Мюонные коллайдеры раздвинут горизонты физики элементарных частиц

Среди множества регалий Владимира Шильцева есть и такая — почетный член Ломоносовского фонда. Это звание он получил в 2017 году «…за изучение научного наследия М. В. Ломоносова в области физики и астрономии». Фото с сайта alumninsu.ru

Специалисты по физике элементарных частиц из Европы и США организовали коллаборацию, которая займется оценкой перспектив создания ускорителя нового типа. В нем будут сталкиваться массивные аналоги электронов и позитронов — отрицательные и положительные мюоны. С одной стороны, мюоны примерно в 207 раз «тяжелее» электронов, поэтому их выгоднее использовать в коллайдерах с энергетической точки зрения. С другой стороны, время жизни мюона составляет всего 2,2 микросекунды, поэтому ученым и инженерам предстоит решить непростую задачу быстрого разгона частиц до ультрарелятивистских скоростей. Мы поговорили с одним из инициаторов создания этой коллаборации специалистом по ускорительной физике Владимиром Шильцевым и обсудили с ним все детали амбициозного проекта мюонного коллайдера.

28 января в журнале Nature появилась статья с многообещающим заголовком «Muon colliders to expand frontiers of particle physics». Ее подписали шесть известных специалистов по физике элементарных частиц, работающих в элитных исследовательских центрах Европы и США. Они представляют только что сформированную (точнее, находящуюся в процессе формирования) коллаборацию ученых, выступающих за создание ускорителя нового типа, разгоняющего и сталкивающего пучки массивных нестабильных родственников электронов — мюонов. Члены этой коллаборации уверены, что такая машина придаст существенный импульс развитию экспериментальной физики высоких энергий и при этом будет намного компактней и экономичней традиционных ускорителей с аналогичными возможностями. Не исключено, что по производительности она догонит или перегонит даже Большой адронный коллайдер (БАК), где на сегодняшний день было зарегистрировано 59 новых частиц из семейства адронов. И это в дополнение к его главному результату — открытию бозона Хиггса.

В число авторов статьи и, соответственно, крёстных отцов новой коллаборации входит выпускник НГУ Владимир Дмитриевич Шильцев, заслуженный научный сотрудник (Distinguished Scientist) американской Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми (Фермилаба), бывший руководитель ускорителя Тэватрон и директор-основатель Центра ускорительной физики Фермилаба. Мы познакомились несколько лет назад на конференции Международной ассоциации русскоговорящих ученых (RASA) и с тех пор постоянно общаемся. Поэтому мне сам бог велел соблазнить Владимира на рассказ об этом проекте, на что он охотно согласился. Запись интервью я представляю на суд аудитории «Элементов».

Однако для начала будет полезно познакомиться с паспортом мюона. Эта частица, как и электрон с позитроном, несет отрицательный или положительный элементарный заряд и обладает половинным спином. Однако мюон, в отличие от электрона и позитрона, нестабилен, хотя ее время жизни по меркам элементарных частиц поистине огромно — 2,2 микросекунды. Отрицательный мюон в абсолютном большинстве случаев распадается на электрон и пару нейтрино — точнее, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино. Его античастица, положительный мюон, дает начало позитрону, электронному нейтрино и мюонному антинейтрино. Масса мюонов обоих знаков приблизительно в 207 раз больше массы электрона или позитрона.

Мюоны в 1936 году обнаружили американский физик Карл Андерсон, который в том же 1936 году получил Нобелевскую премию за открытие четырьмя годами ранее позитрона, и его ученик Сет Неддермейер (Seth Neddermeyer). Подобно позитрону, эти частицы изначально были детектированы при изучении космических лучей в высокогорной обсерватории. Правда, рождены они были не в далеком космосе, а в земной атмосфере (но об этом чуть позже).

