Прискорювач Світова машина завтрашнього дня - спектр науки
Прискорювач: Світова машина завтрашнього дня
Коли фізики елементарних частинок прокинулись 5 липня 2012 року, у багатьох, напевно, виникло особливе запитання: чи була знахідка важкого бозону оголошена за день до того, як насправді частинка Хіггса була передбачена Стандартною моделлю фізики? Або, можливо, щось ще більш складне та цікаве підказує ширшу теорію? Відповіді на це можуть визначити майбутнє фізики частинок.
Багато фізиків сподіваються - і сподіваються - що Великий адронний колайдер (LHC) у Женеві дасть їм деякі відповіді протягом наступних кількох років. Тим не менше, вони вже вдосконалюють свою тактику продажів, щоб отримати машину-наступницю LHC: фабрику Хіггса, яка могла б пролити світло на нову теорію із значно точнішими вимірами, ніж сьогодні.
"Ми знаємо, що за стандартною моделлю повинна бути нова фізика", - пояснює Баррі Баріш з Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені. Це гарантується, стверджують він і деякі колеги, завдяки певним явищам, які навряд чи вписуються в сучасну стандартну модель, наприклад, невидимі рамки темної матерії, які повинні складати чверть загальної щільності маси Всесвіту, або що нейтрино можуть легко переходити з однієї форми в іншу може. Баріш очолює глобальний консорціум, що розробляє Міжнародний лінійний колайдер (ILC): один із кандидатів на наступну світову машину. Різні зустрічі з планування, наприклад, з 10 по 12 вересня в Кракові або в червні 2013 року в США, мають на меті визначити пріоритети досліджень фізиків елементарних частинок на найближчі кілька років.
Плани - це одне, реальність - інше: в часи економічної кризи буде величезним викликом навіть фінансувати новий прискорювач частинок, попереджає Крістофер Левеллін-Сміт з Оксфордського університету та колишній директор CERN. "Це залежить від того, які інші частинки виявляються в LHC, чи буде нова система одностайно підтримана всім співтовариством фізиків і скільки вона в кінцевому рахунку коштує. Навіть якщо теоретичні міркування настільки ж обгрунтовані, як у LHC, і витрати покриваються це важка робота ", - пояснює він.
LHC живий
Одне з центральних питань полягає в тому, наскільки далеко можуть піти команди LHC для вимірювання властивостей своєї нової частинки. У будь-якому випадку залучені фізики можуть розраховувати набагато більше даних та рішучих модернізацій свого пристрою протягом наступних десяти років. І вони вже змогли повідомити добру новину: маса бозона Хіггса становить близько 125 гігаелектрон вольт (ГеВ) при незначному кінці діапазону ваги, який теоретики оцінювали. Це має два важливі наслідки, оскільки це означає, що навіть відносно скромний новий прискорювач частинок може масово виробляти частинки Хіггса. І це оснащує нову частинку широким спектром можливостей розпаду, завдяки чому дослідники можуть легше порівнювати її взаємодію з іншими компонентами стандартної моделі.
Наприклад, вчені перш за все хочуть перевірити, як Хіггс взаємодіє з ферміонами Стандартної моделі, тобто з електронами, мюонами і кварками зі спіновим квантовим числом 0,5. Ймовірність взаємодії з кожною частинкою повинна бути пропорційною її масі - не в останню чергу тому, що, згідно зі Стандартною моделлю, саме ця взаємодія з частинкою Хіггса створює фактичну масу. Другий пріоритет - перевірити, чи відповідає власний спін нової частинки значенню 0 зі стандартної моделі. Фізики LHC вже можуть сказати, що нова частинка - це бозон, який повинен мати спін 0, 1, 2 або якесь інше ціле число. Ви вже можете виключити спін 1, оскільки бозони розпалися на пари фотонів, які також є бозонами і, таким чином, спінують 1 частинки. Жоден фізик ще не придумав божевільних теорій, які включають бозони зі спіном більше 2, говорить Альберт де Роек з ЦЕРНу, який координує компактний Мюонний соленоїдний детектор у LHC. Тому дослідники тепер намагалися визначити, спіном 2 це або спіном 0 бозоном, як і передбачалося.
