Бозон Хиггса не просто ещё одна элементарная частица, это объект, на котором сходятся многие ключевые вопросы физики микромира. С одной стороны, его открытие завершает современную теорию элементарных частиц — Стандартную модель. С другой стороны — у Стандартной модели есть проблемы при высоких энергиях, и физики уже давно полагают, что необходима более общая теория строения микромира. Главной задачей Большого адронного коллайдера (LHC — large hadron Сollider) как раз и было продвижение за пределы Стандартной модели, создание «новой физики». Для построения такой новой модели требуется всесторонне изучить бозон Хиггса — понять, как он рождается, взаимодействует с другими частицами, распадается, составная ли эта частица или бесструктурная. Нет пока ответа и на вопрос о происхождении массы элементарных частиц (см. «Наука и жизнь» № 10, 2012 г.).
LHC способен создавать бозоны Хиггса в большом количестве, но не удобен для их исследования: в нём производится столкновение протонов, а они — составные частицы. Протоны состоят из трёх кварков, склеенных глюонным полем. При скоростях, близких к скорости света, протоны представляют собой потоки кварков и глюонов. Так что их столкновение — процесс сложный. В соударении участвуют далеко не все частицы из этого потока, следовательно, бóльшая часть энергии протона рассеивается впустую. Выбитые при столкновении кварки не могут существовать отдельно, и за счёт энергии удара рождается множество новых частиц — адронов. Этот процесс исследовать экспериментально непросто. «Каша» новых адронов мешает регистрировать очень редко рождающийся и распадающийся бозон Хиггса и тем более проводить точные измерения. Физики называют такой эксперимент «грязным».
Поэтому необходим ускоритель, оптимизированный под получение и точное исследование бозонов Хиггса — «хиггсовская фабрика». Очевидно, что сталкивать в нём надо частицы, не имеющие внутренней структуры: и энергетически выгоднее, и много лишних частиц не появится. На эту роль претендуют электрон-позитронный (ЭПК), мюонный и фотонный коллайдеры, каждый из которых имеет достоинства и недостатки. И хотя в них бозоны станут рождаться в 10—100 раз реже, чем на LHC, эксперименты будут «чистыми», позволяя надёжно регистрировать бозон Хиггса.
В настоящее время создание и мюонного и фотонного коллайдеров требует доработки ряда технических тонкостей, а электрон-позитронные строят с начала 1960-х годов, и их технологии хорошо отработаны. Однако до настоящего времени все они, кроме SLC в Стэнфорде, были циклическими. В них электронные и позитронные пучки могут долго двигаться по своим окружностям, накапливая частицы, а затем многократно сталкиваться в местах пересечения. Это позволяет ускорять частицы до высоких энергий и очень эффективно с ними экспериментировать. Однако релятивистские электроны и позитроны, двигающиеся по криволинейной траектории, быстро теряют энергию за счёт синхротронного излучения, причём, чем меньше радиус ускорителя и выше скорость частиц, тем больше потери (см. «Наука и жизнь» № 9, 2013 г.). Например, в самом большом циклическом ЭПК — LEP с энергией пучка 105 ГэВ (он когда-то размещался в том туннеле, который сейчас занимает LHC) потери мощности при средних параметрах пучка составляли около 22 МВт (800 Вт/м), а в пиковые моменты достигали 50 МВт. Такие потери, сравнимые с потреблением города средней величины, надо непрерывно восполнять. Кроме того, синхротронное излучение приводит к значительному нагреву стенок и выделению из них газов в вакуумные камеры ускорителей. Нагрев мешает работать сверхпроводящим системам ускорителя, а газы — движению пучков.
