Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?

Рис. 1. Вид на долину между Юрскими горами и Французскими Предальпами. Кольцами прочерчены контуры ускорителей ЦЕРНа. Самая большая дуга — проектируемый туннель ускорителя FCC. Фото с сайта tlep.web.cern.ch

Коллайдерная физика элементарных частиц на перепутье. Большой адронный коллайдер будет работать до 2037 года, но никто не может гарантировать, что он откроет долгожданную Новую физику. Уже давно обсуждаются разные проекты следующего крупного коллайдера, способного превзойти LHC по энергии или по прозорливости, но какой из них предпочесть — заранее не ясно. К тому же, скоро должна быть принята обновленная Европейская стратегия по физике частиц на 2020–2026 годы, что дополнительно форсирует принятие решений.

Коллайдерная дилемма

Научное сообщество уже давно думает над тем, какой новый крупный коллайдер придет через пару десятков лет на смену Большому адронному коллайдеру. Вариантов несколько. Есть амбициозный проект постройки с нуля нового адронного коллайдера с энергией столкновений 100 ТэВ (см.: Физики обсуждают перспективы коллайдера на 100 ТэВ), который уже получил название FCC (Future Circular Collider, рис. 2). Есть и другие варианты, рассчитанные на куда более скромные энергии. Работая как хиггсовские фабрики, они смогут в огромных количествах производить хиггсовский бозон и детально изучать его свойства. Есть надежда, что через такие сверхточные измерения хиггсовского сектора мы сможем косвенно добраться до Новой физики.

Рис. 2. Общая схема будущего коллайдера FCC. Из-за мощного синхротронного излучения его форма не строго круглая, а представляет собой скругленный многоугольник, на прямых участках которого длиной 1,4 или 2,8 км располагаются детекторы и обслуживающие элементы. Рисунок из презентации M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018. Future Circular Collider Study: Status and Plans

У проектов будущих коллайдеров есть множество различий. Так, для Международного линейного коллайдера ILC технологии уже давно готовы, выбрано место постройки (Япония), и вопрос лишь в том, готова ли Япония внести основной финансовый вклад в его реализацию. 100-тэвный коллайдер FCC планируется разместить в новом (еще пока не прорытом) 97-километровом кольцевом туннеле рядом с ЦЕРНом, но он опирается на несуществующие пока технологии, которые потребуется развивать пару десятилетий.

Различаются эти проекты и по своему научному потенциалу. Причем если еще несколько лет назад была в ходу стандартная формулировка «адронный коллайдер — машина для открытия, а электрон-позитронный — для тонкого изучения», то сейчас отношение начинает меняться. Дело в том, что Большой адронный коллайдер уже доказал, что и на адронных машинах, в «грязных» протонных столкновениях, можно изучать и тонкие эффекты, что изначально считалось безнадежным. Показателен тут пример распада бозона Хиггса на b-кварки. Этот распад — доминирующий, его вероятность составляет 58%. Но фон от посторонних процессов тут настолько велик, что 10 лет назад мало кто надеялся на его регистрацию. Однако если хиггсовский бозон рождается с большим поперечным импульсом, то фон резко падает, и тогда взору физиков открывается то, что не видно было раньше. В 2017 году коллаборация ATLAS впервые сообщила о намеках на этот распад, а в этом году уже подтвердила его окончательно. Этот пример иллюстрирует мысль, что даже в некоторых тонких хиггсовских измерениях будущий 100-тэвный адронный коллайдер сможет превзойти линейный электрон-позитронный.

Так какой проект следует выбрать? Если бы Большой адронный коллайдер открыл новую частицу за пределами Стандартной модели или надежно указал бы на какой-то принципиально новый эффект, мы бы знали, как строить коллайдер для изучения этого явления. Это был бы зрячий выбор. Сейчас физики вынуждены делать выбор почти вслепую, стараясь найти вариант, который был бы оптимален по срокам, финансовым вложениям, и ожидаемой научной отдаче.

