и 10 000 человеколет. Значительно более дорогой проект, реализуемый международной организацией из 23 государств, рискует так и остаться на бумаге — как минимум до более спокойных времен.