LHC прояснить це питання, наголошує Рольф Хойер, генеральний директор ЦЕРНу. Однак досі незрозуміло, наскільки далеко може зайти його машина, щоб розірвати зв’язок між бозоном та іншими частинками - особливо те, що дає Хіггу власну масу. Наразі залучені фізики змогли лише довести, що взаємодії бозона Хіггса з іншими частинками досить відповідають прогнозам Стандартної моделі в межах поточної невизначеності вимірювань від 30 до 40 відсотків. На думку де Роека, прискорювач повинен зменшити це значення приблизно до 20 відсотків до кінця 2012 року; протягом найближчих 10 - 15 років можливий навіть "дуже мало відсотків".
Але саме з цієї причини багато фізиків закликають до нового прискорювача частинок. Дійсно обов'язковий тест стандартної моделі - який виявив би навіть найменші відхилення і, таким чином, показав шлях до ще кращої теоретичної структури - вимагає точності вимірювання взаємодій Хіггса максимум на один відсоток відхилення. Навіть значення до 0,1 відсотка були б оптимальними, якщо теоретичні прогнози також покращаться протягом наступних кількох років. І це рівень, якого LHC навряд чи може досягти.
Шорсткий блок серед верстатів
Оскільки машина працює як кувалда: в ній стикаються струми в сотні мільярдів протонів на рівні енергії, що досягає семи тераелектрон вольт (ТеВ) на промінь. Це полегшує відкриття нових важких частинок, але ускладнює точні вимірювання, оскільки протони складаються з хаотичного сплеску кварків і глюонів, що робить зіткнення хаотичними.
Натомість фізики вимагають свого роду лептонового прискорювача у своїх додатках, оскільки лептони - група легких частинок, таких як електрони, мюони або нейтрино - виходять із хаосу, оскільки вони не беруть участі в сильних кварк-глюонних взаємодіях, які в свою чергу призводять до них Виробляють безлад. Лептони - це елементарні частинки, які лише відносно незначно впливають один на одного через електромагнітні та слабкі сили. Отже, лептонові прискорювачі працюють більше як скальпелі, а не як відбійні молотки: їх зіткнення можуть бути точно налаштовані на масу відповідної частинки, а отримана хмара частинок буде порівняно чистою та легкою для інтерпретації.
З метою економії витрат деякі фізики виступають за те, щоб просто розмістити трубки нового прискорювача поряд із трубками LHC і спричинити зіткнення протилежних пучків електронів та позитронів. Ця пропозиція - відома як LEP3 (на честь Великого електронно-позитронного колайдера, який пройшов тунель під Женевою перед LHC) - виникла лише минулого року, коли почали накопичуватися перші докази нової частинки. LEP3 може генерувати бозони Хіггса лише з 120 ГэВ на промінь - загальна енергія 240 ГэВ: Порівняно з початковим максимумом ЛЕП 209 ГэВ, йому потрібно буде лише збільшити маленький зуб. Нові технічні розробки можуть ще більше збільшити рівень виробництва, оскільки вони забезпечують швидкість зіткнень, яка в 500 разів більша, ніж у вихідного LEP.
"Зараз, можливо, настав час Європі повернути послугу"
(Лін Еванс)
Якби LEP3 був побудований у існуючому тунелі LHC, дослідники могли б не тільки переробити деякі детектори, але й використовувати інфраструктуру CERN, таку як джерело живлення або обробка даних. Ці синергетичні ефекти приведуть до орієнтовних витрат LEP3 до одного-двох мільярдів доларів - набагато менше, ніж шість мільярдів доларів, які в кінцевому рахунку коштували LHC. "У пропозиції є щось переконливе", - наголошує прихильник LEP3 Ален Блондел з Женевського університету. Він зазначає, що для лептонового прискорювача в будь-якому випадку достатньо місця без необхідності видаляти LHC: спочатку тунель був розроблений для розміщення обох прискорювачів одночасно.
Мюони або електрони
Незважаючи на всі свої переваги як високопродуктивної фабрики Хіггса, LEP3 також має один основний недолік: він не може досліджувати частинки, важчіші за частинку Хіггса. І це може стати проблемою, якщо LHC виявить інші важкі частинки, які теоретики прогнозують на основі суперсиметрії, або якщо прискорювач навіть повинен надати інформацію про інші виміри. Практично неможливо підняти рівень енергії LEP3 настільки високим, що це також дозволяє досліджувати важчі частинки, оскільки це призведе до втрати синхротронного випромінювання: електромагнітних хвиль, які електрони або позитрони "викидають", коли вони пробігають через магнітне поле відволікатися.