Необходимость в сжатые сроки определиться, хотя бы в общих чертах, с коллайдерным будущим связана еще и с тем, что, начиная с недавних пор, усилия в физике элементарных частиц координируются Европейской стратегией в физике частиц (European Strategy for Particle Physics, EPPS). Хотя движущей силой этой инициативы выступает ЦЕРН, речь в ней идет ни много ни мало о глобальной координации усилий в физике элементарных частиц. Впервые Европейская стратегия была сформулирована в 2006 году и стала воплощением процесса «снизу вверх», когда все научное сообщество по физике частиц через серию специальных мероприятий определяло приоритеты на ближайшие годы. В 2013 году прошел процесс обновления стратегии, и сейчас физическое сообщество готовится к очередному ее пересмотру (см. страницу European Strategy for Particle Physics Update 2018–2020). Прежде чем рассказать, как новая стратегия повлияет на коллайдерные приоритеты, опишем детали этого процесса.

На пути к Европейской стратегии в физике частиц в 2020–2026 годах

Поскольку в процесс принятия стратегии вовлечены все крупнейшие центры по физике частиц и все ключевые страны, управление им неизбежно становится тяжеловесным и, возможно, излишне забюрократизированным. Для того, чтобы внести некоторую ясность в сложное сплетение комитетов, кратко обрисуем то, что будет происходить в ближайшие два года (рис. 3).

Рис. 3. План работы над обновленной Европейской стратегии в физике частиц. Рисунок из презентации The European Particle Physics Strategy Update 2020

В сентябре 2017 года, на 186-й сессии Совета ЦЕРНа был создан секретариат Европейской стратегической группы (ESG) — новый орган, призванный координировать процесс подготовки обновленной Европейской стратегии. Ключевая задача Европейской стратегической группы — составить окончательный план программы и представить ее на рассмотрение в ЦЕРН. Совет ЦЕРНа должен будет принять ее в мае 2020 года и затем, в течение последующих шести лет, предпринимать все усилия для воплощения ее в жизнь. Персонально ответственным за реализацию стратегии считается Генеральный директор ЦЕРНа (сейчас это Фабиола Джанотти).

Хотя стратегическая группа ESG состоит из очень известных физиков и представителей крупнейших организаций, они, разумеется, не будут решать в одиночку, каким путем пойдет физика частиц в 2020–2026 годах. Группа ESG лишь систематизирует тот консенсус, к которому должно будет прийти научное сообщество. С этой целью в марте 2018 года секретариат выпустил призыв ко всем университетам, научным институтам и лабораториям мира, чья работа связана с физикой частиц, подготовить и направить свои обоснованные предложения по тому, куда должна двигаться ФЭЧ в этот период. Принимать и анализировать предложения будет еще один комитет, Physics Preparatory Group (PPG), частично пересекающийся с ESG (см. подробный состав комитетов).

Крайний срок подачи предложений — 18 декабря 2018 года. До него осталось четыре месяца, так что эта ключевая дата сейчас становится ориентиром для многих административных и даже политических процессов, касающихся будущих крупных экспериментов по физике частиц. Подавать предложения можно будет на сайте Совета ЦЕРНа начиная с октября. Уже сейчас готовятся предложения от отдельных лабораторий, от целых стран, или даже от представителей отдельных разделов в физике элементарных частиц.

Сам процесс работы над обновленной программой будет запущен на очередной сессии Совета ЦЕРНа 27 сентября 2018 года, и первый его этап продлится полгода. В мае 2019 года PPG организует Открытый симпозиум, на котором будут представлены промежуточные результаты этого процесса. По итогам работы симпозиума PPG подготовит научный отчет «Briefing book», который станет для ESG основанием для составления окончательной стратегии (в 2013 году, во время прошлого обновления стратегии, тоже был подготовлен аналогичный 220-страничный документ, см. также перевод на русский язык исходного документа 2006 года.). Свой вклад в этот процесс внесет и Европейский комитет по будущим ускорителям (ECFA); он будет представлен 14 июля 2019 года на следующей крупнейшей конференции по физике элементарных частиц EPS HEP. Затем последует еще полгода работы, и 20–24 января 2020 года группа ESG подведет окончательный итог и составит план Европейской стратегии по физике частиц. В марте он будет поедставлен Совету ЦЕРНа, который, как ожидается, примет его в мае 2020 года.