Очевидный путь снизить излучение — это увеличить радиус кольца, но уже LEP имел длину окружности 27 км, а проекты высокоэнергичных ЭПК, разработанные в ЦЕРНе, США, Японии и Китае, рассчитаны на 40—80 и даже 233 км. Это требует огромных затрат на строительство. Существует более дешёвое предложение: возродить ЭПК в туннеле LHC (проект LEP3). Тогда, подняв энергию столкновений только до 240 ГэВ, минимально необходимых для исследования бозона Хиггса, можно удержать потери в пределах 100 МВт. Но такой ускоритель не имеет перспективы развития. Поэтому физики склоняются к необходимости построения более перспективного линейного электрон-позитронного коллайдера (ЛЭПК) большой мощности.
В линейном ускорителе электронные и позитронные пучки ускоряются на двух встречных прямолинейных участках, потери на излучение при этом невелики, что позволяет сильно поднять энергию частиц. Недостаток линейного коллайдера в том, что пучки сталкиваются однократно и лишь малая доля частиц участвует во взаимодействии, остальные сбрасываются в поглотитель. Частично это компенсируют существенно более точной по сравнению с циклическим ускорителем фокусировкой пучков в области столкновения.
До последнего времени главным препятствием на пути построения линейных ускорителей было отсутствие оборудования, способного разогнать частицы до нужных энергий на дистанции приемлемой длины. Использование обычных ускорительных секций потребовало бы установок длиной не в одну сотню километров. В циклическом ускорителе частицы многократно проходят небольшой разгонный участок. Разработанный в последние десятилетия сверхпроводящий ускоритель позволил сделать основные разгонные участки будущего ЛЭПК длиной «всего» 11 км. Достоинство линейного коллайдера и в простоте его модернизации на бóльшую энергию простым увеличением длины разгонных участков.
Международный линейный коллайдер ILC: от проекта к реальности
Первоначально проекты ЛЭПК разрабатывались независимо в нескольких странах. Но из-за их большой стоимости, недоступной одной стране, в 2004 году проекты NLC (Next Linear Collider, США), GLC (Global Linear Collider, Япония) и TESLA (Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator, Германия) были объединены в один, получивший название «Международный линейный коллайдер» (International Linear Collider, ILC). В его создании участвуют почти 2000 человек из трёхсот лабораторий и университетов по всему миру, в том числе и из России.
В частности, Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) занимается фотоинжектором и лазерными системами для ILC, сверхпроводящими ниобиевыми резонаторами, лазерной метрологией. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ, Новосибирск), Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ, Москва) и Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына
(НИИЯФ МГУ) участвуют в разработке детекторов. ИЯФ им. Г. И. Будкера занимается также вопросом применения в рамках ILC столкновений встречных фотонных пучков (фотонного коллайдера).
В состав исполнительного комитета международной проектной группы входят ведущие российские исследователи: член-корреспондент РАН Г. Д. Ширков (ОИЯИ), академик РАН А. Н. Скринский (ИЯФ) и член-корреспондент РАН М. А. Данилов (ИТЭФ). В июне 2013 года проектная группа представила подробный технический отчёт.
Будущий ускоритель представляет собой гигантское сооружение стоимостью 7,8 млрд долларов в ценах 2012 года, длиной почти 31 км и с потребляемой мощностью порядка 230 МВт. Он рассчитан на энергию 500 ГэВ с возможностью расширения до 1 ТэВ (на первом этапе планируется работа на 250 ГэВ). В оптимальном режиме сгустки электронов и позитронов из 20 миллиардов частиц будут сталкиваться примерно 14 000 раз в секунду. Это даст порядка 1,3 × 1014 (130 трлн) потенциальных электрон-позитронных столкновений в секунду.
