Большой адронный коллайдер (БАК) прекратит работу в июне этого года на срок около пяти лет. Закрытие связано с модернизацией ускорителя частиц, которая позволит увеличить количество экспериментов в десять раз.
Подземный ускоритель частиц представляет собой кольцевой туннель протяженностью 27 километров на границе Швейцарии и Франции. БАК воспроизводит экстремальные условия космоса, существовавшие сразу после Большого взрыва, разгоняя частицы практически до скорости света. При таких условиях физика начинает проявлять крайне необычные свойства. В 2012 году ученые использовали коллайдер для открытия бозона Хиггса – элементарной частицы, которая через квантовые свойства отвечает за массу всех остальных частиц.
Инженеры начнут модернизацию в июне. Проект получил название high-luminosity LHC и займет примерно пять лет. Обновленная установка сможет проводить в десять раз больше столкновений частиц, что даст ученым значительно больше экспериментальных данных.
Марк Томсон, новый директор CERN – межправительственной организации, управляющей ускорителем частиц, отметил, что простой не означает остановку научной работы. У ученых будет достаточно материала для анализа в течение всего периода апгрейда.
Томсон вступил в должность в Новый год, и БАК будет отключен почти весь срок его руководства. CERN ожидает, что high-luminosity LHC заработает только к середине 2030 года.
CERN также планирует преемника БАК. Главный кандидат – Future Circular Collider (FCC), который с окружностью в 90 километров сделает Большой адронный коллайдер миниатюрным по сравнению с собой. Первая стадия FCC предназначена для столкновений электронов и позитронов – античастиц электронов. Строительство запланировано на конец 2040-х годов, а вторая стадия с протонным ускорением появится в 2070-х.
Судьба FCC остается неопределенной. Расчетная стоимость почти в $19 миллиардов слишком велика для CERN, чтобы оплатить проект самостоятельно. Кроме того, в научном сообществе идут дискуссии о том, насколько огромные ускорители частиц остаются оптимальным способом исследования фундаментальных вопросов науки, таких как природа темной материи и темной энергии.
Иронично, что 19 миллиардов – это капля в море по сравнению с тем, сколько денег улетает на гонку ИИ, при том, что технология пока не приносит прибыли.
Европейская организация по ядерным исследованиям озвучила планы о строительстве адронного коллайдера нового поколения, который будет в три раза больше нынешнего ускорителя заряженных частиц и в семь раз мощнее. Правда, в научном сообществе этот проект восприняли скептически.
В 2008 году на границе Франции и Швейцарии Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) запустила самую крупную единую экспериментальную установку в мире — Большой адронный коллайдер (БАК). Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов, а также изучения продуктов их соударений. Ученые сталкивают протоны и другие субатомные частицы со скоростью, близкой к скорости света, чтобы воссоздать условия, существовавшие спустя доли секунды после Большого взрыва.
Разгон и столкновение частиц происходят внутри 27-километрового кольцевого туннеля, который расположен под землей, на глубине 100 метров.
В 2012 году на Большом адронном коллайдере физики сделали значимое открытие — обнаружили бозон Хиггса, неделимую частицу, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц. Ее существование 60 лет назад предсказал британский физик Питер Хиггс.
Вместе с другими учеными Хиггс предположил, что в природе должно существовать особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже это поле назвали в честь Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Узнать, как работает этот процесс, можно, только измерив свойства хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле невозможно. Открытие неделимой частицы и понимание ее свойств стало важнейшей задачей для многих исследователей.
Однако с момента обнаружения бозона физики, работающие с Большим адронным коллайдером, зашли в тупик. За 14 лет исследований никаких значимых научных результатов ученые не добились. Тайны Вселенной, для раскрытия которых строилась установка, — природа темной материи и темной энергии, антигравитация, дополнительные измерения — так и остались неразгаданными.
В 2019 году ЦЕРН задумала строительство нового ускорителя частиц под названием «Будущий кольцевой коллайдер» (Future Circular Collider).
