К настоящему моменту физика элементарных частиц проникла так глубоко в тайны мироздания, что для ее дальнейшего развития необходимо проведение колоссальных по масштабу экспериментов. Это требует строительства огромных сооружений – ускорителей частиц, чьи размеры растут вместе с потребностями ученых в новых данных. Чтобы удовлетворить эти потребности, требуются миллиарды долларов и годы работы лучших специалистов в своих областях. Давайте посмотрим, какие проекты коллайдеров будущего существуют уже сейчас.

Эксперименты сегодня

Знаменитый Большой адронный коллайдер является самой внушительной экспериментальной установкой, когда-либо созданной человеком. На этом огромном 27-километровом ускорителе уже были сделаны несколько важнейших открытий – про знаменитый бозон Хиггса слышали все.

Однако самое интересное для физиков, работающих на Большом адронном коллайдере, начинается лишь сейчас, когда ускоритель начинает работать на своей проектной мощности в 13–14 ТэВ. Предполагается, что столкновения частиц с такой энергией способны приоткрыть перед учеными дверь в новую физику за пределами Стандартной модели.

Некоторые предпосылки к этому уже есть – на коллайдере уже были зарегистрированы несколько интересных с точки зрения поисков новой физики событий. Но из-за недостатка данных их значимость пока еще далека от научного открытия. В любом случае энтузиазму исследователей нет предела – при любом развитии событий физикам захочется заглянуть в тайны мироздания еще глубже. Сделать это можно лишь одним способом – с помощью строительства еще более мощного и грандиозного ускорителя, чем БАК.

Большой адронный коллайдер высокой светимости

Хотя БАК в 2015 году наконец достиг своей расчетной энергии, максимум своих возможностей он еще не показал. В жизни ускорителя запланирована еще как минимум одна масштабная модернизация, которая начнется в 2018 году. Энергию ускорителя увеличивать уже не будут, зато примерно в 5 раз увеличат его светимость. Это означает, что БАК сможет регистрировать примерно в 5 раз больше событий за заданный промежуток времени, чем сегодня. Другими словами, то количество данных, которые БАК сейчас собирает за год, после модернизации он сможет собрать за два с половиной месяца.

Однако к тому времени, когда БАК заработает на полную катушку, физики уже планируют определиться с планами строительства следующего коллайдера, который должен прийти на смену БАКу. Планы эти во многом зависят от того, что ученым удастся открыть с помощью экспериментов на БАКе и удастся ли им хотя бы определить направление, в котором стоит двигаться в поисках физики за пределами Стандартной модели.

Адронные и лептонные ускорители

Существует два основных варианта того, каким будет новый коллайдер – адронным или лептонным. Первый вариант означает, что в коллайдере будут происходить столкновения адронов (частиц, участвующих в сильном взаимодействии), а конкретнее – протонов. Каждый протон состоит из трех кварков, и такие столкновения примечательны тем, что в них рождается колоссальный рой различных частиц. Они удобны в том случае, когда нужно найти что-то новое – неизвестную доселе частицу. Однако у этого преимущества есть и обратная сторона – такие события сопровождаются огромным фоном. Происходит рождение настолько большого количества частиц, что выделить из всех именно то, которое необходимо физикам, становится трудной задачей. Для этого приходится повторять одно и то же столкновение огромное количество раз, собирая данные.

У лептонных ускорителей дела обстоят наоборот. В них происходят столкновения электронов и позитронов, которые (как и все лептоны) не участвуют в сильном взаимодействии. В отличие от протонов, электроны и позитроны являются элементарными частицами – они не имеют внутренней структуры и являются окончательными кирпичиками материи. Результаты их столкновений гораздо проще предсказать, поэтому и фон в подобных экспериментах намного меньше. В таких экспериментах не получится искать новую физику, зато проще исследовать уже открытые частицы, к примеру – бозон Хиггса.

Существует и третий возможный вариант – строительство ускорителя по столкновению адронов с лептонами. Но по ряду причин многие исследователи считают этот вариант наименее удачным. Определиться с будущим экспериментальной физики ученые планируют в 2018 году, когда будет понятно, на какой из путей ученых толкают результаты экспериментов на БАКе. Пока же существуют несколько возможных проектов коллайдера будущего, претендующих на реализацию.

