Предоставлено: CERN
Новый атомный ускоритель обойдется в несколько миллиардов долларов. Европа и Китай хотят построить его, однако учёные размышляют о целесообразности такого проекта.
В 2012 году физики обнаружили бозон Хиггса. Эта частица была последней частью Стандартной модели — набора законов, описывающих нашу Вселенную. Открытие стало возможным благодаря Большому адронному коллайдеру в Европе: машине с кольцом суперпроводящих магнитов, которая ускоряет частицы до почти света и сталкивает их.
Стандартная модель не исчерпывает всю физику и не отвечает на все вопросы. Она не объясняет таких загадок, как существование… темной материи или темной энергииИ в чём же заключается причина такого отличия гравитации от остальных фундаментальных сил?
Как неизведанные земли, которые средневековые картографы населяли вымышленными существами, границы физики заполнены гипотезами о том, что может таиться в неизвестном. В науке единственный способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы – собрать больше данных: с самых совершенных телескопов и микроскопов, а возможно, и с совершенно новым, ещё более мощным суперколлайдером.
В 2012 году Институт физики высоких энергий Академии наук Китая сообщил о намерении построить новый суперколлайдер. Планируемый Круговой Электронный Позитронный Коллайдер будет иметь окружность в 100 километров, что почти в четыре раза больше, чем у Большого Адронного Коллайдера (LHC). Через год оператор LHC, организация CERN, также объявил о своем плане по созданию нового. коллайдераНазванный Futur Circular Collider.
Изучение неизвестного часто оказывается затратным делом. Ученые и инженеры при обсуждении проекта оценивают целесообразность вложений, учитывая суммарные расходы, которые могут достигать миллионов рублей.
Открытие бозона Хиггса стало важным шагом, но Стандартная модель всё ещё нуждается в развитии.
Массу бозона Хиггса мы всё ещё не постигли. Неизвестно также и причину наличия трёх семейств частиц. ЦЕРНИзучение бозона Хиггса с максимальной точностью обязательно, а будущий коллайдер позволит это осуществить.
Внутри суперколлайдера частицы сближаются со скоростью, близкой к скорости света. При столкновении часть их энергии превращается в массу, образуя новые частицы, например, Хиггса. LHC способен генерировать один бозон Хиггса на миллиард столкновений. Несмотря на сотни миллионов столкновений в секунду, для получения достаточного количества данных, чтобы сигнал Хиггса превысил шум фона, требуется несколько лет.
Более мощный коллайдер может ускорить производство и дать учёным возможность изучать бозон Хиггса более детально.
Чтобы понять, почему создание частиц требует много энергии, представьте игру в боулинг с множеством кеглей — лёгких и тяжёлых. Лёгких кеглей значительно больше, чем тяжёлых – примерно миллион унций на каждую тонну. Чтобы «создать» тяжёлую частицу, например, Хиггса, подобно сбитию тяжёлой булавки, нужно бросить шар для боулинга с такой силой, чтобы не только сбить тяжёлую булавку, но и пробить миллионы лёгких кеглей на пути.
Для создания частиц, таких как бозон Хиггса, требуется энергия, измеряемая в гигаэлектронвольтах (ГэВ). LHC способен генерировать столкновения с энергией 13000 ГэВ – это более чем в сто раз превышает массово-энергетический эквивалентность бозона Хиггса (125 ГэВ). Количество создаваемых бозонов Хиггса сравнительно невелико: всего один на каждые 10 миллиардов столкновений. Это связано с тем, что значительная часть энергии затрачивается на создание более легких частиц.
Возможно существование частиц, тяжелее тех, которые LHC способен производить. Или же ускоритель может генерировать их в таком малом количестве, что обнаружение невозможно. Для изучения более «тяжелых» объектов потребуется более мощное оборудование.
«Мы сталкиваемся с ситуацией, когда стандартная модель не может объяснить разнообразные явления», – заявил Джанотти. «Существуют другие теории, но мы не знаем, какая из них верна. Поэтому шаг вперед в энергетической шкале… может изменить наше мышление».
Одна из ведущих теорий за пределами Стандартной модели называется суперсимметрией. В основе этой теории лежит простая концепция: для каждой из 17 фундаментальных частиц в Стандартной модели предсказывается гипотетическая партнерская частица, которая будет тяжелее ее известного аналога.
Введённая в конце 1960-х и начале 1970-х годов суперсимметрия обещала много благодаря своей математической красоте и способности объяснить слабость гравитации по сравнению с другими фундаментальными силами, а также разрешить загадки темной материи.
Несмотря на то, что суперсимметрия выглядит многообещающей теорией, которая могла бы объединить все фундаментальные силы Вселенной, ученые-частицоведы до сих пор не обнаружили прямых доказательств ее существования после десятилетий экспериментов. Многие поколения физиков-частиц работали над этой теорией, и многие надеялись наконец увидеть следы суперсимметричных частиц.
