Пенсионный советник
Лекция по физики

ILC-1: зачем миру линейный коллайдер?

О планах создания линейного коллайдера

Лектор: 27.08.2010, 12:44
Сверхпроводящие криомодули ILC, произведенные коллаборацией нескольких стран, установленные в Фермилабе//Fermilab

Что такое линейный коллайдер и зачем он нужен, если уже создан и работает БАК? Стоит ли Дубне бороться за право разместить проект на своей территории? Какие выгоды этот проект сулит нашей стране? На эти и другие вопросы отвечают в своей лекции представители Global Design Effort — международного научного сообщества, проектирующего ILC.

Что такое ILC и зачем он нужен, если уже создан и работает LHC?
Новый ускоритель заряженных частиц, о котором мы хотим рассказать в этих онлайн-лекциях, — Международный линейный коллайдер (ILC — International Linear Collider) — разрабатывается разветвленной международной проектной группой (Global Design Effort — GDE), включающей в себя более тысячи научных сотрудников, профессоров, студентов и инженеров.

В первой лекции мы расскажем о том, как работает Международный линейный коллайдер ILC и для чего он нужен. Во второй лекции пойдет речь о том, как работают детекторы ILC, чего ожидает от ILC теоретическая физика, а также обсудим роль ILC в продвижении вперед технологий и смежных областей науки. В заключительной лекции мы расскажем о том, как организована международная проектная группа ILC, какие варианты расположения ILC рассматриваются и когда ожидается решение о его размещении, а также представим вариант расположения вблизи Дубны, разработанный Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ), обсудив также проект НИКА, который может стать шагом к крупнейшему международному проекту.

Читатель, безусловно, знает, что в Европейской организации по ядерным исследованиям CERN в Женеве недавно заработал Большой адронный коллайдер — БАК (LHC — Large Hadron Collider), с которым ученые всего мира связывают надежды на открытие так называемого бозона Хиггса, ответственного за возникновение масс элементарных частиц. Ожидается, что в результате исследований на LHC удастся понять тайны «темной материи», продвинуться в решении проблемы отсутствия антиматерии во Вселенной. Вполне возможно, что на LHC будут открыты принципиально новые частицы и ранее неизвестные взаимодействия. В частности, широко обсуждаются перспективы открытия новой внутренней структуры существующих элементарных частиц, обнаружения скрытых дополнительных размерностей пространства-времени и/или открытие новой симметрии между частицами с разными спинами (то есть моментами импульса частиц), называемой суперсимметрией.

В то время как открытие новых частиц, в частности, открытие бозона или бозонов Хиггса, на LHC возможно, детальное исследование свойств этих частиц будет затруднено.

Коллайдер LHC сталкивает протоны, состоящие из кварков, «склеенных» глюонами, что порождает основные проблемы при анализе экспериментальных данных. Любой продукт столкновения, в принципе, рождается при соударении различных комбинаций частиц, кварков и глюонов, составляющих протон (как показано на иллюстрации). Поскольку энергия сталкивающегося протона распределена между его составляющими, то в случае LHC на рождение новых частиц может приходиться только часть энергии протонов. Поэтому для рождения одних и тех же частиц энергия пучков на LHC должна быть примерно на порядок больше, чем на ILC. Здесь на помощь приходит ILC, который сможет обеспечить детальное изучение новых открытых частиц, позволит с высокой точностью измерить их характеристики и определить квантовые числа, а также, возможно, позволит обнаружить другие новые частицы, не замеченные LHC.

