Американский Комитет P5 определил приоритетные направления в физике элементарных частиц

Основные задачи физики частиц на ближайшее десятилетие по мнению членов комитета P5. Рисунок схематично показывает три главных направления исследований: микромир (слева, в первую очередь — изучение свойств нейтрино и бозона Хиггса), поиск новых частиц и выход за пределы Стандартной модели (в центре) и разгадки тайн Вселенной (справа). Изображение с сайта usparticlephysics.org

7 декабря был опубликован черновой вариант очередного доклада комитета P5 (Particle Physics Project Prioritization Panel). Ему было доверено составление предложений по формулировке десятилетней стратегии американских исследований в области физики частиц, учитывающей предвидимые финансовые, экономические и социальные факторы, которые будут влиять на эти исследования вплоть до конца 2030-х годов. Черновик подписали 32 авторитетных специалиста в этой области физики, представляющих как американские, так и иностранные научные центры. Основными вызовами перед физикой частиц составители доклада видят исследование свойств нейтрино и бозона Хиггса, поиск новых частиц, прояснение природы темной материи и характера эволюции Вселенной.

Основная задача Комитета по приоритизации проектов в области физики элементарных частиц P5 (Particle Physics Project Prioritization Panel) — подготовка предложений по поддержке важнейших для физики частиц проектов для правительства США. Поскольку в наше время подготовка и реализация практически любого крупного проекта занимает многие годы, горизонт планирования в докладе составляет десять лет и даже больше. Предшествующие доклады комитетов P5, которые тогда работали в другом составе, были обнародованы в мае 2014 года и в мае 2008 года.

Члены Комитета P5 в 2023 году под председательством Хитоси Мураямы (он четвертый слева в первом ряду) из Центра теоретической физики (Berkeley Center for Theoretical Physics) Калифорнийского университета в Беркли. Фото с сайта usparticlephysics.org

Общий объем представленного документа приближается к 150 страницам (против восьми десятков в версии 2014 года). И хотя в тексте доклада наличествуют многочисленные повторы и смысловые пересечения, я не берусь его пересказывать, а затем еще и комментировать — на это потребовалось бы слишком много места. Поэтому сосредоточусь на целевых установках будущих исследований, как они определены в докладе.

Члены комитета Р5 идентифицировали три перспективных направления физики частиц, каждое из которых дополнительно разделено на две секции. На первое место они поставили задачу «дешифровки квантовой реальности», которая, в буквальном переводе с английского, распадается на «прояснение загадок нейтрино» и «выявление секретов бозона Хиггса». Вторая задача сформулирована как «изучение новых парадигм в физике», что означает «поиски прямых доказательств существования новых частиц» и «отслеживание квантовых отпечатков (quantum imprints) новых явлений». Третья цель несколько поэтически определена как «освещение (illumination) скрытой Вселенной», что включает «определение природы темной материи» и «понимание движущих факторов космической эволюции».

Помимо этих главных задач, есть немало вспомогательных: например, инвестиции в укрепление кадровой базы исследований в области физики частиц и обновление ее вычислительной и технологической инфраструктуры на основе квантовой информатики, искусственного интеллекта и машинного обучения.

Авторы доклада особо акцентировали ряд конкретных проектов, которые, по их мнению, позволят добиться выполнения этих целей. В рамках первого направления они настоятельно рекомендуют продолжить и расширить участие США в международной программе значительного увеличения светимости Большого адронного коллайдера, которая должна сильно расширить его возможности по части производства уже известных массивных частиц и, возможно, открытия новых. Эта радикальная модернизация БАК создаст предпосылки для открытия и исследования взаимодействий между темной материей и бозоном Хиггса, а также для детектирования гипотетических суперсимметричных партнеров «обычных» частиц которые описываются Стандартной моделью.

В докладе также отмечается важность завершения работ по подготовке Глубинного нейтринного эксперимента (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), который должен начаться около 2034 года. Измерения будут проводиться с помощью двух высокочувствительных детекторов нейтрино, расположенных на расстоянии 1300 километров от друг друга. Один из них предстоит смонтировать вблизи 215-метрового линейного протонного ускорителя на 800 МэВ (см. Proton Improvement Plan-II). Этот ускоритель, который будет действовать в качестве источника нейтрино, сейчас строится в Национальной лаборатории имени Ферми (Фермилабе) в Батавии в штате Иллинойс. Второй детектор гораздо большего размера будет размещен более чем на километровой глубине в многофункциональном Сэнфордском подземном исследовательском центре (Sanford Underground Research Facility), который с 2008 года работает в бывшем золотом руднике Хоумстейк в штате Южная Дакота. Этот эксперимент может в полную силу начаться в первые годы следующего десятилетия и обойдется как минимум в три миллиарда долларов. Если он не обманет ожиданий своих инициаторов, то создаст принципиально новые возможности для исследования осцилляций нейтрино и получения новых данных о массе этих частиц, которая пока что в точности не известна. Полученная информация поможет в решении ряда фундаментальных проблем как собственно физики элементарных частиц, так и космологии.