Для реализации проекта необходимо было определиться с местом и финансированием. Первоначально заявки на размещение коллайдера представили ОИЯИ (Дубна, Россия), ЦЕРН (Швейцария, Франция), Лаборатория им. Э. Ферми (Фермилаб, США), Лаборатория KEK (Япония). Однако к настоящему времени из кандидатов осталась только Япония, остальные заняты реализацией других очень крупных проектов. В Германии решили поддержать ускоритель тяжёлых ионов FAIR и европейский лазер на свободных электронах XFEL, ЦЕРН сосредоточился на LHC и СLIC, Фермилаб переориентирована на другие эксперименты. Предложение от Дубны остаётся в силе, но ОИЯИ отдаёт приоритет проекту «Нуклотрон-NICA» (Nuclotron-based Ion
Collider fAcility) — коллайдеру тяжёлых ионов на основе уже действующего ускорителя, который должен быть запущен в 2015 году. Идёт работа по моделированию динамики тяжёлых ионов, созданию и испытанию элементов коллайдера и подготовка к их производству.
Несмотря на последствия недавнего землетрясения, Япония предложила разместить у себя коллайдер и покрыть половину расходов на строительство. Предварительно рассматривали две площадки в монолитных горных участках, которые считаются сейсмически неопасными: в горах Сэфури на острове Кюсю либо в горах Китаками на острове Хонсю. В итоге выбор пал на Китаками. По оптимистичным планам строительство ускорителя может начаться в 2016-м, а в эксплуатацию он войдёт в 2026 году.
ЦЕРН также разрабатывает ещё один международный проект Compact Linear Collider (CLIC). Это «тёплый» ускоритель с накачкой дополнительным пучком, который должен позволить разогнать электроны до энергий 3—5 ТэВ. Его ожидаемая длина 48 км, потребляемая мощность 580 МВт. Сейчас уже формируют пакет документов и вырабатывают техническое обоснование ускорителя. Эту работу завершат к 2016 году, и тогда будет принято решение о возможности его строительства. Поскольку оба коллайдера создают для схожих экспериментов и с одинаковыми детекторами, в прошлом году решили объединить эти два проекта и вести по ним совместные работы, значительно сократив их стоимость.
Как работает коллайдер
В источнике электронов интенсивный лазерный луч освещает полупроводниковый фотокатод из арсенида галлия (GaAs) и выбивает миллиарды электронов за счёт фотоэффекта. Электрические и магнитные поля собирают их вместе и предварительно ускоряют до 5 ГэВ, одновременно разворачивая их спин вертикально.
Позитроны не существуют естественным образом в нашей Вселенной, поэтому их приходится создавать. Для этого электронный пучок после окончательного ускорения до 250—500 ГэВ проходит через систему разнонаправленных сверхпроводящих магнитов — ондулятор длиной 147 м. Он заставляет электроны двигаться по спирали и испускать синхротронное излучение в виде гамма-квантов высокой энергии в очень узком конусе. Попадая на тонкую мишень из титанового сплава, они порождают электрон-позитронные пары. Специальный ускоритель разделяет их, собирая позитроны и повышая их энергию до 5 ГэВ и выбрасывая электроны.
Электроны и позитроны по отдельности поступают в сверхпроводящие циклические ускорители длиной 3,2 км — охладительные кольца, или накопители, способные долго удерживать пучок заряженных частиц и собрать частицы в плотный сгусток. Поперечные колебания частиц гасятся из-за потери энергии на синхротронное излучение (с этим и связано название «охладитель»), а их продольные скорости выравниваются за счёт автофазировки. Фаза колебания поля в резонаторах накопителя настроена так, что когда частица более быстрая, чем основной сгусток, приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением, то получает чуть меньше энергии, чем частицы сгустка, и притормаживает. И наоборот — частица, отстающая от своего сгустка, получает больше энергии и ускоряется. За доли секунды (менее 200 мс) частицы проходят по кольцу около 20 000 раз и образуют цепочку плотных сгустков, которые отправляются дальше к точке столкновения.