Природа мюонов долгое время оставалась неясной. После открытия их с разной степенью уверенности отождествляли с гипотетическими частицами примерно такой же массы, которые теоретически предсказал в 1935 году первый японский физик-нобелиат Хидэки Юкава. Юкава рассматривал эти частицы — как их позднее назвали, пи-мезоны, или, в более компактной версии, пионы — в качестве переносчиков короткодействующих сил, «стягивающих» воедино протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Однако последующие эксперименты показали, что открытые Андерсоном и Неддермейером частицы слабо рассеиваются в веществе, в то время как пионы в силу своей природы были просто обязаны сильно взаимодействовать с его барионной компонентой (иначе говоря, с атомными ядрами). Это противоречие разрешилось только в 1947 году, когда группа физиков из Бристольского университета, возглавляемая Сесилом Пауэллом, детектировала (и опять в космических лучах) именно те частицы, которые «на кончике пера» открыл Юкава.

Мюоны и пионы, с одной стороны, не имеют друг с другом ничего общего, а с другой — связаны тесным родством. Мюоны относятся к классу лептонов, семейству элементарных частиц из группы фермионов, которые чувствуют электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия, но безразличны по отношению к сильному. Пионы, напротив, при их нулевом спине являются бозонами и участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях и потому относятся к классу адронов. С другой стороны, мюоны рождаются при распадах заряженных пионов (в паре с нейтрино или антинейтрино) и потому оказываются их прямыми потомками.

На сладкое расскажу о происхождении мюонов, отловленных Андерсоном и Неддермейером. По современным данным, первичные космические лучи (то есть частицы, приходящие на Землю из космического пространства) на 98% состоят из барионов и на 2% из стабильных лептонов — это почти исключительно электроны и позитроны плюс мизерное число нейтрино (сейчас ежегодно детектируется только 10–15 первичных нейтрино, причем в среднем не более одной частицы в год удается связать с конкретным источником в космическом пространстве, см. новость Многоканальные наблюдения установили источник высокоэнергетичного нейтрино, зарегистрированного IceCube, «Элементы», 17.07.2018). Мюонов там нет и не может быть — в силу их склонности к распадам. Барионная компонента, в свою очередь, содержит протоны (87%), альфа-частицы (12%) и ядра элементов тяжелее гелия (1%), которые астрономы именуют металлами (см. Металличность). Среди них преобладают углерод, азот и кислород, за которыми следуют литий, бериллий и бор. На эту шестерку приходится около 90% космических «металлов», так что на долю прочих остается совсем немного. Около 80% частиц этого остатка представлены элементами с атомными номерами от 9 до 25, расположенными в таблице Менделеева между кислородом и железом. Остальные 20% почти полностью захватило железо, к которому примыкают никель и кобальт. Концентрация элементов тяжелее кобальта в первичных космических лучах измеряется стотысячными долями процента. Там обнаружены ядра золота, ртути, платины, свинца и даже урана, однако отсутствуют радиоактивные элементы с коротким временем жизни.

В земной атмосфере космические частицы инициируют ядерные реакции, которые производят множество вторичных продуктов. Влетевший в атмосферу протон с энергией в десятки и сотни ТэВ дает начало новым высокоэнергетичным частицам, которые рассеиваются на окружающих атомах и вызывают к жизни очередные поколения частиц. Таким образом в воздушном бассейне запускается каскадное рождение частиц, многие из которых нестабильны и быстро распадаются. Так возникают многочастичные атмосферные ливни, состоящие из потомков первичных космических лучей, которые еще в конце 1920-х годов впервые наблюдал советский физик Дмитрий Скобельцын (подробнее об этом читайте в статье Космические дожди).

Площадь выпадения ливня и общее количество его «капель» зависят от скорости первичной частицы. Протон с энергией порядка 10¹⁵ эВ порождает около миллиона вторичных частиц, с энергией 10¹⁶ эВ — до десяти миллионов, а с энергией 10²⁰ эВ — несколько миллиардов. Каскадные процессы такого масштаба — широкие атмосферные ливни — первыми наблюдали в 1938 году французский физик Пьер Виктор Оже и его коллеги. В честь Оже названа международная обсерватория космических лучей на западе Аргентины, введенная в строй в 2005 году (Pierre Auger Observatory).

