Будущее Международного линейного коллайдера решалась день назад экспертами ведущих лабораторий на протяжении проводимой через интернет видеоконференции. Проект был представлен исследователями из Токио, Женевы и Чикаго. На его разработку было израсходовано более десяти лет. Итоговый пятитомный доклад содержит замыслы по применению нового ускорителя для изучения лептонов первого поколения и проверке положений современных теорий из области физики элементарных частиц. Одной из основных задач указывается постановка опытов, проливающих свет на природу чёрной материи.
Сейчас Большой адронный коллайдер считается самым большим ускорителем элементарных частиц. С его помощью был обнаружен бозон Хиггса и выяснена его масса, подтверждено существование топ-кварка и сделан целый ряд других открытий. Но его возможности не бесконечны, а Стандартная модель – вовсе не предел в развитии отечественных представлений о особенностях элементарных частиц. Дабы двигаться дальше, требуются новые ускорители – не столько более замечательные, сколько принципиально другие.
Над проектом ILC (International Linear Collider) уже трудятся более тысячи учёных и инженеров из более чем ста лабораторий и университетов двух десятков государств. В отличие от кольцевой архитектуры БАК, компоненты нового ускорителя будут размещены в прямом тоннеле длиной тридцать один километр. Но позитронов и столкновения электронов будут происходить не просто на встречных направлениях. В ILC используется достаточно сложная и совершенно верно вычисленная форма трека чтобы получить дистанцию пробега частиц, превышающей длину коллайдера. Это разрешает достигнуть более высоких энергий и снизить утраты на синхротронное излучение при сохранении довольно компактных размеров.
Схема Международного линейного коллайдера (изображение: ILC GDE)
В БАК ускорялись тяжёлые заряженные частицы – протоны. Любой протон складывается из трёх вторых фундаментальных частиц – кварков. При простых условиях три кварка (uud) удерживаются совместно за счёт сильного ядерного сотрудничества и ведут себя как одна элементарная частица с хорошим зарядом. При столкновении протонов между собой и с ионами металлов на скоростях, родных к световым, кварки высвобождаются и порождают новые частицы.
Подбирая условия опытов, предпринимались попытки зарегистрировать появление теоретически предсказанных ранее частиц и измерить их энергию-массу. Так был открыт и бозон Хиггса – квант поля с нулевым поясницей, нужный для понимания природы массы. Его существование постулировал Питер Хиггс ещё в первой половине 60-ых годов двадцатого века, но подтвердить это предположение удалось только спустя сорок восемь лет, применяя самый идеальный на сегодня ускоритель элементарных частиц.
Кроме наблюдения за результатами столкновения адронов, для развития Стандартной модели и выхода за её пределы требуется проведение опытов с другими фундаментальными частицами – лептонами. Они не участвуют в сильном сотрудничестве, и их яркое изучение посредством БАК нереально.
В соответствии с последним данным проекта WMAP, часть “простого” (адронного, а правильнее – барионного) вещества во Вселенной образовывает не более 4,6 процента. Намного большая часть представлена чем-то вторым, взявшим рабочие заглавия “чёрная материя” (24 процента) и “чёрная энергия” (71,4 процента).
Эволюция Вселенной в рамках теории громадного взрыва (linearcollider.org)
на данный момент мы неспешно приближаемся к пониманию того, что такое “чёрная материя”, способом исключения. Последовательно предлагаются разные кандидаты на роль этого таинственного вещества, не взаимодействующего с электромагнитным излучением, но проявляющего выраженные гравитационные эффекты. Сейчас главными кандидатами на роль чёрной материи видятся тяжёлые (стерильные) нейтрино, легкие суперсимметричные и нейтральные псевдоскалярные частицы.
Дабы подтвердить либо опровергнуть каждое такое предположение, требуется создать методику экспериментальной проверки и реализовать очень своеобразные условия для регистрации результата. Именно это и будет происходить в тоннеле ILC.
Модель для тестирования ускорителя линейного коллайдера (фото: ilc-higrade.eu)
По аналогии с БАК, строящийся ускоритель возможно было бы назвать «Громадным лептонным коллайдером», так как в нём будут взаимодействовать лептоны первого поколения: их античастицы и электроны – позитроны. В отличие от протонов, они (По сведеньям, которыми мы сейчас рассполагаем,) не имеют внутреннего состава. Другими словами результаты их столкновения должны быть менее вариабельными и более однозначными в интерпретации. Одной из главных задач ILC на начальной стадии будет уточнение результатов, взятых на БАК.
В тоннеля будет поддерживаться температура вблизи безотносительного нуля. В ILC будет установлен фотокатод, испускающий электроны под действием импульсов лазера длительностью 2 нс. Расчётным способом установлено, что на первичном этапе электроны будут достигать энергии 5 ГэВ. Их предстоящее ускорение будет выполняться за счёт сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, трудящихся на частоте 1,3 ГГц.
Любой пучок диаметром в доли миллиметра будет содержать около 20 млрд. позитронов и электронов. Высокая концентрация частиц разрешит достигнуть числа столкновений около семи тысяч в секунду. Их полная энергия оценивается величиной порядка 500 ГэВ. В замыслах развития проекта ILC указывается возможность предстоящего повышения этого показателя в два раза.
Для сравнения: самый большой из действующих линейных ускорителей сейчас находится в Стэнфорде и характеризуется достаточно скромным показателем в 50 ГэВ.
Стэнфордский центр линейного ускорителя (изображение: cnx.org) Стэнфордский центр линейного ускорителя – неспециализированный вид (фото: flickr.com)
Предполагается, что для фиксации результатов каждого опыта на ILC потребуется массив накопителей большей ёмкости, чем применяемый сейчас в CERN. Неспециализированная совокупность первичных разрешённых может превысить петабайт уже в первоначальный год применения линейного коллайдера.
Второй ответственной задачей ILC будет установление более чётких границ суперсимметричного расширения Стандартной модели. Последние опыты на БАК, зарегистрировавшие распад необычного B-мезона на мюон и атимюон, уже разрешили уточнить их в первом приближении.
Цена ILC превышает 8 млрд. долларов. Половину данной суммы готово дать правительство Японии, на территории которой и намечается строительство ускорителя.
Фрагмент линии компактного линейного ускорителя CLIC (фото: cds.cern.ch)
Кроме ILC той же группой параллельно ведётся работа над вторым проектом компактного линейного ускорителя – CLIC. Возглавляет работу над ними занимаюший ранее пост руководителя проекта БАК Лин Эванс (Lyn Evans). Младший брат ILC разрешит более действенно распределить задачи и проверить результаты, делая часть намеченных изучений.