Мегапроекти людства Надвеликий адронний колайдер та кварковий фонтан

Наталія Кієня

Надвеликий адронний колайдер може стати однією з найбільших і найскладніших споруд, які ми колись будували. Щоб втілити в життя ідею його створення, фахівцям доведеться розробити надпровідні магніти, здатні створювати сильніші поля, ніж магніти Великого адронного колайдера. Їхня потужність повинна становити близько 20 тесла — замість 14 тесла в ВАК: тобто магнітна індукція в надвеликому адронному колайдері буде вдвічі вищою, ніж у сонячних плямах. Щоб досягти таких показників, будуть потрібні нові матеріали: наприклад, пластини з ніобію — вкритого оксидною плівкою сріблясто-білого металу, який сьогодні видобувається лише в Бразилії та Канаді. Ніобієві магніти сьогодні вважаються головними претендентами на роль джерел магнітної індукції в надвеликому адронному колайдері, проте вони дуже дорогі. Крім того, їх температура постійно повинна бути нижчою від -255 °C.

При цьому фахівці попереджають, що гігантський колайдер буде лише одним кроком на шляху розуміння загадок фізики елементарних частинок. Відкриття бозона Хіггса підтвердило теорію про те, що деякі частинки мають масу через те, що взаємодіють із всюдисущим, схожим на патоку або пухким снігом полем Хіггса. Але чому ж маса «частки Бога» така велика? Одне з пояснень дає теорія суперсиметрії, яка говорить про те, що існуючі частинки мають пари, більш важкі шматочки матерії. І все ж, експерименти в ВАК досі не принесли нам жодних доказів цієї теорії. Можливо, як і було передбачено фізиками-теоретиками, маси «частинок-близнюків» настільки великі, що їх неможливо виявити у Великому адронному колайдері.У такому разі для пошуку нам і справді потрібна гігантська установка. Поки що вченим залишається лише сподіватися, що підвищення потужності ВАК дозволить у найближчі 10 років знайти підтвердження існування суперсиметрії та зрозуміти, що саме буде потрібно від надвеликого адронного колайдера.

Майкл Пєскін

Плани з будівництва надвеликої установки — лише один із елементів концепції еволюції прискорювачів частинок у найближчі 10 років. У 2015 році потужність Великого адронного коллайдера має досягти 13 ТеВ, а у 2022-23 роках він увійде у фазу високої світності. Крім того, існує проект Міжнародного лінійного колайдера - електронно-позитронної установки для більш ретельного дослідження бозона Хіггса та справжніх кварків. Її будівництво в Японії саме обговорюється зараз. Експерименти планується розпочати наприкінці 2020-х років.

Надвеликий адронний колайдер — це лише образ. Окресливши його в нашій доповіді, ми хотіли підштовхнути інших фахівців до створення науково-дослідних робіт, щоб протягом найближчого десятиліття хтось висунув конкретні пропозиції. Вартість колайдера потрібно багаторазово зменшити. Для цього потрібно розробити магніти нового покоління. Я очікую, що будівництво установки розпочнеться наприкінці 2020-х років, а перші експерименти можна буде провести у 2040-х.

Як і ВАК, надвеликий адронний колайдер буде загальносвітовим проектом. Ймовірно, для його будівництва буде потрібний більш збалансований з погляду розподілу зобов'язань між регіонами підхід до фінансування проекту. Найважливішим гравцем стане Китай. Україна, сподіваюся, теж виявиться більшою залученою до процесу реалізації завдання. Адже людству потрібен лише один надвеликий колайдер. Місце для будівництва установки покине вибрано. Це залежить від того, які країни виявлять інтерес до проекту. ЦЕРН, очевидно, буде потрібний інший масштабний проект після закриття ВАК, і тому саме ЦЕРН має стати головною фігурою в тому, що стосується реалізації цього задуму. У реалізації нашого задуму зацікавлена Національна прискорювальна лабораторія ім. Енріко Фермі, проте на сьогоднішній день американська влада досить негативно ставиться до перспективи будівництва установки вартістю 10 мільярдів доларів. Але ставлення уряду може змінитися, якщо вченим вдасться зробити нові відкриття БАК.

Великий адронний колайдер був збудований для пошуків бозона Хіггса. Після того, як ми його знайшли, стандартну модель фізики елементарних частинок можна вважати завершеною. Сьогодні не існує інших частинок, щодо яких ми мали б якусь теорію або передбачення того, де їх знайти. Тим не менш у фундаментальній фізиці є безліч феноменів, які стандартна модель не може пояснити. Наприклад, у ній немає частки темної матерії Всесвіту. Модель не пояснює, чому кварки та лептони мають настільки різну масу, а справжній кварк у 1000 разів важчий за «верхній» кварок. Ми знаємо, що поле, пов'язане з бозоном Хіггса, у будь-якій точці Всесвіту має відмінне від нуля значення, і що це і є причиною зростання мас всіх інших частинок. Але ми не знаємо, чому поле Хіггса так дивно поводиться, і Стандартна модель не може дати нам ключ до цієї загадки.

Теоретичні моделі незрозумілих нам ефектів дії поля спираються на припущення, що у світі існують частинки в 10 і навіть у 30 разів важчі за W-бозон або справжній кварок. Сьогодні існує безліч таких моделей, і в кожній ключовій ролі грають різні нові частинки. Багато схем припускаютьфундаментальні зміни у структурі простору-часу, коли першому плані виходять поняття суперсиметрії, суперструн і нових вимірів. У мене немає жодних сумнівів у тому, що є маса важливих та захоплюючих відкриттів, які ми можемо зробити в колайдері вищої потужності. Найближчим часом ми кинемо всі сили на пошук нових частинок у Великому адронному колайдері. Я вірю, що відкриття, які він дозволить зробити, вкажуть нам шлях уперед.