Это обусловлено тем, что коллайдер ILC будет сталкивать электроны с позитронами, которые, в соответствии с настоящими представлениями физики, являются частицами с бесконечно малым размером, не имеющими внутренней структуры. Поэтому начальное состояние частиц перед столкновением очень точно известно. Таким образом, ILC является необходимым дополнительным инструментом по отношению к LHC.1

Есть и другие проблемные моменты. Во многих случаях ожидаемые новые частицы, как и уже известные частицы, подобные W- и Z-бозонам или топ-кварку, являются очень короткоживущими. В детекторах регистрируются не сами эти частицы, а достаточно долгоживущие продукты их распадов, например, электроны, позитроны, мюоны, протоны, пи-мезоны и другие барионы. Барионы часто разлетаются под очень малыми друг к другу углами, образуя так называемые струи (jets). Основная проблема состоит в том, что такие же совокупности регистрируемых конечных частиц, называемых сигнатурами событий, получаются не только от желаемого сигнала, связанного с рождением и последующими распадами новых частиц, но и от большого числа фоновых процессов, содержащих только уже известные частицы. Причем на LHC вероятности сигнальных процессов с образованием новых частиц обычно на несколько порядков меньше вероятностей фоновых процессов.

Как правило, вероятности рождения новых частиц на LHC больше, чем на ILC, но отношение сигнала к фону существенно хуже.

Такие сложные фоновые условия не дают возможности столь же точных измерений на LHC, какие, в принципе, достижимы на ILC. Например, рассмотрим рождение Z-бозона на LHC с последующим распадом на пару положительно и отрицательно заряженных мюонов. Этот процесс называется процессом Дрелла-Яна и показан на иллюстрации ниже. При этом, Z-бозон проявляется как пик в распределении по инвариантной массе родившихся мюонов (инвариантная масса двух частиц равна сумме энергий этих двух частиц в системе покоя их центра масс). Но этот пик надо выделить из многочисленных фоновых процессов, когда пара мюонов может рождаться фотонами, либо возникать в распадах различных образовавшихся c- или b-мезонов и т. д. Такие процессы могут быть и на ILC, но их как абсолютная, так и относительная вероятность по отношению к сигналу (в нашем примере это рождение Z-бозона) существенно меньше.2

История развития физики элементарных частиц показала, что открытия, сделанные на протон-протонных или протон-антипротонных коллайдерах, необходимо дополнять тщательными исследованиями на электрон-позитронных машинах. Как известно, переносчики электрослабых взаимодействий W- и Z-бозоны были открыты в 1983 году в ЦЕРНе на протон-антипронном коллайдере SPS (Super Proton Synchrotron) с сумарной энергией столкновений 630 ГэВ. Были измерены массы и спины этих векторных бозонов, что и позволило заявить об открытии. Всего год спустя это выдающееся открытие было отмечено присуждением Нобелевской премии. Однако, детальное исследование свойств W- и Z-бозонов стало возможным с запуском электрон-позитронных коллайдеров SLС (SLAC Linear Collider) и LEP (Large Electron-Positron), сначала с энергией около 90 ГэВ (LEP-I ), что соответствует массе Z-бозона, и позволило рождать Z-бозон с максимально возможной вероятностью, как говорят, в резонансе, и затем с энергией в области 160-210 ГэВ (LEP-II), что позволило изучить парное рождение W- и Z-бозонов. В результате проведенных исследований на SLС, LEP-I и LEP-II удалось получить уникальные по точности результаты о массах, так называемых ширинах распадов (которые обратно пропорциональны времени жизни частиц), константах и структуре взаимодействий обнаруженных ранее на SPS бозонов.

Тем самым была подтверждена правильность Стандарной Модели (СМ) — современной основы понимания устройства микромира.

Точность согласования экспериментальных данных и предсказаний СМ с учетом квантовых поправок во многих случаях достигла уровня 0.1-1%.

