Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Тем не менее суперсимметричные частицы могут быть и такими тяжелыми, что мы не сумеем их обнаружить даже с помощью Большого адронного коллайдера. В этом случае мы могли бы заметить их присутствие благодаря их виртуальным эффектам. Сверхмассивные частицы могут витать подобно призракам вокруг известных частиц и воздействовать на них в соответствии с механизмами Стандартной модели. Наши детекторы были бы способны регистрировать возникающие аномалии, давая резонные основания претендовать на “косвенное” открытие новой физики.

Так что охота на суперсимметрию ведется по нескольким направлениям сразу. Увеличение энергии Большого адронного коллайдера, выросшей к 2015 году до 13 ТэВ, дает надежду на поимку этих массивных частиц, которым до сих пор удавалось от всех успешно ускользать. В настоящее время родственников бозона Хиггса ищут в области энергий, уже исследованных для скалярных полей Стандартной модели. Но сделанного до сих пор недостаточно, потому что ищутся частицы с сильно отличающимися характеристиками. Представители суперсимметричной родни бозона Хиггса рождаются и распадаются особым образом, для них нужно разработать специальную стратегию. Кроме того, для их поиска нужен большой объем данных, так как это должны быть частицы, которые сложнее произвести и которые реже регистрируются.

Независимо от всего этого продолжаются исследования и самого бозона Хиггса с энергией 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все его характеристики с большой точностью. Все, что мы пока видели, точно совпадает с предсказаниями, но наша точность сильно ограничивается малым количеством частиц, которые нам удается производить и отслеживать. В большинстве процессов распада неопределенность наших измерений еще слишком велика, чтобы заметить аномалии, предсказываемые СУСИ.

На Большом адронном коллайдере продолжается систематическая терпеливая работа и проводятся точные измерения. Ученые не обходят вниманием ни единой возможности обнаружить намек на суперсимметрию в тайной надежде, что недавно открытый бозон Хиггса послужит своего рода порталом в новую физику и что его появление в 2012 году было лишь первым звеном в длинной цепи открытий.

Ускорители будущего

Физика переживает время глубочайшей трансформации. Сейчас, когда нашлась последняя недостающая частица, Стандартная модель может считаться построенной. Но именно в момент ее наивысшего триумфа все прекрасно отдают себе отчет в том, что список явлений, которым теория не дает никакого объяснения, настолько длинен, что это вызывает недоумение.

По-прежнему неясна точная динамика инфляции, не удается последовательно провести объединение всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Совершенно неизвестны механизмы, которые привели к исчезновению антиматерии, не говоря уж о явлениях, способных объяснить темную материю и темную энергию.

Все понимают, что рано или поздно Стандартную модель надо будет подвергнуть переоценке. Вероятно, она войдет частным случаем в какую-то более общую теорию, способную предложить новое и более полное описание природы. Прелесть исследовательской работы заключается в том, что никто не знает, когда это может произойти. Каждый день мы можем ждать этого подарка – достаточно только, чтобы в анализе данных какого-то эксперимента вдруг показалось новое состояние материи; но, прежде чем это случится, могут пройти годы, могут понадобиться ускорители нового поколения.

Так что работы по проектированию научных инструментов будущего тоже не прекращаются. На разработку нового ускорителя и на ввод его в действие уходят десятилетия. Первые обсуждения Большого адронного коллайдера начались в середине 1980-х, а построили его только к 2008 году. Если думать об ускорителе, который мог бы начать работу в 2035–2040 годах, то уже пора начинать действовать. Не случайно в 2019 году в ЦЕРН опубликовали доклад, описывающий проект Кольцевого коллайдера будущего, пока больше знакомого по англоязычной аббревиатуре FCC (Future Circular Collider), он придет на смену Большому адронному коллайдеру.

FCC – это международная исследовательская группа, ставящая своей целью разработать проект, включающий необходимую инфраструктуру, и оценить стоимость ускорителя в сто километров, который будет построен усилиями ЦЕРН. Проект предусматривает на первой стадии, FCC-ee, создание условий для столкновений электронов с позитронами, после чего, на второй стадии FCC-hh, ускоритель будет переориентирован на столкновения протонов с протонами, то есть фактически будет повторена использованная ЦЕРН успешная схема переориентации электрон-позитронного ускорителя в адронный (то есть в Большой адронный коллайдер).

Проект родился в 2014 году и сразу получил мощную поддержку международного сообщества. В работе принимают участие тысяча триста физиков из ста пятидесяти университетов, исследовательских институтов и их партнеров из промышленности. Результатом проведенных исследований стал подробный доклад, заложивший основу новой европейской стратегии в области ускорителей элементарных частиц.

Решение о создании этой новой инфраструктуры должно быть принято в 2020 году[16]. По самому реалистичному сценарию строительство FCC начнется в 2028 году, а в действие он будет приведен в 2040-м. Переход к следующей стадии будет сложнее и потребует дополнительных разработок для промышленного производства магнитов. Пуск FCC-hh ожидается в 2050–2060 годы.

Таким образом, сейчас принимаются ключевые решения, которым суждено определить рамки научных исследований на протяжении всего столетия.

С точки зрения научных исследований такая смена одного ускорителя другим оптимальна в далекой перспективе. Ее можно сравнить с обходом с флангов в военной стратегии – чтобы не дать новой физике, где бы она ни пряталась, уйти из окружения.

Электрон-позитронный ускоритель идеален для выполнения точных измерений параметров Стандартной модели. Предусматривается, что новый ускоритель будет работать сначала на энергиях до 90 ГэВ, чтобы производить огромные количества Z-бозонов, затем уровень энергии будет повышен до 160 ГэВ, чтобы рождались пары W-бозонов, а потом и до 240 ГэВ – уровня энергии, на котором будут рождаться миллионы хиггсовских бозонов и связанных с ними Z-бозонов. В конце концов должен быть достигнут уровень в 365 ГэВ, обеспечивающий подходящие условия для рождения самого тяжелого из кварков, t-кварка.

Новые частицы, которые объяснят природу темной материи, или новые взаимодействия, которые прольют свет на скрытые размерности нашей Вселенной, могут быть обнаружены косвенным образом через самые точные измерения параметров Стандартной модели.

Но если и это будет недостаточно точно, в дело пойдет грубая сила. 100 ТэВ энергии FCC-hh позволят изучить диапазон энергий, которые в семь раз превосходят те, что доступны Большому адронному коллайдеру. Новое состояние материи с массой между несколькими ТэВ и несколькими десятками ТэВ может быть зарегистрировано напрямую; можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса, или у него есть внутренняя структура, и установить те подробности спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, которые объяснят избыток материи в нашем мире.

Стоимость проекта впечатляющая: девять миллиардов евро понадобится на строительство тоннеля и монтаж электрон-позитронной установки. Еще пятнадцать миллиардов пойдут на магниты для FCC-hh. Но если принять во внимание, насколько проект растянут во времени, и учесть тот факт, что взносы на его строительство будут поступать со