Предоставлено: CERN
Атомный ускоритель следующего поколения будет стоить миллиарды долларов. Европа и Китай планируют построить один, но ученые обсуждают, стоит ли это делать.
В 2012 году физики элементарных частиц впервые обнаружили долгожданный бозон Хиггса. Эта частица была последней недостающей частью головоломки того, что физики называют Стандартной моделью — наиболее тщательно проверенным набором физических законов, управляющих нашей Вселенной. Открытие Хиггса стало возможным благодаря гигантской машине в Европе, известной как Большой адронный коллайдер, который использует 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов для ускорения, а затем сбивает частицы вместе со скоростью, близкой к скорости света.
Но Стандартная модель — это еще не все и не конец всей физики. Она не дает объяснений таким загадкам, как существование темной материи или темной энергии, или почему гравитация так отличается от других фундаментальных сил.
Подобно неисследованным территориям, которые средневековые картографы заполняли фантастическими животными, границы физики были заполнены множеством гипотез о том, что может скрываться во тьме. И в науке единственный способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы — собрать больше данных — данных с лучших телескопов и микроскопов и, возможно, совершенно нового, еще большего суперколлайдера.
В 2012 году Институт физики высоких энергий Академии наук Китая объявил о планах по созданию следующего суперколлайдера. Планируемый Круговой Электронный Позитронный Коллайдер будет окружностью 100 километров, почти в четыре раза больше, чем Большой Адронный Коллайдер, или LHC. Затем в 2013 году оператор LHC, известный как CERN, также объявил о своем плане для нового коллайдера, названного просто Future Circular Collider.
Однако цена исследования неизведанного зачастую обходится недешево. По крайней мере с десятизначным ценником ученые и инженеры обсуждают, будет ли это предприятие стоить инвестиций.
Хотя обнаружение бозона Хиггса ознаменовало завершение Стандартной модели в некотором смысле, предстоит еще много работы.
«Мы все еще не понимаем массы бозона Хиггса. Мы не понимаем семейной проблемы, как и почему существует три семейства частиц”,-сказала генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти. «Итак, изучение бозона Хиггса с максимально возможной точностью является обязательным, и будущий коллайдер сделает это.”
Когда частицы врезаются друг в друга со скоростью, близкой к скорости света внутри суперколлайдера, часть их объединенной кинетической энергии превращается в массу, создавая новые частицы, такие как Хиггс. Однако LHC может генерировать только один бозон Хиггса на каждый миллиард столкновений, поэтому даже при способности производить сотни миллионов столкновений каждую секунду, LHC все еще требуется несколько лет, чтобы произвести достаточно данных, чтобы сигнал Хиггса поднялся над фоновым шумом. Более мощный коллайдер может увеличить скорость производства и позволить ученым лучше изучать бозон Хиггса.
Чтобы лучше понять, почему так много энергии требуется для создания большего количества частиц, представьте себе игру в боулинг с миллионами кеглей в дорожке, некоторые легкие и некоторые тяжелые. Легких штифтов намного больше, чем тяжелых — например, 1 миллион унций на каждый 1-тонный штифт. Теперь, чтобы «создать» тяжелую частицу, такую как Хиггс, которая похожа на сбивание тяжелой булавки, вам нужно бросить шар для боулинга достаточно сильно, чтобы не просто сбить тяжелую булавку, но и пробить миллионы меньших булавок по пути.
Энергия, необходимая для создания частиц, таких как бозон Хиггса, измеряется в так называемых гигаэлектронвольтах, или ГэВ. LHC может генерировать столкновения с энергией 13000 ГэВ — более чем в сто раз эквивалентно массово-энергетической эквивалентности 125 ГэВ бозона Хиггса. Он может производить только один бозон Хиггса на каждые 10 миллиардов столкновений, благодаря всей энергии, затраченной на все более легкие частицы.
Могут быть даже более тяжелые частицы, которые находятся за пределами технических возможностей LHC для производства, или LHC может генерировать их с такой низкой скоростью, что статистически невозможно их обнаружить. Другими словами, если мы хотим опрокинуть более «тяжелые булавки», нам понадобится больше «мускулов».
“Мы находимся в ситуации, когда стандартная модель не может объяснить различные явления”, — сказал Джанотти. “Есть много других теорий, но мы понятия не имеем, какая из них правильная. И поэтому, сделав шаг вперед в плане энергетической шкалы … можно перенаправить наши мысли.”
Одна из ведущих теорий за пределами Стандартной модели известна как суперсимметрия. На первый взгляд кажущаяся абстрактной, основная концепция суперсимметрии на самом деле довольно проста. Суперсимметрия предсказывает, что для каждой из 17 фундаментальных частиц в Стандартной модели существует гипотетическая партнерская частица “симметрия” — и каждая из этих гипотетических частиц будет тяжелее, чем их соответствующий, уже обнаруженный партнер «супер».
Впервые введенная в конце 1960-х и начале 1970-х годов, суперсимметрия выглядела многообещающе благодаря своей математической элегантности и способности объяснить, почему гравитация оказывается намного слабее, чем другие фундаментальные силы, и разрешить другие загадки, такие как темная материя.