Установку стоимостью в 20 миллиардов евро собираются построить под землей, на глубине почти 200 метров, между Предальпами и горным массивом Юра на границе северо-запада Швейцарии и востока Франции. Новый коллайдер будет представлять собой 91-километровый кольцевой туннель, внутри которого ученые смогут сталкивать протоны с суммарной энергией 100 тераэлектронвольт. Сегодня на Большом адронном коллайдере сталкивают протоны с максимальной суммарной энергией 14 тераэлектронвольт.
Планируется, что с помощью нового ускорителя физики смогут совершить прорывные открытия в области темной материи и темной энергии, которые описаны теоретиками, но пока не обнаружены экспериментально, а также в области новых энергий физических явлений, находящихся за рамками Стандартной модели.
Мощностей Будущего кольцевого коллайдера хватит, чтобы детально изучать свойства некоторых фундаментальных частиц — переносчиков слабого взаимодействия (Z-, W-бозонов), Хиггс-бозонов и поля Хиггса, которые невозможно исследовать на Большом адронном коллайдере, и топ-кварков. Измеряя сечение рождения топ-кварка (как парное, так и одиночное) и интенсивность связи топ-кварка с другими частицами, можно проверять предсказания Стандартной модели и искать возможные отклонения от них.
На встрече совета ЦЕРН, которая прошла 2 февраля, на обсуждение вынесли план строительства новой установки и бюджет. Если план утвердят, организация запросит финансирование у стран-участниц в течение следующих пяти лет. В ЦЕРНе надеются, что ускоритель частиц появится в Европе в начале 2040-х годов, по окончании программы Большого адронного коллайдера.
«В случае одобрения плана новый коллайдер станет самым мощным „микроскопом“, когда-либо созданным человеком. С его помощью можно будет изучать законы природы на микроуровне и при самых высоких энергиях. Установка поможет решить целый ряд вопросов в фундаментальной физике и улучшит наше понимание Вселенной», — пояснила Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), генеральный директор ЦЕРН.
Но многие ученые скептически настроены к проекту Европейской организации по ядерным исследованиям. Например, немецкий физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) из Франкфуртского института перспективных исследований считает, что разговоры о том, будто новая установка раскроет тайны темной материи и темной энергии, лишь «болтовня».
«Правда в том, что, скорее всего, такая машина будет просто лучше измерять некоторые константы Стандартной модели — и все. Если финансирование проекта все же одобрят, что ж, множество умных людей потратят свое время впустую — на исследования, которые не приведут к прогрессу. Физике элементарных частиц пора на покой, наступило время признать, что будущее за квантовой физикой», — раскритиковала планы ЦЕРН по строительству коллайдера Хоссенфельдер.
На изображении показано предполагаемое место строительства Будущего кольцевого коллайдера и сравнение кольцевых туннелей новой установки и БАК
Чтобы понять скептицизм Хоссенфельдер, напомним: ранее в своем научно-популярном блоге физик утверждала, что темная материя не может состоять из частиц (а коллайдер может открыть ее, только если она сложена из частиц). Любые частицы должны испытывать соударения, тормозящие друг друга, а столкновения галактик и их скоплений в нашей Вселенной происходят так, как если бы никакого торможения от соударений частиц темной материи в них не происходило.
Бывший главный сотрудник правительства Великобритании по вопросам науки сэр Дэвид Кинг (David King) назвал безрассудством вкладывать такие огромные деньги в теоретические исследования, когда мир находится перед лицом климатического кризиса. По мнению Кинга, финансировать нужно прежде всего исследования климата и меры по борьбе с глобальным потеплением.
Сейчас специалисты ЦЕРНа проводят исследование, чтобы выяснить, осуществимо ли строительства Будущего кольцевого коллайдера с помощью современных технологий. Свои результаты комиссия представит в 2025 году, а в 2028-м совет примет окончательное решение по строительству сменщика БАК.
