Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли

побережья Ляодунского залива), известный как китайская Тоскана. Прорыть тоннель на 50 или 70 километров в Китае стоит значительно дешевле, чем в Европе или в США; мало того: похоже, что китайцы готовы взять на себя большую часть трат. Реалистическая оценка общих расходов – около 3 млрд долларов при сроках строительства в 6–8 лет; если создание CEPC начнется в 2020 году, то к 2028‑му новый ускоритель можно будет ввести в работу[56].

Вторая стадия проекта, на которой CEPC переделывается в SPPC, – значительно сложнее и менее внятная. Помимо прочего, потребуется произвести значительно более мощные, чем используемые в LHC, магниты по технологии, которая пока что не разработана. Для SPPC рассматриваются два варианта: чтобы достичь 50 ТэВ, нужны магниты на 12 Тл, а для достижения 90 ТэВ нужно магнитное поле в 19 Тл. В обоих случаях потенциал эвентуальных открытий был бы в высшей степени впечатляющим. SPPC позволил бы исследовать диапазон энергий в 4–7 раз более обширный, чем у LHC, хотя этим преимуществом и не удастся воспользоваться в полной мере из‑за ограничения по светимости (она не может сильно превосходить номинальную светимость LHC). Такие технологические неопределенности делают предсказания относительно затрат очень сложными, а его временной горизонт выходит, по всей вероятности, за пределы 2035 года. Так или иначе, но со столь грандиозными планами Китай, как нетрудно догадаться, скоро будет претендовать на роль мирового лидера в этой области.

Запад играет в “Завоевание мира”[57]: Европа и США

Европейская стратегия в области физики высоких энергий абсолютно ясна. Прежде всего надо в полной мере воспользоваться тем потенциалом открытий, которым обладает LHC. Исследование новой энергетической области на самом‑то деле только-только начинается. Ускоритель вернулся к работе в 2015 году с рекордной энергией в 13 ТэВ, и в ближайшие годы должен произвести огромный массив данных, в десятки раз превосходящий тот, что привел к открытию бозона Хиггса. С этого момента до 2025 года, как ожидается, будет набрана статистика порядка 300 fb-1. Первые признаки присутствия Новой физики в масштабе тераэлектронвольт должны были бы появиться уже в первый год его работы, когда LHC соберет первые 100 fb-1.

В 2018 году нас ждет поворотный момент: результаты, полученные к этому времени, определят, что нам делать дальше. Если мы получим свидетельства Новой физики, то будем проектировать новые ускорители, нацеленные на уточнения в тех диапазонах энергии, где появятся новые частицы. Если же, напротив, никаких открытий не будет, то мы, во‑первых, станем увеличивать точность измерений, а во‑вторых, снова собравшись с силами, устремимся к выполнению очередного энергетического скачка. В этом случае нам понадобится самый мощный ускоритель, какой только нам смогут позволить технологические и финансовые ресурсы, чтобы отодвинуть границу исследований как можно дальше.

А пока мы, затаив дыхание, с надеждой анализируем результаты первых экспериментов при 13 ТэВ; к тому же уже вовсю идет работа по улучшению нашего ускорителя и детекторов. Цель в том, чтобы еще больше повышать светимость и собирать данные с перспективой в 3000 fb-1. Эту стадию высочайшей светимости называют HL–LHC (High Luminosity LHC[58]), и она охватит период с 2025 по 2035 год. Так что у LHC впереди долгая жизнь, которая будет посвящена систематическому исследованию Новой физики, – благодаря тому, что на нем либо будут непосредственно открывать новые частицы, либо займутся исследованием значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели. LHC надо будет работать как настоящей фабрике по производству бозонов Хиггса и топ-кварков. В случае отсутствия прямых сигналов Новой физики обширная статистика, собираемая HL–LHC, позволит все‑таки точно измерить решающие параметры Стандартной модели, что, возможно, поможет отыскать косвенные указания на новые явления.

Между тем стартовал проект Будущего кольцевого коллайдера (FCC – Future Circular Collider), европейский ответ на инициативы Китая и Японии, касающиеся новых ускорителей. FCC – это международная исследовательская группа, созданная с целью проведения концептуального дизайна (определение инфраструктуры и оценка затрат) для будущего 100‑километрового ускорителя, который будет построен в ЦЕРН. Проект предусматривает протон-протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ (FCC-hh) и возможность использования – на первом этапе – основной инфраструктуры для электрон-позитронных столкновений (FCC-ee).

Предложение родилось в 2014 году и тут же получило значительную поддержку со стороны международного сообщества физиков. В работе исследовательской группы в настоящее время принимают участие сотни ученых из десятка стран. Заключительный отчет предусмотрен на 2018 год, и он должен будет заложить основу для выработки новой европейской стратегии в области ускорителей частиц. К этому времени мы ожидаем принятия решений, которые обозначат направление развития физики в первой половине этого века[59].

Даже просто вырыть такой большой тоннель в этом месте – уже задача не из легких. Новый ускоритель должен будет расположиться под всей Женевой, включая озеро Леман, на глубине от 200 до 400 м. При этом надо непременно избежать многочисленных водоносных горизонтов и по максимуму воспользоваться устойчивыми геологическими слоями, лучше пригодными для проходки. Предстоит извлечь миллионы тонн горной породы и каким‑то образом рассеять их в регионе с плотной городской застройкой, а также предусмотреть колодцы доступа 400‑метровой глубины, найти адекватные средства передвижения для транспортировки людей и грузов на расстояния в десятки километров… и сделать еще много другого. Зато преимуществом этого места является доступ к развитой инфраструктуре: цепи ускорителей ЦЕРН вплоть до LHC, которые могли бы выступить в качестве инжекторов, и электроэнергетическая сеть, способная удовлетворить все потребности нового ускорителя.

С физической точки зрения последовательное использование двух ускорителей, FCC-ee и FCC-hh, представляется на данный момент оптимальной конфигурацией. Ускоритель электронов можно было бы построить сразу, как только будет готов тоннель. Для этого можно будет использовать имеющиеся технологии, а промышленное изготовление магнитов и резонаторов осуществлять параллельно с рытьем тоннеля. Детекторы не потребуют серьезных модификаций по сравнению с теми, что уже были сделаны на LHC. С оптимизмом глядя в будущее, можно ожидать принятия решения уже в 2018 году, начала строительства – в 2023‑м, а запуска – в 2035‑м, как раз в конце этапа высокой светимости на LHC.

Но вот протонный ускоритель – машина значительно более сложная, для которой потребуется многолетнее налаживание производства магнитов в промышленном масштабе. Сценарий, предусматривающий начало перехода к FCC-hh в 2040 году, позволил бы поработать над лучшими решениями для сверхпроводящих магнитов, которым суждено стать сердцем всего предприятия. С другой стороны, те же детекторы для нового ускорителя крайне сложны: понадобятся новые технологии и по меньшей мере десять лет разработок, прежде чем удастся начать промышленное производство различных их компонентов.

Физическая программа FCC-ee