За формирование ливня отвечают два типа процессов — адронные и электромагнитные. Первичный протон сталкивается с атомным ядром и разбивает его на осколки. Если его энергия не превышает нескольких сотен МэВ, этим всё и заканчивается. Встреча с протонами с энергией в десятки и сотни ГэВ приводит к более серьезным последствиям. После первого столкновения такой протон продолжает свое движение, но уже с меньшей энергией (в среднем, около 30% первоначальной). Как правило, в результате этого столкновения возникают как заряженные, так и нейтральные пионы (заряженные вдвое чаще), но порой рождаются и более массивные частицы. Заряженный пион либо сталкивается с ядром атома и дает начало новым ядерным превращениям, либо не успевает этого сделать и распадается на мюон такого же знака и мюонное нейтрино (есть и другой канал распада, но его вероятность очень мала). Новорожденный мюон движется почти со скоростью света и к тому же очень слабо взаимодействует с атомными ядрами, незначительно теряя энергию лишь при проходе сквозь их электронные оболочки. При этом он живет не 2,2 микросекунды, а намного дольше — из-за релятивистского замедления времени. Поэтому он имеет отличные шансы не только добраться до земной поверхности, но даже проникнуть глубоко под землю.

В конце концов мюоны тоже распадаются, причем практически всегда по той моде (каналу распада), о которой говорилось выше, — на электрон или позитрон (в зависимости от знака) и пару нейтрино (мюонное и электронное). Нейтральный пион, жизнь которого в сто миллионов раз короче, чем у заряженного, скорее всего не столкнется ни с чем и распадется на пару фотонов гамма-излучения. Эти фотоны рассеиваются на атомах и производят электронно-позитронные пары, причем позитроны быстро аннигилируют и дают начало новым гамма-квантам. Так запускается электромагнитный ливневый каскад, порождающий мягкую компоненту вторичного космического излучения. Тем временем первичный протон, пусть и лишившийся части энергии, а также не успевшие распасться пионы и прочие нестабильные частицы продолжают сталкиваться с атомными ядрами и дают начало всё новым и новым сильно взаимодействующим частицам адронного каскада. Некоторые из них опять-таки доживают до проникновения в нижние слои атмосферы. В ходе всех этих превращений возникают не только пионы, но и другие адроны — каоны и гипероны.

Теперь, когда с мюоном мы познакомились, можно перейти к интервью.

— Володя, давайте для начала поговорим о международной коллаборации, в которой Вы участвуете. У нее уже есть какой-то официальный статус?

В. Ш.: Да, коллаборация была формально инициирована Европейской организацией ядерных исследований, ЦЕРН. На первый год ЦЕРН выделил нам 2 миллиона долларов для начала работы. Кроме того, об участии в проекте уже заявили директора ряда крупнейших европейских лабораторий ядерных исследований и физики высоких энергий. Наконец, к нему проявили интерес у нас в Фермилабе и в Брукхейвенской национальной лаборатории. Кроме того, в последнее время быстро растет число научных статей по теме мюонного коллайдера, которая раньше не вызывала большого интереса у физиков. Так что не будет преувеличением сказать, что профессиональное сообщество всё больше открывается к этой идее.

— Итак, процесс пошел. А скажите, это первое такое предприятие или были и другие?

В. Ш.: Предшественники имелись. Идея создания такой машины уже давно витает в воздухе. Впервые она была высказана еще в конце 1960-х годов, причем советскими физиками — Ф. Ф. Тихониным из Дубны и директором Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР академиком Г. И. Будкером. Потом стали возникать и неформальные ассоциации физиков, готовых участвовать в проектировании мюонного коллайдера. На моей памяти их было не меньше трех, причем в двух последних я и сам поучаствовал. У нас в Фермилабе в былые годы этот проект серьезно обсуждался, причем его поддерживал наш главный финансовый спонсор, Министерство энергетики США. После многочисленных дискуссий, которые растянулись лет на шесть, его благополучно утвердили и где-то в 2010 году даже начали осуществлять. Однако три года спустя Фермилабу было предписано сменить приоритеты и бросить все силы на изучение нейтрино. Именно этим мы сейчас и занимаемся. На мюонный коллайдер у нас практически не осталось ни людей, ни средств. В итоге к 2016 году этот проект была полностью свернут.