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

Составители доклада рекомендуют обеспечить существенное участие США в международных проектах строительства ускорителей, способных производить большое количество бозонов Хиггса (так называемых фабриках хиггсов). Это Будущий кольцевой электронно-позитронный коллайдер (Future Circular Collider, см. I. Agapov et al., 2022. Future Circular Lepton Collider FCC-ee: Overview and Status) и Международный линейный коллайдер (International Linear Collider, ILC). Обе машины предназначены для разгона встречных пучков электронов и позитронов: в первом случае — в круговом туннеле, во втором — в двух параллельных прямолинейных туннелях длиной не менее двадцати километров. Предполагается, что на первой стадии ILC обеспечит набор энергии порядка 250 ГэВ, но после модернизации этот порог будет повышен до 500 ГэВ, а со временем — и до 1 ТэВ. Это означает, что максимальная энергия разгоняемых электронов и позитронов превысит аналогичный показатель для крупнейшего в мире Стэнфордского линейного ускорителя лептонов сначала в пять раз, затем в десять, а со временем, возможно, даже двадцатикратно. Поскольку масса бозона Хиггса равна приблизительно 125 ГэВ, уже первая очередь ILC сможет работать как фабрика хиггсов весьма высокой производительности. Столкновения электронов и позитронов достаточно больших энергий позволят генерировать хиггсы без фоновых эффектов, которые неизбежны при столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере. Что касается кольцевого ускорителя FCC-ee, то для него рассматривается куда большая энергия частиц в системе центра масс, доходящая до 100 ТэВ, но перспективы осуществления этого проекта сейчас достаточно туманны.

В докладе также кратко обсуждается возможность строительства ускорителей на встречных пучках разных типов, обеспечивающих энергию частиц в системе центра масс на уровне 10 ТэВ или выше. В качестве разгоняемых частиц могут быть выбраны мюоны, протоны, электроны с позитронами или даже гамма-кванты. Создание таких машин обещает открытие новых горизонтов для фундаментальной физики, однако оно потребует разработки целого ряда инновационных технологий, а следовательно, значительного времени и больших затрат.

Касаясь «высвечивания» темной Вселенной, эксперты панели Р5 акцентируют важность экспериментов по детектированию частиц темной материи. Космологи и астрофизики предлагают обширный набор теоретически приемлемых кандидатов на эту роль, включая, в частности, сверхлегкие аксионы и слабо реагирующие массивные частицы (вимпы). Члены комитета в принципе считают необходимым разрабатывать и строить для поиска вимпов новое (третье) поколение детекторов, однако признают, что полномасштабная реализация этой цели может оказаться слишком затратной. В качестве минимально приемлемой программы они рекомендуют запуск (скорее всего не ранее 2032 года) на территории США одного детектора третьего поколения стоимостью от 200 до 500 миллионов долларов, предпочтительно с широким международным участием. Они также считают крайне желательным модернизацию антарктической нейтринной обсерватории IceCube, которая десятикратно повысит ее чувствительность. Оценочная стоимость этого проекта, который предполагается осуществить к 2034 году, приближается к 500 миллионам долларов.

Кроме того, авторы доклада возлагают большие надежды на осуществление эксперимента CMB-S4, предназначенного для долговременного прецезионного картирования микроволнового реликтового излучения. Эта задача будет решаться с помощью двенадцати телескопов с апертурой вплоть до шести метров, установленных на Южном полюсе и в чилийской пустыне Атакама. На них будет установлено 550 000 сверхпроводящих детекторов, которые смогут работать в течение 7–10 лет, начиная приблизительно с 2030 года. Успешное осуществление этого проекта, который, согласно сегодняшним оценкам, обойдется в 800–900 миллионов долларов, даст огромный массив космологической и астрофизической информации. Она будет дополнена данными с новых крупных оптических обсерваторий, включая Обсерваторию имени Веры Рубин с 840-сантиметровым телескопом, который, как ожидается, увидит первый свет в начале 2025 года. Члены комитета также многого ждут от работы уникального спектрографа DESI, установленного на четырехметровом телескопе имени Николаса Майалла Национальной обсерватории Китт-Пик в штате Аризона. Он собирает информацию об оптических спектрах 35 миллионов галактик и почти двух с половиной миллионов квазаров, возникших в течение первых трех миллиардов лет после Большого взрыва. Эти данные позволят уточнить темпы расширения космического пространства на разных этапах истории Вселенной и тем самым будут способствовать лучшему пониманию феномена темной энергии.

В докладе комитета Р5 также перечислено немало проектов экспериментов среднего и малого масштаба (стоимостью до 35 миллионов долларов), которые могут способствовать реализации основных задач, сформулированных в его преамбуле. В целом доклад предлагает достаточно широкую долговременную перспективу будущих исследований в области физики частиц, астрофизики и космологии. Можно не сомневаться, что она будет детально обсуждаться не только руководством Министерства энергетики США, которое в лице своего Консультативного комитета по физике высоких энергий (High Energy Physics Advisory Panel) является адресатом доклада, но и научными кругами. Вопрос о том, что именно и когда удастся осуществить, пока задавать преждевременно.

Источник: 2023 Particle Physics Project Prioritization Panel. Pathways to Innovation and Discovery in Particle Physics.

Алексей Левин

Этот текст войдет в книгу А. Левина «Этюды о частицах: от рентгеновских фотонов до бозона Хиггса», принятую к печати издательством Товарищество научных изданий КМК.