Перспективы ILC

Ситуация с Международным линейным коллайдером ILC уже давно перешла из научной плоскости в финансовую. Вот уже несколько лет все упирается лишь в готовность правительств стран-участников — и прежде всего, Японии, на территории которой будет построен коллайдер, — вложить миллиарды долларов в его реализацию. Если бы LHC обнаружил четкие свидетельства Новой физики, никаких препятствий не было бы — e⁺e⁻-коллайдер с энергией столкновений на 500 ГэВ получил бы зеленый свет. В нынешней же ситуации единственной гарантированной «мишенью» ILC может служить только бозон Хиггса. Для его изучения хватит гораздо более скромной энергии столкновений — 250 ГэВ, что лишь немногим превышает энергию церновского коллайдера LEP из уже прошлого века.

Чтобы сдвинуть ситуацию с мертвой точки, в конце 2017 года было предложено несколько вариантов поэтапного строительства коллайдера ILC (рис. 4), причем начинать он будет с фазы «хиггсовской фабрики», с энергии столкновений 250 ГэВ. В минимальном варианте стоимость коллайдера снизится на 40%. Изменения в научной программе такого облегченного коллайдера описаны в сопровождающем отчете. В ноябре 2017 года Международный комитет по будущим ускорителям ICFA выпустил заявление о всецелой поддержке этого проекта.

Рис. 4. Варианты реализации линейного коллайдера ILC. Сверху: исходный проект с энергией столкновений 500 ГэВ, в середине: минимально полезный вариант с энергией 250 ГэВ, Снизу: промежуточные опции. Рисунок из статьи L. Evans, S. Michizono, 2017. The International Linear Collider Machine Staging Report 2017

Повлияло ли это предложение на позицию японского правительства или нет, но ход переговоров японской стороны с ведущими лабораториями мира, информационная кампания в самой Японии, а также процессы внутри правительства Японии внушают оптимизм. В докладе представителя ICFA на конференции ICHEP 2018 сообщается, что японское правительство обещает завершить рассмотрение проекта ILC и принять окончательно решение до 18 декабря 2018 года. Приступать к строительству ILC или отказаться от него — станет одним из ключевых пунктов обновленной Европейской стратегии в 2020–2026 годах, и решиться этот вопрос должен уже скоро.

Перспективы FCC

Если в случае ILC критически важное решение должно быть принято в ближайшие месяцы, то для будущего коллайдера FCC ситуация совершенно иная. Работы над проектом начались всего несколько лет назад, и к настоящему времени готов только обзор научных возможностей нового коллайдера (arXiv:1710.06353). Специалистам еще только предстоит подготовить подробный технический проект коллайдера и детекторов и обрисовать, какие технологии требуется разработать и реализовать в ближайшие пару десятилетий. Над всеми этими вопросами идет интенсивная работа, но критических решений в этом году не ожидается. Впрочем, это не значит, что FCC-сообщество работает в расслабленном режиме. К марту 2019 года планируется подготовить первый большой технический документ — общий проект коллайдера (Conceptual Design Report, CDR), причем его краткая версия выйдет уже в ноябре 2018 года, к дедлайну для предложений по обновленной Европейской стратегии. Этот проект станет основой при планировании более детальной работы над всеми техническими аспектами проекта.

Если окинуть взглядом ожидаемый план работ на ближайшие три десятилетия (рис. 5), то видно, что ключевым моментом станет подготовка не ближайшего, а следующего за ним обновления Европейской стратегии по физике частиц, которое вступит в силу в 2026 году. До тех пор специалисты будут тщательно готовить окончательный технический проект (Technical Design Report, TDR), а также продолжать работу над прототипами сверхпроводящих магнитов на 16 Тесла. Как видно из рис. 5, разработка и внедрение этой технологии — самый сложный этап в реализации коллайдера. Экстраполируя нынешний прогресс, техники рассчитывают начать производство первых полноразмерных прототипов магнитов в лучшем случае в районе 2030 года и завершить массовое их изготовление к началу 2040-х.