— Говоря о новых приоритетах, Вы имеете в виду программу DUNE?

В. Ш.: Да, Deep Underground Neutrino Experiment. Это интернациональный проект, в котором участвует около тысячи ученых. Можно с уверенностью сказать, что как минимум на ближайшие десять лет его осуществление останется главной и даже доминирующей задачей Фермилаба.

— А можно подробней?

В. Ш.: Конечно. В рамках этой программы в Фермилабе создается самый мощный в мире источник пучков нейтрино высоких энергий. Эти частицы будут возникать при столкновениях протонов, разогнанных в цепочке ускорителей до энергии 120 ГэВ, с ядрами графитовой мишени длиной около метра. Новорожденные нейтрино будут анализироваться как в самом Фермилабе, так и, главным образом, на гигантской детектирующей установке, размещенной на полуторакилометровой глубине в бывшем золотом руднике Хоумстэйк вблизи города Лид в Южной Дакоте.

Схема работы эксперимента DUNE. Пучок нейтрино будет порождаться в Фермилабе (городок Батавия недалеко от Чикаго, штат Иллинойс), а его свойства будут изучаться при помощи двух детекторов. Один из них, ближний, будет установлен там же, в Фермилабе, а второй, дальний, — в 1300 км оттуда, в Сэнфордском подземном исследовательском центре (Sanford Underground Research Facility, Лид, штат Южная Дакота). Рабочее тело дальнего детектора — 68 000 тонн жидкого аргона — будет расположено в 1,5 км под землей. За время путешествия от Фермилаба к дальнему детектору часть нейтрино успеет изменить свой сорт, что позволит изучать нейтринные осцилляции — это одна из основных научных задач этого эксперимента. Рисунок с сайта dunescience.org

В этой шахте задолго до ее закрытия в 2002 году уже проводились научные исследования. В частности, именно там в конце 1960-х годов Реймонд Дэвис и Джон Бакал впервые детектировали нейтрино, рожденные в термоядерных реакциях в солнечном ядре. Для этого они использовали емкость, заполненную 380 тысячами литров перхлорэтилена, который служил средой для отлова нейтрино. При столкновениях нейтрино с ядрами атомов хлора рождались электроны и ядра радиоактивного аргона с тем же атомным весом. Содержимое емкости периодически очищали от следовых примесей аргона, которые своим присутствием и свидетельствовали о реакциях с участием нейтрино. В той же шахте в 2013–16 годах действовал детектор на жидком ксеноне, предназначенный для регистрации частиц темной материи. Хотя этот эксперимент, известный как LUX (Large Underground Xenon experiment), дал нулевые результаты, его детектор в свое время считался самой чувствительной в мире установкой по поиску темной материи.

DUNE будет куда масштабней эксперимента группы Дэвиса и потому неизмеримо дороже. Кроме того, в нем будет использоваться другой метод регистрации нейтрино. Рожденным в Фермилабе частицам высоких энергий придется пройти через толщу земной коры дистанцию в 1300 километров. В конце пути они попадут в детектирующий комплекс, состоящий из четырех криогенных емкостей, заполненных 68 тысячами тонн жидкого аргона, охлажденного до 87 градусов по шкале Кельвина. Хотя нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, всё же они будут ионизировать некоторые атомы аргона. Освобожденные в процессах такой ионизации электроны под действием внешнего электрического поля будут дрейфовать к многочисленным датчикам, установленным как внутри емкостей, так и на их периферии. Эта аппаратура как раз и позволит зарегистрировать события с участием нейтрино. Полтора километра земных пород надежно прикроют детектор почти от всех мюонов космического происхождения, которые тоже могут ионизировать атомы аргона и тем самым создавать ложные нейтринные сигналы.

Скажу не стесняясь, что успешное осуществление этого проекта станет крупным вкладом в прогресс физики микромира. Нейтрино — очень интересная частица, и очень важно узнать о ней побольше. Так что не приходится удивляться, что программа DUNE в Фермилабе выиграла конкуренцию с мюонным коллайдером.