Це не проблема з протонами LHC, оскільки втрати енергії внаслідок синхротронного випромінювання різко зменшуються з частинками більшої маси, а протони у дві тисячі разів важчі за електрони; з LEP3 це було б серйозно. Рівень енергії прискорювача можна було б підвищити, лише якщо б його радіус став більшим - що було б неможливим без іншого тунелю. Тому деякі фізики вже пропонували пробурити нову трубку під Женевським озером, щоб встановити електронно-позитронну машину з радіусом 80 кілометрів. Однак у найближчому майбутньому він не бачить для цього шансів, каже Хойер.
Тому багато вчених у всьому світі обговорюють альтернативні концепції заводу Хіггса, який з колом 1,5 кілометра буде значно меншим, ніж LEP3. Тут стикаються мюонні струми, які в 207 разів перевищують масу електрона без значних втрат синхротронного випромінювання. Можуть виникнути десятки тисяч бозонів Хіггса, хоча загальна енергія зіткнення становить лише 125 ГэВ, а не 240 ГэВ, як у LEP3. Крім того, техніки можуть збільшити кількість енергії настільки велику, що навіть важчі частинки можуть бути досліджені.
Однак мюонний прискорювач має свої власні проблеми. Мюони розпадаються на електрони та нейтрони всього за 2,2 мікросекунди - що в принципі являє собою тривалий термін експлуатації в субатомній сфері з її мільярдовим діапазоном наносекунд, що означає практично негайне для інженерів. Потрібно було б створити мюони, переслідуючи протонний пучок у металеву мішень, перетворюючи результат в регульований пучок, а потім прискорюючи його до необхідної енергії. І все це повинно відбутися протягом часового проміжку, який менший за мить ока. Експеримент з охолодження мюонних іонізаційних процесів (MICE) в лабораторії Резерфорда в Епплтоні поблизу Оксфорда вирішує цю проблему. Результати повинні бути доступні до 2016 року, а процес повинен бути зрілим, щоб ЦЕРН міг використовувати його для запуску виробництва нейтрино, для передачі променів від мюонних нейтрино через землю до детекторів за тисячі кілометрів.
Лінійний прискорювач
І все-таки багато фізиків скептично ставляться до цього. "Я сумніваюся, що побачу мюонний прискорювач у своєму житті", - говорить Брайан Фостер з Оксфордського університету. "Ми намагаємося" охолодити "мюони вже більше десяти років, що просто надзвичайно складно". Фостер є європейським регіональним директором для конкуруючого проекту лінійного прискорювача LEP: довгого прямолінійного прискорювача електронів, який спрацьовує безпосередньо в трубці однаково довгого і прямолінійного прискорювача позитронів, так що його промені стикаються точно посередині. Оскільки кривих немає, втрат від синхротронного випромінювання також немає. Їх також можна покращувати так часто, як завгодно, просто розширюючи їх кінцеві точки.
Ця ідея вперше з’явилася у 1980-х роках, що в кінцевому підсумку призвело до двох концепцій. ILC мав би довжину 30 кілометрів і використовував би випробувані на практиці технології для досягнення енергії 0,5 ТеВ - з можливістю збільшення до 2 ТеВ. Вартість: близько $ 6,7 млрд. З іншого боку, компактний лінійний колайдер (CLIC), який надає перевагу CERN, поширювався на понад 50 кілометрів, але спирався на нові технології прискорювачів, які дали б йому загальну енергію 3 ТеВ. Його витрати досі остаточно незрозумілі, але принаймні рівень енергії відкриває абсолютно нові можливості для відкриття та більш точних вимірювань. Щоб об’єднати зусилля, фізики елементарних частинок з ILC та CLIC працюють під керівництвом колишнього директора LHC Лін Еванс, щоб розробити пропозицію щодо єдиного лінійного прискорювача до 2015 року.