Рис. 5. Варианты плана работы над FCC в ближайшие 25 лет. Рисунок из презентации M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018. Future Circular Collider Study: Status and Plans

Кроме изготовления сильных магнитов, специалистам предстоит решить еще одну техническую задачу: как защитить коллайдер от мощного синхротронного излучения протонного пучка. Обычно синхротронное излучение считается проблемой для электрон-позитронных циклических коллайдеров, а протоны, из-за своей большой массы, изучают мало. Даже на LHC в пике производительности циркулирующий пучок излучает несколько киловатт. Это излучение поглощается стенками 27-километровой вакуумной камеры, и тепло благополучно отводится криогенной системой. На FCC мощность синхротронного излучения вырастет почти в тысячу раз, достигнув нескольких мегаватт. Это создаст беспрецедентную тепловую нагрузку на вакуумную камеру, и современная криогеника с этой ситуацией не справится. К счастью, синхротронное излучение локализовано в плоскости кольца, и ускорительщики надеются преодолеть эту проблему с помощью сложной структуры вакуумной камеры и специальных тепловых экранов (рис. 6).

Рис. 6. Внутренняя структура вакуумной камеры в коллайдере FCC будет оптимизирована для безопасного отвода мощного синхротронного излучения протонного пучка и для подавления электронных облаков. Рисунок из презентации M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018. Future Circular Collider Study: Status and Plans

По причине того же синхротронного излучения общая форма ускорительного кольца будет представлять собой не окружность, а скругленный многоугольник (рис. 2). Излучение будет испускаться на закруглениях, при повороте пучка, а в прямых секциях — в относительной безопасности — будут установлены детекторы, ускорительная секция, коллиматоры, системы сброса пучка.

Если в 2026 году научное сообщество и прежде всего ЦЕРН будут готовы приступить к строительству FCC, то начинать прохождение нового 97-километрового туннеля надо будет практически сразу. Он будет проходить через ЦЕРН, но точное его расположение еще не определено. Геологические исследования уже проведены, но траектория нового кольца будет зависеть, в том числе, и от того, какой из нынешних ускорителей будет служить инжектором для FCC: LHC или обновленный ускоритель SPS (рис. 7).

Рис. 7. Варианты использования LHC или SPS в качестве инжектора для FCC. Рисунок из презентации D. Shulte, 2018. FCC-hh Conceptual Machine Design: CDR Status

Ожидается, что к 2026 году будет также решено, по какому из трех путей идти в 2030–2050-е годы. Варианты тут такие:

• FCC-hh: сразу же делать ставку на 100-тэвный протонный коллайдер FCC-hh. Это самый амбициозный проект, но и самый сложный в реализации. Даже если все решения будут приняты вовремя и не возникнет никаких финансовых и политических препятствий, он сможет заработать не ранее 2043 года.
• FCC-ee: установить в новом туннеле электрон-позитронный коллайдер на энергию 250–360 ГэВ для изучения хиггсовского бозона и топ-кварков. Его стоимость должна быть поменьше, но и круг физических задач у него будет куда скромнее. Этот коллайдер сможет начать работу в 2039 году. В любом случае, FCC-ee опция рассматривается исключительно как более экономичный промежуточный этап лет на 15 перед переходом к 100-тэвному адронному коллайдеру.
• HE-LHC, LHC на повышенной энергии 27 ТэВ. Предполагается, что по окончании сеанса Run 5 в 2034 году в существующее кольцо LHC будут установлены новые разработанные к тому моменту магниты на 16 Тесла. Несмотря на то, что туннель старый, это будет, по сути, постройка нового коллайдера. Заработает он не ранее 2040 года.

Какой вариант окажется предпочтительней, будет зависеть от результатов LHC. Если к концу сеанса Run 3 выяснится, что существующие сейчас намеки на Новую физику в распадах B-мезонов окрепли, это станет сильным доводом в пользу промежуточного варианта — либо FCC-ee, либо HE-LHC. Если к 2026 году никаких существенных признаков Новой физики так и не появится, физики скорее всего будут планомерно готовиться к новому ускорительному рывку, сразу на 100 ТэВ.

