Перегони суперколайдерів: навіщо Європі та Китаю фабрики з виробництва «частинок Бога»
За 10 років і $5 мільярдів Пекін планує звести 100-кілометровий прискорювач частинок та отримувати на ньому мільйони бозонів Гіґґса
Фізикам не вистачає потужності 27-кілометрового Великого адронного колайдера (ВАК), який побудовано за $5,6 млрд і що збирає дані з 2010 року. Вчені стверджують: для нових відкриттів їм потрібен прискорювач вчетверо довший і всемеро потужніший. Європейська організація ядерних досліджень (ЦЕРН) планує спорудити такий суперколайдер до 2040-х років за $22 млрд. У Китаї хочуть зіграти на випередження та зробити це вчетверо дешевше.
Mind пропонує дізнатися, для чого потрібний гігантський колайдер і як його планують будувати в Європі та Китаї.
Тріумф ВАК і глухий кут у фізиці
У 2000-х роках адронний колайдер, який розганяє і зіштовхує крихітні частинки, був у всіх на слуху. Вчені обіцяли зробити на ВАК грандіозні наукові та технологічні прориви, а конспірологи лякали тим, що 27-кілометровий «бублик» спричинить землетруси, створить чорні діри та відкриє портали в інші виміри.
Проте ані великих відкриттів, ані катастроф не сталося. У 2012 році вчені знайшли на ВАК саме те, що шукали – бозон Гіґґса, описаний у 1960-х роках і який став ключовим елементом стандартної моделі. Відповідно до цієї загальноприйнятої теорії, у нашому Всесвіті існують 17 фундаментальних неподільних частинок. Дванадцять із них (шість кварків і шість лептонів) – це будівельні блоки, що формують атоми, молекули й навколишню матерію. Інші п'ять – бозони, відповідальні за всі взаємодії між частинками.
Сімнадцять субатомних частинок стандартної моделі
Бозон Гіґґса, згідно з викладками теоретиків, наділяє матерію масою. Зафіксувавши цю «частинку Бога» на ВАК, фізики відчули сп'яніння від успіху. Але потім у них настало кошмарне похмілля, що розтяглося на десять років.
«Ще до того як 27-кілометровий ВАК почав збирати дані 2010 року, фізики занепокоїлися, що він зможе зробити тільки бозон Гіґґса й нічого більше, і не дасть жодних підказок про те, що приховано за межами Стандартної моделі. Цей жахливий сценарій збувається. Це розчаровує. Я сподівався, ми зможемо виявити суперсиметрію», – розповів журналу Science Баррі Баріш, фізик Каліфорнійського інституту технологій.
Стандартна модель багато в чому розходиться з явищами, що спостерігаються. Вона математично несумісна з теорією гравітації Ейнштейна. У неї не вписується чорна матерія, з якої складається 23% Всесвіту. Крім того, у природі майже немає антиречовини, якої, згідно зі стандартною моделлю, має бути стільки ж, скільки речовини.
Вчені сподівалися знайти на ВАК нові частинки, які пояснять усе це. Але за останні десять років у колайдері з'являлися лише аномалії – невеликі невідповідності вимірювань із теоретичними розрахунками, що вимагає додаткових досліджень. Наприклад, магнітний момент мюона вищий, ніж передбачає стандартна модель. Ця аномалія може вказувати на існування невідкритих частинок суперсиметрії або лептокварків», – пише The Science.
Епіцентром аномалій став сам бозон Хіггса. Експерименти на ВАК показали, що «частка Бога» розпадається безліччю різних способів і не так, як передбачає стандартна модель. Бозон Гіґґса може розділитися на пару кварків, на електрон і позитрон, на мюони або на два фотони. Вчених інтригує те, що він може зробити це безпосередньо.
«Розпади відбуваються через проміжний цикл віртуальних частинок, які з'являються та зникають і не можуть бути виявлені. Ці віртуальні частинки можуть включати нові, ще не відкриті частинки, які взаємодіють із бозоном Гіґґса», – йдеться в торішньому повідомленні ЦЕРН.