— Однако, как я понимаю, появление новой коллаборации говорит о том, что у этой машины есть много сторонников. Причем, если судить по институциональной принадлежности авторов статьи в Nature, не столько в США, сколько в Европе.

В. Ш.: Именно так. В странах Евросоюза сейчас успешно работают исследовательские центры физики высоких энергий мирового класса. Прежде всего это, конечно, ЦЕРН с его крупнейшим в мире ускорителем заряженных частиц на встречных пучках — Большим адронным коллайдером. Но есть и другие — скажем, итальянский Национальный институт ядерной физики, британская Лаборатория Резерфорда — Эплтона или германский Центр по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца. В ближайшие годы должны начаться эксперименты в Европейском исследовательском центре ионов и антипротонов, который создается в ФРГ. В общем, Европа облает огромным человеческим и материальным потенциалом для исследований в этой области.

Наши европейские коллеги, как и мы в США, регулярно обсуждают свои планы на будущее. В Европе такие дискуссии происходят под патронажем ЦЕРНа каждые 7–8 лет. Очередной раунд этих дебатов завершился летом прошлого года. Там много говорилось об улучшении производительности БАК, которая к середине этого десятилетия должна возрасти примерно в пять раз. Предполагается, что в таком режиме он проработает еще лет десять. Кроме того, естественно, обсуждался вопрос: а что же делать дальше? Как разумно использовать ресурсы европейской физики элементарных частиц, когда БАК будет выведен из обращения? А ведь эти ресурсы весьма велики — скажем, бюджет одного только ЦЕРНа более чем вдвое превосходит бюджет Фермилаба.

Европейские физики пригласили для участия в своих дискуссиях коллег из других стран — в частности, и меня. Итоги этих обсуждений представлены в 20-страничном отчете 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics. Там говорится, что после завершения работы БАК новым приоритетом европейской физики высоких энергий может стать строительство так называемой фабрики хиггсовских частиц. Она мыслится как кольцевой коллайдер стокилометровой длины, в котором в результате столкновений электронов и позитронов c суммарной энергией не менее 250 ГэВ будут интенсивно рождаться бозоны Хиггса. Эти частицы уже открыты, но многие их свойства пока что плохо изучены. Непомерная длина коллайдера связана с тем, что релятивистские электроны и позитроны, двигаясь по кругу, теряют много энергии на синхротронное излучение. Единственный способ снизить эти потери — это уменьшить кривизну их траектории, то есть увеличить радиус кольца, где они будут двигаться. Никак иначе эту проблему не решить — не позволят законы электродинамики.

Другой потенциальный приоритет — это строительство нового кольцевого протонного коллайдера с энергией столкновений в системе центра масс не менее 100 ТэВ (для сравнения, аналогичный показатель у БАК равен 14 ТэВ). Такую машину, по замыслу, можно было бы смонтировать на смену электронно-позитронному коллайдеру — в том же туннеле.

В принципе, эти проекты вполне осуществимы — но именно что в принципе. Например, понадобятся сверхпроводящие магниты, чье поле составит 16 тесла и потому вдвое превзойдет поля магнитов БАК. Такие магниты можно изготовить на базе существующих технологий, однако они встанут в огромные деньги. По предварительным оценкам, строительство электрон-позитронного коллайдера обойдется как минимум в 11 миллиардов швейцарских франков — это десять нынешних годовых бюджетов ЦЕРНа! Протонный коллайдер окажется еще в два-три раза дороже.

Кроме того, гигантским коллайдерам потребуется столь же гигантское энергоснабжение. Сейчас ускорительный комплекс ЦЕРНа потребляет лишь втрое меньше электричества, чем весь город Женева, а ускорители нового поколения будут куда более энергоемкими. Европа, как известно, крайне озабочена проблемами энергосбережения. Поэтому будет очень нелегко уговорить страны Евросоюза одобрить эти проекты.

— Понимаю. Выходит, что мюонный коллайдер предпочтительней.