Линейный электрон-позитронный коллайдер

Несколько лет назад в физическом сообществе активно обсуждалась идея строительства линейного электрон-позитронного ускорителя, причем в качестве возможного места его расположения называлась в том числе и подмосковная Дубна. Кроме этого, рассматривались еще два варианта: ЦЕРН, находящийся на границе Франции и Швейцарии, и Япония, которую в итоге и выбрали эксперты.

В 2013 году была представлена проектная документация линейного коллайдера, которая предполагает строительство сооружения длиной в 31 километр с возможностью дальнейшего увеличения до 50 км. Строительство планировалось завершить в середине 2020-х годов, однако сегодня у лоббистов проекта уверенности в этом уже нет, так как многие ученые склоняются к варианту строительства кольцевого электронно-позитронного ускорителя вместо линейного.

Кольцевой электрон-позитронный коллайдер

Одним из наиболее вероятных мест для расположения такого ускорителя является, как ни странно, туннель БАКа. Дело в том, что ранее на его месте уже находился электрон-позитронный ускоритель – он назывался LEP, и именно в его туннеле был построен адронный коллайдер. Вполне возможно, что после того, как БАК закончит свою миссию, он переживет очередное перерождение и снова начнет сталкивать электроны и позитроны.

Тем не менее у кольцевых электрон-позитронных ускорителей есть один существенный недостаток. Вращаясь по кругу, электрон теряет энергию, причем чем больше его энергия и меньше радиус орбиты, тем больше он ее теряет. Чтобы компенсировать эти потери приходится значительно увеличивать размер кольца и наращивать мощность ускорителя. С протонами в этом плане проще – на адронных коллайдерах уже при сегодняшних технологиях можно рассчитывать на достижение энергии в 100 ТэВ, что в 7 раз больше нынешней энергии БАКа.

Кольцевой адронный коллайдер

Итак, мы подобрались к мысли о том, что наиболее вероятным преемником БАКа станет его старший брат – кольцевой адронный ускоритель. Главным его отличием станет небывалая для науки энергия столкновений – до 100 ТэВ.

Такой энергии может быть достаточно, чтобы непосредственно наблюдать проявления физики за пределами Стандартной модели в виде рождения невиданных доселе тяжелых частиц. Такие частицы обычно предсказываются в рамках теорий, предполагающих существование у природы такого свойства, как суперсимметрия. Десять-двадцать лет назад физики рассчитывали, что первые признаки суперсимметрии можно будет увидеть уже в экспериментах на БАКе с энергией в несколько ТэВ. Но пока эти ожидания не сбылись. Именно поэтому физики вновь заговорили о необходимости радикального повышения мощности ускорителей. Правда, никаких гарантий, что новая физика "всплывет" и на этих энергиях, кроме чисто умозрительных, никто дать не может – приходится надеяться на интуицию ученых.

Наиболее вероятным местом для строительства нового коллайдера выступает все тот же ЦЕРН. Правда, новый коллайдер потребует значительного увеличения размеров установки. Предполагается, что рекордное 100-километровое кольцо будет захватывать значительную часть территории Франции, обогнет гору Салев и полностью окружит Женеву.

Некоторые авторитетные американские физики, традиционно конкурирующие с европейскими, предлагают построить коллайдер в Китае. У данного варианта есть два больших плюса, которые в итоге могут сыграть свою роль: это предполагаемая меньшая стоимость строительства и желание китайских властей всячески способствовать данному проекту. Нельзя сбрасывать со счетов и саму Америку – в последнее время правительство США сокращало финансирование масштабных научных проектов в связи с кризисом, однако сегодня финансовые дела в США обстоят значительно лучше, чем в Европе. Если через три года ситуация не изменится, с большой вероятностью инициатива будет уже на стороне американцев, ведь без финансирования никакой коллайдер сегодня не построишь.

По самым скромным подсчетам, на строительство такого сооружения уйдет не менее 10 миллиардов долларов, а скорее всего, сумма будет в несколько раз больше. Точная стоимость будет рассчитана лишь к 2018 году, когда будет готова проектная документация. Примерные сроки окончания строительства пока неизвестны, но скорее всего, это произойдет уже в 2030-х годах – к тому времени закончит свою работу БАК, и новый ускоритель будет уже совершенно необходим.