Нинішні адронні колайдери не дають змоги детально розглянути розпади бозонів Гіґґса. Вони дають мало статистики через те, що погано виділяють потрібні сигнали з какофонії інших звуків. Зменшити шум й акуратно виміряти те, що зараз намацує ВАК, зможе колайдер іншого типу, в якому електрони стикатимуться зі своїми античастинками – позитронами.
Мета Європи – Кільцевий колайдер майбутнього
На зустрічі ради ЦЕРН 2 лютого 2024 року на обговорення було винесено технічний проєкт суперколайдера Future Circular Collider (FCC) оціночною вартістю 20 млрд євро. Якщо його затвердять, організація запросить фінансування у країн ЄС і Великобританії та зможе розпочати будівництво у 2033 році.
Новий 91-кілометровий кільцевий тунель ЦЕРН планує вирити поряд із ВАК на кордоні Швейцарії та Франції. До середини 1940-х років у ньому розмістять електрон-позитронний колайдер FCC-ee, який має працювати по кілька років у чотирьох енергетичних режимах: на енергії зіткнень 91 ГеВ (резонансне виробництво Z-бозонів), 160 ГеВ (народження пар W-бозонів), 240 ГеВ (режим гіґґсівської фабрики: масове народження бозонів Гіґґса), і приблизно 360 ГеВ (виробництво пар топ-антитоп кварків).
У 1960-х роках установку FCC-ee замінять адронним колайдером FCC-hh, який у 2070-х роках вийде на планову потужність і буде здатний зіштовхувати протони з енергією приблизно 100 тераелектронвольт (ТеВ). Це в сім разів вище за максимальний показник ВАК (14 ТеВ). Вчені сподіваються, що цієї потужності вистачить, щоб підтвердити чи спростувати існування вімпів – гіпотетичних частинок темної матерії. Також на колайдері FCC-hh фізики планують досліджувати кварк-глюонну плазму, що існувала на ранніх стадіях розвитку Всесвіту.
Кільцевий колайдер майбутнього поряд із ВАК. Зображення ЦЕРН
Мета Китаю – Круговий електрон-позитронний колайдер
Повільність європейців дає Пекіну можливість побудувати «гіґґсівську фабрику» і стати світовим лідером, який «задає темп» у галузі фізики високих енергій. Про це виданню Global Times розповів Ван Іфань, директор Інституту фізики високих енергій Китайської академії наук у Пекіні.
За його словами, у найближчі три роки Китай зможе розпочати будівництво 100-кілометрового тунелю. За 10 років і 36 млрд юанів ($5 млрд) там планують розмістити Круговий електрон-позитронний колайдер (Circular Electron Positron Collider, CEPC), який стане новим глобальним центром фізики частинок. Він приверне багато іноземних учених, які покриють частину витрат на спорудження та обслуговування колайдера.
«36 млрд юанів – це не дешево. Але якщо CEPC зможе підтримувати роботу тисяч блискучих умів протягом наступних десятиліть, то середні витрати в перерахунку на одного вченого будуть не вищими, ніж в інших науково-дослідних галузях», – стверджує Ван Іфань.
На цей час у Китаю готовий технічний проєкт «суперколайдера», який за п'ять років розробили понад 1000 вчених із 24 країн. Також китайці виготовили безліч прототипів обладнання та відібрали три майданчики у провінціях Хебей, Чжецзян і Хунань, придатних для розміщення гігантського наукового комплексу.
CEPC стане спадкоємцем Пекінського електрон-позитронного колайдера (BEPC), що складається з 200-метрового лінійного прискорювача та двох 240-метрових кілець, по одному з яких розганяються електрони, а по іншому – позитрони. BEPC запрацював 2008 року й залучив колаборацію з 500 вчених із 74 дослідницьких інститутів 15 країн.
Якщо ви дочитали цей матеріал до кінця, ми сподіваємось, що це значить, що він був корисним для вас.
Ми працюємо над тим, аби наша журналістська та аналітична робота була якісною, і прагнемо виконувати її максимально компетентно. Це вимагає і фінансової незалежності.
Станьте підписником Mind всього за 196 грн на місяць та підтримайте розвиток незалежної ділової журналістики!
Ви можете скасувати підписку у будь-який момент у власному кабінеті LIQPAY, або написавши нам на адресу: [email protected].