В. Ш.: Да, причем в разных планах. Это и в самом деле вполне реальный альтернативный вариант. Его преимущества вполне очевидны. Во-первых, мюоны в двести с лишним раз тяжелее электронов. Поэтому для их разгона можно будет обойтись кольцом куда меньшего диаметра. С другой стороны, мюоны, как и электроны с позитронами, — это точечные частицы, не имеющие внутренней структуры. Этим они отличаются от протонов, которые состоят из кварков, спаянных глюонными полями. С точки зрения физики, новые частицы рождаются при соударениях не самих протонов, а входящих в их состав истинно элементарных частиц — кварков. На взаимодействия между кварками уходит не более одной седьмой полной кинетической энергии сталкивающихся протонов. Поэтому на мюонном коллайдере с энергией столкновений порядка 14 ТэВ можно получать те же реакции рождения частиц, которые в протонном варианте требуют коллайдера на 100 ТэВ. Представляете выгоду? Конечно, семерка — это средний показатель выигрыша энергии, для каких-то реакций он будут меньше, но для каких-то — гораздо больше. Многие теоретики даже считают, что гипотетические массивные частицы темной материи удастся получить только при мюонных столкновениях.

Компьютерная симуляция результатов столкновения мюона и антимюона, каждый из которых обладает кинетической энергией 5 ТэВ (так что в системе центра масс энергия столкновения равна 10 ТэВ). Это соударение на промежуточном этапе рождает два бозона Хиггса, а на финальном — пару b-кварков вместе с их антикварками, нейтрино и антинейтрино. B свою очередь, кварки рождают струи заряженных частиц, так называемые b-джеты, которые на рисунке представлены желтыми конусами. Рисунок из статьи K. R. Long et al., 2021. Muon colliders to expand frontiers of particle physics

Эти преимущества мюонных коллайдеров известны давно, но построить такую машину очень сложно. Вот лишь один пример. Мюоны нестабильны, так что перед запуском в ускоритель их надо не только изготовить в нужных количествах, но и сохранить, а это очень непросто. К счастью, до сих пор физика высоких энергий вполне обходилась протонными и электронными коллайдерами. Но теперь приходится принимать в расчет и другие возможности. Во всяком случае, в ЦЕРНе об использовании мюонов сейчас говорят на полном серьезе. И, конечно, все понимают, что для постройки такого коллайдера придется разработать и проверить немало новых технологий.

— Получается, что ваша коллаборация возникла, в каком-то смысле, не от хорошей жизни.

В. Ш.: Точнее, от осознания необходимости рассмотреть практические перспективы создания мюонного коллайдера. В нашей среде эта идея обсуждается весьма детально. Работы там непочатый край.

— А в чем состоят основные сложности?

В. Ш.: Их немало. Например, чтобы максимально растянуть время жизни новорожденных мюонов, их надо поскорее разогнать до ультрарелятивистских скоростей, очень близких к скорости света. Для этого надо создать устройства, генерирующие электромагнитные поля нужной силы и конфигурации, а это не такая уж простая задача. Кроме того, часть мюонов всё равно распадется на электроны или позитроны и пары нейтрино. Нейтрино просто уйдут из системы, а вот электроны с позитронами тоже будут ускоряться и генерировать тормозное излучение, от которого надо как-то избавиться. К тому же они будут сталкиваться с окружающими атомами и рождать пионы и другие короткоживущие частицы, которые смогут попадать в детекторы и создавать паразитные сигналы. Следовательно, придется решать еще одну важную задачу — защищать детекторы от этого фона. Методы такой защиты в принципе известны, но для работы в мюонных коллайдерах они еще никогда не применялись.

В общем, проблем много, и быстро их не решить. Если учесть опыт строительства и отладки Тэватрона, где тоже возникали аналогичные сложности, то необходимое время можно оценить примерно в четверть века. Поэтому, рассуждая реалистически, надо быть готовыми к тому, что для подготовки проекта потребуется 15–20 лет. За это время надо будет решить, как можно создать мюонный коллайдер с нужными параметрами.

У нашего проекта есть еще одно важное преимущество. Я говорил, что мюонный коллайдер позволит решать самые актуальные проблемы фундаментальной физики при куда меньших затратах электричества, чем коллайдеры прежних типов. Как ни парадоксально, в этом плане он окажется тем более эффективным, чем больше будет энергия мюонных пучков. Во всяком случае, мюонный коллайдер на 10–15 ТэВ даст возможность изучать самые экзотические — и потому самые интересные — превращения элементарных частиц, не создавая больших трудностей с электроснабжением.