Изображение предоставлено: Yuen Yiu
Прежде чем LHC заработал, большинство наших специалистов, возможно, 90%, были уверены в обнаружении новой физики, — заявил Найджел Локьер, руководитель Национальной ускорительной лаборатории Ферми под Чикаго. — У меня был друг, который утверждал, что новая физика будет найдена через три недели.
Первоначальный оптимизм не оправдался.
Это замечательное время, поскольку для экспериментатора нет лучшего момента, чем когда у теоретиков закончатся идеи. Ведь тогда всё, что мы открываем, оказывается новым. Такое мнение высказал Дэвид Ньюболд, руководивший программой физики элементарных частиц в Лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании и возглавляющий в настоящее время модернизацию одного из основных детекторов на LHC.
Сейчас невозможно с точностью определить количество энергии, необходимое для открытия новых частиц, если таковые имеются. Следующий коллайдер может и не обнаружить их.
С момента предложения как европейских, так и китайских планов по созданию нового суперколлайдера критика поступает от тех, кто сомневается в ценности проектов. Сторонники утверждают, что неопределенность выигрыша присуща процессу исследования неизвестного. Эти усилия вознаграждаются независимо от того, дают ли они захватывающие новые частицы, поскольку всё равно сможем улучшить наше понимание Вселенной, исключив теории, которые не соответствуют новым данным.
«Возможность исключать теоретические сценарии и перенаправлять мысли так же важна, как и делать новые открытия», — сказал Джанотти. «Например, посмотрите на спутники WMAP и Планка: они не обнаружили ничего нового, но произвели очень точные измерения нашей вселенной, которые революционизировали наше понимание космоса. Мы должны быть осторожны, чтобы не думать, что успех в науке — это просто открытия».
Физики осознают свою неспособность постигнуть итоги без инструментов и экспериментов, в то время как стоимость подобных исследований в экономике остается предметом дискуссии. Какова цена, которую мы готовы заплатить за более глубокое понимание Вселенной?
Чэнь-Нин Ян, лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц, привлек к дискуссии общественное внимание в Китае в 2016 году. В популярном блоге он подверг критике поиски признаков суперсимметрии с помощью нового суперколлайдера как «догадку поверх догадки». Также выразил обеспокоенность, что проект может негативно сказаться на финансировании других научных областей, особенно тех, которым требуются срочные решения, например, в сфере охраны окружающей среды, образования и здравоохранения.
Ян назвал отмененный Сверхпроводящий Суперколлайдер в США «болезненным опытом», ставшем «бездонной пропастью» расточительного финансирования. Первоначально предложенный за 4,4 млрд долларов США в 1987 году, стоимость коллайдера быстро возросла до 12 млрд долларов США и была отменена в 1993 году после расходования 2 млрд долларов. По мнению Яна, этот инструмент мог бы помочь науке обнаружить бозон Хиггса много лет назад.
Философ науки и политики из Бостонского университета Тян Юй Цао негативно оценивает перспективы китайского кругового электронного позитронного коллайдера, или CEPC. По его мнению, отсутствие упоминания CEPC среди 10 ведущих проектов в последнем пятилетнем плане Китая, опубликованном в 2016 году, свидетельствует об этом.
«Цао сказал: «Определенно колебания есть. Колебания есть из-за возражений со стороны людей из всех областей физики. Как им получить столько денег для этого проекта, когда есть множество других проектов, нуждающихся в финансировании?»
Европейский партнер проекта CEPC и FCC столкнулся с несогласием. В начале года теоретический физик Сабина Хоссенфельдер опубликовали статью в газете «Нью-Йорк таймс», где выразила возражения. Я всё ещё считаю столкновение частиц наиболее перспективным методом для выяснения состава материи и сил её скрепления. Сто десять миллиардов долларов – сумма внушительная. Мне неизвестно, оправдана ли такая цена. «.
Два проекта пока остаются в стадии исследований и разработки, однако по расписанию строительства, назначенному на следующее десятилетие, им, возможно, уделят больше внимания, поскольку приверженцы стремятся получить финансирование.
В настоящий момент у нас пять лет для обоснования исследования, а затем, возможно, ещё пять лет или около того на детальное инженерное проектирование. После этого мы будем работать в темпе, который ограничен финансированием. Вероятно, это займёт не менее двадцати лет, а может быть и дольше.
В прошлом году FCC и CEPC представили отчеты о концептуальном дизайне, каждый из которых насчитывает сотни страниц и написан более чем тысячами ученых и инженеров. Проекты стремятся к схожим научным целям, поэтому успех одного может быть превосходством над другим. Пока оба проекта находятся в начале долгой гонки в неопределенности.