Что касается стоимости FCC в любом из этих вариантов, то точной оценки пока нет (она появится в течение года, по завершении CDR), но ясно, что это затраты порядка 10 млрд евро. Расходы лягут, прежде всего, на ЦЕРН и, через него, на страны-участники. Свой вклад в виде материалов и аппаратуры внесут и страны-наблюдатели, в частности, США и Россия. В вопросе финансирования FCC любопытен такой момент. Более 70% нынешнего бюджета ЦЕРНа (а это около 1 млрд евро в год) — это затраты на эксплуатацию LHC. Ясно, что эти расходы никуда не денутся. Поэтому приступать к строительству FCC ЦЕРН сможет, только взяв значительный кредит в европейских банках на срок порядка 30–40 лет. Это не первый раз, когда возникла такая необходимость, и существенных проблем тут не предвидится, но масштаб планирования впечатляет.

Наконец, нельзя обойти и такой поставленный ребром вопрос. Если к моменту принятия решения в 2026 году окажется, что LHC так и не обнаружил никакой Новой физики, не станет ли следующий колоссальный проект типа FCC неоправданной тратой денег? Никто не спорит, фундаментальная наука и, в частности, физика элементарных частиц, нужна. Но может быть, сфокусировать усилия на экспериментах поменьше? Например, на тех же B-фабриках, тщательно изучающих распады B-мезонов — ведь именно в них пока обнаружены самые сильные отклонения от предсказаний СМ. Или вообще развивать другие, неколлайдерные, подходы к физике частиц. В конце концов, в том же ЦЕРНе есть инициатива Physics Beyond Colliders. А может быть, лучше вообще дождаться окончания работы HL-LHC, посмотреть на его достижения, и в районе 2040 года решить, куда двигаться дальше?

Ответ, который дает ЦЕРН и который разделяет значительная часть физиков: нет, не лучше. Причины две, научная и инженерная. В обозримом будущем не видно никакой альтернативы, способной продвинуть наше понимание микромира столь же далеко, как амбициозный 100-тэвный коллайдер. Даже если B-фабрики с полной убедительностью докажут, что да, отклонения в распадах — это безоговорочное указание на Новую физику, мы не сможем успокоиться, пока не откроем ее напрямую! Если вы после долгих поисков с металлоискателем нашли закопанный в земле клад, то вы не посчитаете, что дело сделано, пока не откопаете его. Так и здесь: находясь в шаге от прямого раскрытия тайны природы, физики не будут останавливаться.

Вторая причина — это необходимость постоянной передачи технических знаний и умений. Отказ от глобального коллайдерного проекта на 20–30 лет разорвет эту цепочку. Если новое поколение физиков-ускорительщиков не обучить ставить и достигать глобальные инженерные цели, этот навык будет очень трудно восстановить самостоятельно. Например, уже сейчас, в рамках проекта FCC запускается образовательная сеть школ, тренингов и прочих мероприятий для студентов и аспирантов, специализирующихся на сверхпроводимости и мощных магнитных полях. Мы не можем решить прямо сейчас поставленные перед FCC задачи, для этого нужны новые люди, новые идеи и разработки. Но через 20 лет, когда технология будет отработана, на ее основе будут созданы не только новые ускорители, но и масса других наукоемких приложений. И в этом заключается побочная, но не менее важная общественная польза от грандиозных научных проектов.

Источники:
1) Материалы конференции FCC Week 2018, 9–13 апреля 2018 г.
2) M. Mangano. The physics potential of the FCC — доклад на встрече рабочей группы The 5th Korea Future Collider Study Group Meeting, 20 апреля 2018 г.
3) H. Abramovicz. The European Particle Physics Strategy Update 2020 — доклад 14 декабря 2017 г.

См. также:
К Европейской стратегии физики элементарных частиц: краткий обзор, версия 2006 года.

Игорь Иванов