Однако, как бы многообещающе ни выглядела суперсимметрия в качестве теории, которая могла бы помочь объединить все фундаментальные силы во Вселенной, ученые-частицоведы до сих пор не увидели никаких прямых доказательств, подтверждающих ее после десятилетий экспериментов. Многие поколения физиков-частицоведов работали над этой теорией, и многие думали, что они, наконец, увидят следы суперсимметричных частиц.
Изображение предоставлено: Yuen Yiu
«Подавляющее большинство наших специалистов, прежде чем LHC включился, возможно, 90% из нас, были уверены, что появится эта новая физика”, — сказал Найджел Локьер, который руководит Национальной ускорительной лабораторией Ферми под Чикаго. «У меня был друг, который сказал, что ты найдешь его через три недели”.
Однако первоначальные оптимистические ожидания были разбиты вдребезги.
“Это прекрасное время, вы знаете, потому что лучшее время для экспериментатора-это когда у теоретиков закончились идеи. Потому что тогда все, что мы открываем, является новым”, — сказал Дэвид Ньюболд, который руководит программой физики элементарных частиц в Лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании и в настоящее время возглавляет усилия по модернизации одного из основных детекторов на LHC.
Прямо сейчас никто не может точно сказать, сколько энергии нам понадобится, чтобы найти следующие новые частицы — если они есть. Вполне возможно, что следующий коллайдер может вообще их не увидеть.
С момента их предложения, как европейские, так и китайские планы по созданию нового суперколлайдера вызвали критику со стороны тех, кто сомневается, что проекты докажут свою ценность. Их сторонники, между тем, утверждают, что неопределенность выигрыша присуща процессу исследования неизвестного. Эти усилия вознаграждаются независимо от того, дают ли они захватывающие новые частицы, поскольку мы все равно сможем улучшить наше понимание Вселенной, исключив теории, которые не соответствуют новым данным.
“Возможность исключать теоретические сценарии и перенаправлять наши мысли так же важна, как и делать новые открытия”, — сказал Джанотти. “Например, посмотрите на спутники WMAP и Планка — они ничего не обнаружили, но они сделали очень точные измерения нашей вселенной, которые произвели революцию в нашем понимании космоса. Мы должны быть осторожны, чтобы не думать, что успех в науке-это просто открытия.”
В то время как физики знают, что они не могут знать результаты без создания инструментов и проведения эксперимента, экономика такого исследования более открыта для обсуждения. Какую цену мы готовы заплатить за лучшее понимание нашей вселенной?
Чэнь-Нин Ян, Нобелевский лауреат по физике элементарных частиц, довел дебаты до общественного внимания в Китае в 2016 году. В широко распространенном блоге он критиковал поиски признаков суперсимметрии с помощью нового суперколлайдера как «догадку поверх догадки». Он также выразил обеспокоенность тем, что проект окажет негативное влияние на финансирование других научных областей, особенно тех, которые “нуждаются в срочных решениях, таких как окружающая среда, образование и здравоохранение.”
Ян указал на отмененный Сверхпроводящий Суперколлайдер в США как «болезненный опыт», который стал «бездонной пропастью» расточительного финансирования. Первоначально предложенный с ценой в 4,4 млрд. долл. США в 1987 году, оценочная стоимость этого коллайдера быстро возросла до 12 млрд. долл США, а затем была отменена в 1993 году после того, как 2 млрд долл США уже были потрачены. Оглядываясь назад, этот инструмент мог бы помочь научному сообществу обнаружить бозон Хиггса много лет назад.
Тян Юй Цао, философ науки и политики из Бостонского университета, пессимистично смотрит в будущее китайского кругового электронного позитронного коллайдера, или CEPC. Он указал на последний пятилетний план Китая, опубликованный в 2016 году, в котором CEPC не упоминается среди 10 ведущих проектов, объявленных в отчете.
“Они определенно колеблются”, — сказал Цао. “Они колеблются, потому что есть возражения от людей из всех отраслей физики. Как они могут получить столько денег для этого проекта, когда есть так много других проектов, которые нуждаются в финансировании?”
Европейский партнер CEPC, FCC, также получил несколько противоположных голосов. Ранее в этом году физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер опубликовала в газете «Нью-Йорк таймс» статью, в которой она написала: «Я по-прежнему считаю, что столкновение частиц друг с другом является наиболее перспективным путем к пониманию того, из чего состоит материя и как она удерживается вместе. Но 10 миллиардов долларов — это дорогой ценник. И я не уверена, что оно того стоит«.
Оба проекта в настоящее время все еще находятся в стадии исследований и разработок, но с графиком строительства, который планируется начать в следующем десятилетии, проекты, вероятно, привлекут больше внимания, так как их сторонники пытаются обеспечить финансирование.
«На данный момент у нас есть пять лет для обоснования исследования, а затем, вероятно, еще пять лет или около того для детального инженерного проектирования. Тогда мы бы действовали в любом темпе, который был бы ограничен деньгами”, — сказал Ньюболд. «Это, вероятно, будет как минимум через 20 лет, а может быть и дольше.»
Команды FCC и CEPC опубликовали свои отчеты о концептуальном дизайне в прошлом году, каждая из которых насчитывает сотни страниц и написана более чем тысячами ученых и инженеров. На первый взгляд, оба проекта нацелены на достижение сходных научных целей, поэтому успех одного может превзойти другой. Пока эти два проекта находятся в начале долгой гонки в неизвестность.