Сначала сгустки электронов и протонов расходятся в противоположных направлениях на 15 км и разворачиваются магнитами на 180 градусов навстречу друг другу. Далее небольшие служебные ускорители сжимают их с длины 6 мм до 0,3 мм и ускоряют до 15 ГэВ. Теперь сгустки готовы к окончательному ускорению до энергии столкновения 250—500 ГэВ на двух основных линейных ускорителях длиной по 11 км. Эти сверхпроводящие ускорители работают при –271 градусе Цельсия и состоят из 8 000 ускоряющих ниобиевых резонаторов. Создание этих резонаторов и сопутствующего оборудования было одной из самых больших сложностей при разработке ILC.
После окончательного ускорения пучок электронов проходит через ондулятор для создания позитронов, о чём говорилось выше. Затем он плавно уклоняется от конуса гамма-излучения и металлической мишени и идёт на столкновение с созданными пре-дыдущими импульсами позитронами.
Последние два километра перед точкой столкновения занимает зона конечной фокусировки. Здесь сгустки проходят последовательность магнитов, играющих роль линз, которые доводят толщину пучка по вертикали в точке столкновения до нескольких нанометров.
И наконец, электронный и позитронный пучки встречаются в области взаимодействия размером (6 × 500) нм2, или
3∙10–9 = 0,000 000 003 мм2. Чем выше плотность частиц в точке взаимодействия, тем больше будет столкновений. Поэтому так много усилий затрачивается на фокусировку: столь малая область взаимодействия пучков требует крайне точного наведения, с погрешностью менее нанометра. Это в свою очередь требует очень сложной системы управления пучками и контроля системы, отслеживающей вибрации и колебания полей, которые могут привести к дрожанию пучка.
При столкновении электроны и позитроны аннигилируют, порождая новые частицы, вылетающие из точки столкновения. Именно их будут регистрировать детекторы — основной инструмент, позволяющий наблюдать и анализировать результаты взаимодействия частиц. Эти устройства размером около 12 метров в длину, высоту и ширину и весом несколько тысяч тонн окружают точку столкновения и позволяют реконструировать события, происходящие в результате взаимодействий. В самом центре находится вершинный детектор, содержащий в объёме менее кубического дециметра порядка миллиарда пикселей и позволяющий измерять координаты с точностью до микрона. Вокруг него расположен трековый детектор для измерения импульсов заряженных частиц и потерь их энергии на ионизацию, за ним — электромагнитный и адронный калориметры, а во внешней части — мюонный детектор. Энергия заряженных адронов определяется с высокой точностью в трековой части детектора, энергия гамма-квантов и нейтральных мезонов — в электромагнитном калориметре, а энергия нейтральных адронов — в адронном калориметре.
Будет построено два детектора SiD (Silicon Detector) и ILD (International Large Detector), один станет проверять результаты другого. Чтобы избежать строительства второй очень дорогостоящей системы конечной фокусировки, применили двухтактную систему: пока один детектор стоит в точке взаимодействия и участвует в эксперименте, другой находится на позиции технического обслуживания. Через некоторое время их быстро, примерно за день, меняют местами, двигая на гигантских платформах.
Что ещё может ILC
Возможности ILC уходят далеко за рамки исследования бозона Хиггса. Дополнив LHC, ILC позволит значительно расширить область поиска «новой физики». Ожидается, что ILC займётся исследованием топ-кварков, поисками кандидатов на роль частиц тёмной материи, проверкой теории суперсимметрии и её связи с тёмной материей. Можно попробовать отыскать другие измерения и при достаточно высоких энергиях объединить слабые, электромагнитные, сильные и, вероятно, гравитационные силы в единое универсальное взаимодействие.
ILC ещё не построен, но некоторые разработанные для него технологии уже успешно используют. Так, строящиеся и эксплуатируемые в США, Японии и Германии рентгеновские лазеры на свободных электронах опираются на исследования для ILC. Разу-меется, фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц служат в первую очередь для расширения наших знаний о Вселенной, а не для непосредственного практического применения. Однако детекторы, способные давать очень точное трёхмерное изображение процессов, уже используют при разработке протонной компьютерной томографии для лечения рака, в области материаловедения, медицины, химии, биологии и других наук.