Має сенс почати з лінійного прискорювача, який досягає 250 ГэВ, щоб перевірити бозон Хіггса; тоді енергія поступово збільшується до значення 500 ГэВ, вважає Еванс. Тоді він міг створити пари бозонів Хіггса, які дослідники можуть дослідити щодо їх властивостей зв'язування між собою та взаємодії з найважчою частинкою матеріалу з усіх - верхнім кварком. Вищі рівні енергії технічно здійсненні, але поглинають більше електроенергії, наприклад, виробничі потужності середньої електростанції. "Верхня межа для такої системи, ймовірно, знаходиться в межах максимально можливого енергопостачання в ЦЕРНі. Це наразі 300 мегават", - сказав Еванс.
Але де цей лептоновий прискорювач повинен бути розташований? Емпіричне правило полягає в тому, що приймаюча країна оплачує близько половини витрат - в очікуванні довгострокових економічних вигод. Однак економічне середовище в даний час ускладнює цей аргумент, що особливо стосується проектів, які, на думку політиків, не обіцяють короткострокових переваг для своїх виборців.
Глобалізація акселератора
Якщо в найближчі кілька років насправді буде прийнято рішення про новий лінійний прискорювач, він, ймовірно, не буде побудований у Женеві, вважає Еванс. Незважаючи на величезну технічну та політичну інфраструктуру, ЦЕРН має достатньо часу робити з LHC, який також досягне своєї максимальної енергії в 7 ТеВ не раніше 2014 року. Пік його творчого блиску навіть не планується на 2022 рік.
П'єр Оддоне, директор "Фермілаба", підозрює, що США також будуть малоймовірними: "Потрібно почати різке переосмислення". Після закриття прискорювача Теватрон Фермілаба фокус фізики частинок високих енергій перемістився до Європи. Американські дослідники, навпаки, концентруються на області інтенсивності та досліджують, як рідкісні частинки взаємодіють між собою, наприклад, виробляючи інтенсивні струми нейтрино. І все ж, за словами Оддоне, "цього року наш бюджет було різко скорочено, і ми намагалися належним чином запустити об'єкт, який коштує лише десяту частину ILC". Крім того, для Сполучених Штатів було б "дуже важко" зробити значний внесок у створення лептонового прискорювача в іншому місці.
"Можливо, про це вирішує телефонна розмова президента та прем'єр-міністра"
(П'єр Оддон)
Тому багато оглядачів вважають, що Японія буде найбільш перспективним кандидатом для розташування майбутніх машин. Наприклад, країна зробила важливий внесок у LHC в середині 1990-х років, коли вона зіткнулася з фінансовими труднощами. "Зараз, можливо, настав час Європі повернути цю послугу", - сказав Еванс. Прем'єр-міністр Японії також позитивно оцінив ILC у грудні минулого року, незабаром після оприлюднення попередніх результатів щодо нової бозони. І є тонкі вказівки на додаткове фінансування, оскільки новий прискорювач обговорюється в рамках більш масштабного економічного плану: він має на меті повернути економічно зруйнований землетрусом і цунамі регіон на ноги.
Машина повинна стати опорою "міжнародного міста", що включає інші науково-дослідні установи, промислові райони та освітні центри. Нарешті, ILC залишався на високому рівні в списку бажань японських фізиків елементарних частинок, коли вони нещодавно створили свій останній п'ятирічний план.
Тож чи можна ILC назвати безпечною ставкою? «Боже, ні, - вигукує Фостер. "Але це наш найбільший шанс, який ми мали за довгий час". Womersley оцінює ймовірність того, що машина буде побудована, становить 50/50. "Ми не повинні сприймати фінансування як належне лише тому, що був знайдений Хіггс". Оддон вважає, що від новаторського до повністю функціонального КМП пройде десять років; крім того, був би час на підготовку. "Отже, ми говоримо не раніше 2025 року. Але хто починає такий проект, поки не стане відомо, що LHC може виявити? Можливо, все-таки є речі набагато екзотичніші за бозон Хіггса".
Загалом, багато фізиків елементарних частинок мріють про загальне сузір’я, яке охоплює всі три сфери: LHC досліджує високоенергетичний фронт у Європі, різні нейтринні експерименти в США досягають межі інтенсивності, а новий лептоновий прискорювач в Японії забиває всі деталі інших екзотичних нових частинок, які можуть LHC ще не виявлено. Оддон вважає, що чи здійсниться ця мрія, залежить не тільки від науковців: "Ймовірно, вирішить телефонна розмова між президентом і прем'єр-міністром".
Оригінальний текст з'явився під назвою "Новий ландшафт частинок" у "Nature 488", стор. 572-575.