Принципиальная схема мюонного коллайдера на 10 ТэВ. Слева изображен инжектор мюонов, из которого эти частицы направляются в ускоряющее кольцо. В инжектор поступают протоны, разогнанные до энергии 4 ГэВ. Они бомбардируют мишень из вольфрама или другого металла либо сплава с высокой удельной плотностью, что приводит к рождению пионов. Распады этих частиц служат источником мюонов обоих знаков, которые направляются в ионизационный охлаждающий комплекс. В результате прохождения через эту систему мюонные пучки сжимаются в пространстве и теряют часть энергии, одновременно уменьшая разброс своих частиц по скорости (или, что в данном случае то же самое, по импульсу). На последней стадии движения через инжектор мюонные пучки поступают в низкоэнергетический линейный ускоритель, который разгоняет частицы до энергий порядка 100 ГэВ. По выходе из инжектора отрицательные и положительные мюоны попадают в главный кольцевой ускоритель, где движутся в противоположных направлениях, приобретая энергию в несколько ТэВ. На последнем этапе оба пучка направляются в коллайдер, где они дополнительно фокусируются и в конечном счете сталкиваются в двух противоположных зонах, где установлены детекторные комплексы. Рисунок из статьи K. R. Long et al., 2021. Muon colliders to expand frontiers of particle physics

В принципе, можно подумать и о создании мюонных коллайдеров даже с большими энергиями пучков — скажем, до 100 ТэВ. Но там уже проблем гораздо больше. Например, рожденные при таких энергиях нейтрино могут создавать на земной поверхности очаги небольшого, но вполне детектируемого радиоактивного фона, чего никто не захочет допустить. Да и вообще, это дело далекого будущего.

— Володя, Вы сказали, что для создания мюонного коллайдера понадобятся новые технологии. Над ними уже работают?

В. Ш.: Кое-что делается. Например, чтобы отправить мюонный пучок в ускоряющую систему, надо уменьшить его пространственный объем — на техническом языке это называется охлаждением пучка. Реальная возможность такого «охлаждения» уже была успешно продемонстрирована в международном эксперименте MICE, Muon Ionization Cooling Experiment. Это было сделано посредством пропускания мюонов через абсорбирующую среду, где они теряли энергию в процессах ионизации атомов. Результаты этих экспериментов, проведенных в 2017–18 годах, были опубликованы в журнале Nature. Это очень важное достижение, которое снимает одно из препятствий к созданию мюонного коллайдера. Конечно, в этом эксперименте сжатие пучка было достигнуто в небольшом масштабе — в реальном коллайдере пучок надо будет прогнать по каскаду из нескольких ступеней. Однако применимость ионизационного метода теперь не вызывает сомнений.

Общий вид ионизационного охлаждающего комплекса. Частично сфокусированные магнитными полями мюоны попадают в ионизационный поглотитель (абсорбер). Там они ионизируют атомы водорода, входящие в состав молекул гидрида лития, LiH, и потому теряют часть кинетической энергии. По выходе из абсорбера пучок замедленных мюонов проходит через радиочастотный резонатор, который увеличивает скорость его частиц в продольном направлении. Этот процесс повторяется несколько раз, так что на выходе из комплекса мюоны формируют хорошо сфокусированный узкий пучок, готовый для инжектирования в линейный ускоритель. Рисунок из статьи K. R. Long et al., 2021. Muon colliders to expand frontiers of particle physics

— Тогда пойдем дальше. Работы Тихонина и Будкера, которые Вы упоминали, были опубликованы более полувека назад. Но ведь тогда физика частиц была совершенно иной, чем сегодня. Теория электрослабых взаимодействий только-только начала строиться и не привлекала особого интереса специалистов. А теории взаимодействий между кварками и глюонами, квантовой хромодинамики, еще вообще не существовало, она возникла лишь в начале 1970-х годов. Тем более не существовало Стандартной модели элементарных частиц, которая синтезировала эти две великие теории. Так что, если бы каким-то чудом мюонный коллайдер был построен в то время, перед ним ставились бы совершенно иные задачи, нежели мыслятся в наше время. Вы с этим согласны?

