Физики обсуждают перспективы коллайдера на 100 ТэВ

Возможное расположение 80–100-километрового туннеля для нового протонного коллайдера на энергию 100 ТэВ, с которым могут быть связаны долгосрочные перспективы развития ЦЕРНа. Изображение с сайта press.web.cern.ch

На днях в ЦЕРНе и в Женевском университете прошли сразу две научные конференции, посвященные будущим коллайдерам с очень высокими энергиями, вплоть до 100 ТэВ. Одна из них проводилась в рамках недавно запущенной в ЦЕРНе программы по изучению технических аспектов будущих проектов кольцевых коллайдеров. Другая, предшествовавшая ей, конференция сфокусировалась на научных возможностях, которые станут доступны при повышении энергии протонных столкновений почти на порядок.

Обрисуем вкратце ситуацию, которая складывается в физике элементарных частиц сейчас, после первого трехлетнего сеанса работы Большого адронного коллайдера.

В середине 2000-х годов физики были настроены очень оптимистично. Многие из них выражали надежду, что первые годы и даже месяцы работы LHC принесут урожай новых открытий: рождение и распад новых частиц и необычные явления, обнаружение суперсимметрии или иной теории, лежащей за пределами Стандартной модели. Эти надежды были небеспочвенны: новые явления на масштабе энергий порядка 1 ТэВ могли бы привести к естественным ответам на некоторые теоретические вопросы.

Но радужные ожидания не подтвердились. На сегодняшний день открыт только хиггсовский бозон и все его измеренные свойства согласуются со стандартным бозоном Хиггса. Ни суперсимметрии, ни каких-либо иных достоверных отклонений от Стандартной модели пока не обнаружено. Всё это не позволяет физикам приблизиться к главной цели — проникнуть еще на один уровень глубже в понимании устройства материи.

Конечно, теоретики не остаются без дела. Излишне оптимистичные сценарии суперсимметрии и других теорий закрываются, но это не закрывает сами идеи. Если раньше основной упор был на новых физических явлениях на масштабе энергий около 1 ТэВ, то теперь широко изучаются варианты, в которых отклонения становятся заметны лишь на энергиях в десятки ТэВ. Такие теории практически неотличимы от Стандартной модели на Большом адронном коллайдере, но при существенном повышении энергии они могут привести к ярким эффектам. Именно поэтому в последнее время всё сильнее вырисовывается желание физиков радикально повысить энергию столкновений.

Как было отмечено в одном из докладов, эпоха гарантированных открытий в физике элементарных частиц закончилась. Неизвестно, на каких энергиях и в каких процессах проявится новая грань нашего мира. Конечно, может оказаться, что при повышении энергии и светимости LHC всё же найдет какое-то проявление Новой физики, но скорее всего оно будет небольшим. Нобелевскую премию такое открытие, может быть, и принесет, но подробно изучить этот эффект не получится. И если мы действительно хотим изучать природу и продвигаться в недоступные ранее области, то через пару-тройку десятков лет, после исчерпания возможностей LHC, физикам потребуется новый коллайдер с новыми возможностями. Этот коллайдер необходимо планировать уже сейчас, и для этого физикам надо четко представлять себе, что способен дать каждый из проектов.

Главный интерес у ЦЕРНа в плане долгосрочного развития вызывает сейчас следующий проект. На территории Франции и Швейцарии планируется прокопать новый кольцевой туннель длиной 80–100 км (см. рисунок), в котором будет размещен новый протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ. Ожидается, что технологии создания электромагнитов позволят к тому времени повысить магнитное поле как минимум в 2 раза, что и даст возможность удерживать на орбите протоны таких больших энергий. Разумеется, при этом возникают технические трудности, связанные с энерговыделением и обеспечением безопасности установки, и над этими вопросами будут работать группы специалистов. Реализация такой установки займет порядка 20 лет. Поэтому если этот коллайдер планируется запускать после LHC (то есть в районе 2035–2040 года), работать над ним надо уже сейчас. Изучается также вариант, при котором вначале в этом туннеле будет установлен электрон-позитронный ускоритель на небольшую энергию, который технически изготовить будет проще, а затем ему на смену придет 100-тэвный протонный.

На что следует физикам ориентироваться при таких энергиях? Во-первых, на прямое открытие новых тяжелых частиц, масса которых может достигать десятков ТэВ. Во-вторых, в данных могут проступать и новые легкие частицы (например, новые хиггсовские бозоны), которые не рождались на LHC из-за маленькой вероятности этого процесса. Оценки, представленные на конференции, показывают, что такая возможность реализуется во многих нынешних вариантах теорий.

В-третьих, даже если никаких новых частиц не будет открыто, у нас есть еще плохо изученный хиггсовский бозон. Если ориентироваться на протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ, то хиггсовские бозоны там будут рождаться многими тысячами в день, а значит, появляется возможность изучить его во всех подробностях. Поскольку хиггсовский бозон станет рядовой частицей, цель будет состоять не в том, чтобы просто увидеть его в данных, а в обнаружении какого-то необычного процесса с его участием. Это могут быть экзотические распады, рождение нескольких бозонов Хиггса, невидимые распады бозона Хиггса, которые будут намекать на его связь с частицами темной материи, и т. п. Оценки, сделанные в одном из докладов, позволяют надеяться на обнаружение необычных распадов с вероятностью меньше одной миллионной. Таким образом, хиггсовский бозон превратится из самоцели в инструмент для изучения физики.

Прошедшие две конференции были только первым шагом пятилетней программы ЦЕРНа по исследованию будущих коллайдеров. Сейчас несколько коллективов специалистов начнут плотно изучать большой набор теоретических и экспериментальных возможностей, а примерно через год ожидается их новая рабочая встреча. Параллельно с этим к осени 2014 года будет подготовлен большой проект для новой европейской программы научных исследований на ближайшую пятилетку Horizon 2020. В 2018 году, к моменту окончания программы, ожидается первый обстоятельный технический отчет изученных возможностей. Вместе с новыми данными LHC он позволит определиться с конкретными шагами по дальнейшему техническому развитию ЦЕРНа.