Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе — самый мощный ускоритель частиц в мире. За десять лет работы он привел к замечательным открытиям, в том числе к долгожданному бозону Хиггса. 15 января международная команда физиков представила концептуальный проект нового ускорителя частиц , который затмил бы LHC.

« Будущий круговой коллайдер » задуман как преемник LHC, и, если ему дадут зеленый свет, он позволит физикам найти ответы на некоторые из величайших загадок в физике. Это включает в себя выяснение того, из чего фактически состоит подавляющее большинство вселенной, или открытие совершенно новой физики.

Это предложение предусматривает новый 100-километровый туннель с окружностью, который будет проходить через Землю, окружая город Женеву и прилегающую сельскую местность. 27-километровый LHC будет подавать частицы в новый коллайдер — как с автомагистрали. В конечном итоге это позволило бы ему столкнуться с частицами, энергия которых примерно в семь раз выше, чем может выдержать LHC. Это позволило бы этому коллайдеру создавать частицы, которые находятся за пределами досягаемости LHC — толкая физику частиц глубоко в неизведанное микроскопическое царство.

Портал в темный мир

Future Circular Collider — это действительно несколько проектов в одном. Первая фаза представляет собой машину, которая сталкивает электроны с их так называемыми «версиями антивещества», позитронами. Считается, что все частицы имеют спутник антивещества, практически идентичный самому себе, но с противоположным зарядом. Когда материя и частица антивещества встречаются, они полностью уничтожают друг друга, и вся их энергия превращается в новые частицы.

Энергия столкновения такого коллайдера может быть очень точно контролирована. Кроме того, столкновения были бы очень «чистыми» по сравнению с LHC, который сталкивает протоны (частицы, которые составляют атомное ядро ​​вместе с нейтронами). Протоны — это не фундаментальные частицы, такие как электроны, а случайные мешки с более мелкими частицами, включая кварки и глюоны. Когда протоны сталкиваются, их внутренности распыляются повсюду, что затрудняет обнаружение новых частиц среди обломков.

Основная цель электрон-позитронного коллайдера состояла бы в изучении бозона Хиггса, частицы, вовлеченной в происхождение масс других фундаментальных частиц. Новый коллайдер будет создавать миллионы бозонов Хиггса и измерять их свойства в беспрецедентных деталях.

Такие прецизионные измерения предлагают многочисленные возможности для новых открытий. Одним из наиболее впечатляющих является то, что Хиггс может действовать как портал, соединяющий мир обычной атомной материи, в которой мы живем, со скрытым миром частиц, которые иначе не обнаруживаются. Около 85% всей материи во вселенной во «темноте» состоит из частиц, которые мы никогда не видели. Мы знаем только, что он существует из-за гравитационного притяжения, которое он оказывает на окружающую материю. Захватывающий электрон-позитронный коллайдер может обнаружить бозон Хиггса, распадающийся на эти скрытые частицы.

На втором этапе коллайдер будет заменен гораздо более мощным протон-протонным коллайдером — энергия столкновения достигнет 100 триллионов электрон-вольт. Это будет машина открытий, способная создавать огромный спектр новых частиц, которые, как подозревают физики, могут находиться за пределами досягаемости LHC.

В частности, он почти полностью исследовал бы энергетический диапазон, в котором, вероятно, будет найдено большинство форм темной материи. Он также сможет исследовать условия, существовавшие триллионной секунды после Большого взрыва. Этот момент в истории вселенной имеет решающее значение, так как именно в это время поле Хиггса — всепроникающее энергетическое поле, в котором бозон Хиггса представляет собой небольшую пульсацию — коллапсирует в свое текущее состояние, которое и породило массы фундаментальных частиц .

Понимание того, как поле Хиггса приобрело свою текущую энергию, является одной из величайших нерешенных проблем в физике, поскольку она, кажется, невероятно точно настроена, чтобы позволить атомам — и, следовательно, звездам, планетам и людям — существовать.

Как физик, работающий над экспериментом по красоте на LHC , я лично надеюсь, что этот новый коллайдер в конечном итоге также поможет нам решить загадку, почему Вселенная почти полностью состоит из материи, а не из антивещества.

Огромная стоимость строительства

Первый этап нового коллайдера появится в 2040-х годах, после финального запуска модернизированного LHC. Более мощный протон-протонный коллайдер будет установлен в 2050-х годах. Оба проекта имеют высокую цену: 9 миллиардов евро за электрон-позитронную машину и еще 15 миллиардов евро за протон-протонный коллайдер. Это вызвало понятную критику о том, что деньги можно было бы потратить лучше в других местах, например, на борьбу с изменением климата.

Джон Уомерсли , старший физик, участвующий в Коллайдере будущего круга, сказал мне, что помимо ценности самих фундаментальных знаний, будут и другие существенные краткосрочные выгоды. Он сказал: «FCC будет продвигать разработку инновационных технологий для решения новых задач. Всемирная паутина, Wi-Fi и сверхпроводящие магниты в машинах МРТ были разработаны для удовлетворения потребностей фундаментальной физики». Проект также обладает огромной силой, чтобы вдохновить физиков следующего поколения.

В конечном счете, такая амбициозная схема станет возможной только благодаря широкому международному сотрудничеству при финансировании из десятков стран. Проект уже включает 1300 участников из 150 университетов, исследовательских институтов и промышленных партнеров со всего мира. Между тем, подобный коллайдерный проект также рассматривается Китаем, пожалуй, единственной страной, способной мобилизовать ресурсы, необходимые для самостоятельного создания такой огромной машины.

Сторонники Future Circular Collider надеются, что проект будет принят в новой европейской стратегии по физике элементарных частиц, которая будет опубликована в 2020 году. В случае ее принятия начнется длительный процесс исследований и разработок, а также убеждения национальных правительств и широкой публике, в которую стоит инвестировать захватывающее фундаментальное исследование, которое может быть выполнено на коллайдере .

Политические проблемы, несомненно, огромны, но физики полны решимости не отказываться от стремления к более глубокому пониманию нашей вселенной.