В. Ш.: Да, разумеется. Это совершенно очевидно.

— Однако такого коллайдера нет и сейчас, и вряд ли он появится до конца 2030-х годов. Какие результаты от него стоит ожидать?

В. Ш.: Я бы назвал три. Во-первых, это возможное открытие суперсимметричных частиц, которые пока что не удалось обнаружить в ходе экспериментов на БАК. Вполне возможно, что там их и не найдут — просто потому, что энергия его протонных пучков недостаточна для их рождения. Эксперименты на мюонном коллайдере в этом плане куда перспективней — конечно, при условии, что суперсимметрия вообще возможна. Во-вторых, это поиск массивных частиц темной материи, которые в теории предсказаны, но тоже никогда не наблюдались. Астрофизики давно ищут их в космосе, но пока безуспешно. В-третьих, можно надеяться, что на мюонном коллайдере будут обнаружены явления, которые в принципе не удастся объяснить на базе Стандартной модели. Это то, что принято называть прорывом к Новой физике, голубая мечта современного поколения специалистов по физике высоких энергий. Эти три задачи я назвал бы основными.

Конечно, выход за Стандартную модель может произойти и раньше. Например, она требует, чтобы масса нейтрино была равна нулю. Формально это связано с тем, что нейтрино не взаимодействуют с полем Хиггса, которое служит источником массы для большинствах других частиц. Однако мы уже давно знаем, что нейтрино всё же обладают ненулевой массой, хотя ее точная величина пока неизвестна¹. В принципе, в Стандартную модель можно ввести поправки, которые ликвидируют «безмассовость» нейтрино, но тут есть свои немалые сложности. Кстати, наш проект DUNE может привести к лучшему пониманию свойств нейтрино, включая и источники его массы. В любом случае, мюонный коллайдер станет замечательным инструментом поиска Новой физики.

— В последние годы энтузиазм и экспериментаторов, и теоретиков на предмет открытия суперсимметрии несколько угас. Что Вы об этом думаете?

В. Ш.: Да, всё так. Теория суперсимметрии, к сожалению, не умеет предсказывать спектр масс гипотетических суперпартнеров известных частиц. В этом ее слабое место. Если бы она утверждала, что самые легкие из таких частиц имеют массы где-то в пределах 2–4 ТэВ, то это предсказание могли бы подтвердить или опровергнуть эксперименты на БАК. Поскольку этого не случилось, остается предположить, что если природа и разрешает существование суперпартнеров, то они должны быть гораздо массивней. Такая ситуация и в самом деле не прибавляет оптимизма.

Напомню, что сейчас энергия столкновений на БАК составляет 14 ТэВ. Если бы ее удалось хотя бы удвоить, вероятность рождения суперпартнеров, согласно теории, возросла бы в 8–10 раз. Но с Большим адронным коллайдером этот фокус не пройдет, нет таких технических возможностей. Так что надо или строить традиционные коллайдеры исполинских масштабов, о которых я уже говорил, или всерьез заняться мюонным коллайдером. Вот он позволит увеличить вероятность открытия суперсимметричных частиц примерно в 350 раз по сравнению с БАК. Неплохая перспектива, не так ли? Конечно, все эти оценки покоятся на предположении, что существование суперсимметрии не противоречит законам мироздания.

— Ну что же, остается пожелать успехов Вашей коллаборации. И большое спасибо за беседу.

В. Ш.: И Вам спасибо за интерес к нашему проекту. Очень хотелось бы, чтобы о нем поскорее узнали в России.

Алексей Левин

¹ О массе нейтрино и проблемах ее измерения можно прочитать, например, в новостях Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино («Элементы», 29.04.2015), Физика элементарных частиц в 2017 году («Элементы», 26.12.2017) и Обнаружено возможное нарушение CP-симметрии в нейтринных осцилляциях («Элементы», 22.04.2020).