Ситуация с открытием новых частиц на LHC может быть весьма схожей. Представим себе, что после выделения из фонов в распределении по инвариантной массе двух фотонов обнаруживается статистически достоверный пик на массе, скажем, 120 ГэВ. Анализ угловых распределений и некоторых других характеристик показывает, что обнаруженный новый резонанс является скаляром, то есть имеет спин ноль и положительную четность (пространственная четность — это значение знака волновой функции частицы, плюс или минус, при зеркальном отражении координат). Таким образом, найден прекрасный кандидат в бозоны Хиггса. Но при этом возникают вопросы: а действительно ли это бозон Хиггса, предсказываемый Стандартной Моделью, или же это один из бозонов суперсимметричного расширения СМ. А может быть это какая-то новая составная скалярная частица, существование которой предсказывается в ряде современных моделей за рамками СМ? Чтобы ответить на эти вопросы, потребуется очень детальный анализ свойств новой частицы, измерение соотношений вероятностей распадов по разным каналам, поиск ее рождения в различных возможных модах. И вот здесь окончательные ответы на все вопросы о природе частицы, о структуре и свойствах ее взаимодействий можно будет получить с необходимой точностью лишь с помощью экспериментов на ILC.4

С технической точки зрения, кроме разницы в типе сталкивающихся частиц (электрон-позитрон или протон-протон) основным отличием ILC от LHC является то, что ILC — это линейный ускоритель. В LHC протоны разгоняются и сталкиваются в 27 километровом кольцевом тоннеле, многократно, за время их многочасовой жизни в кольце, пролетая как через участки ускорения, так и через участки столкновения.

Коллайдер ILC, именно потому, что он использует относительно легкие электроны, должен быть линейным. Дело в том, что легкие электроны на таких энергия становятся настолько ультра-релятивистскими (то есть их скорость очень близка к скорости света), что при самом малом искривлении их орбиты они излучают и теряют большую часть своей энергии. Поэтому в ILC электроны разгоняются в прямолинейном непрерывном ускорителе и сталкиваются только один раз.

Зачем коллайдер, почему линейный и для чего нам позитроны?
Во-первых, напомним, почему нужен именно коллайдер, сталкивающий в лоб два пучка, и поясним подробнее, почему он должен быть линейным, и зачем нужны позитроны.

В первых экспериментах использовались столкновения с неподвижными мишенями. Однако такие столкновения неэффективны, так как, согласно закону сохранения импульса, только часть энергии может перейти в рожденные новые частицы. В ILC электрон, разогнаный до энергии 250 ГэВ, имеет массу в 500000 раз превышающую массу электрона в покое. Допустим теперь, что этот ускоренный тяжелый электрон столкнется с электроном неподвижной мишени, как это делалось в ранних экспериментах. Что при этом произойдет? Примерно то же самое, что произойдет, если паровоз встретит на своем пути пушинку — они продолжат свой путь в направлении более тяжелого тела.

Если же два паровоза или два ускоренных электрона столкнутся лоб в лоб, то вся их энергия пойдет на их разрушение, после чего могут быть рождены совсем новые частицы с массой, эквивалентной суммарной энергии сталкивающихся электронов.

Теперь обсудим вопрос о циклической (кольцевой) и линейной конфигурации коллайдеров. Напомним, что до того, как был построен LHC, в его 27-километровом кольцевом туннеле работал электрон-позитронный коллайдер LEP, в котором энергия электронных и позитронных пучков достигала 104 ГэВ. Как уже говорилось, заряженная частица, пролетающая по искривлённой траектории, должна излучать, теряя энергию. Это явление называется синхротронным излучением и объясняется тем, что часть «шубы» электромагнитного поля электрона, которая геометрически должна была бы двигаться быстрее скорости света, в реальности отстает, унося часть энергии. Интенсивность этих синхротронных потерь за один оборот пропорциональна четвёртой степени энергии частиц в кольце и обратно пропорциональна радиусу кольца.

Для энергии LEP величина потерь энергии составляла около 3% за оборот. Но если бы в туннеле LEP был построен ускоритель на энергию пучков 250 ГэВ, как у ILC, то потери составили бы соответственно 100%, то есть достичь энергии электронов, нужной для ILC, в туннеле такого радиуса практически невозможно. Увеличение радиуса кольца, распрямляющее траекторию и снижающее потери энергии для ILC совершенно нереально – уменьшение потерь до 3% потребовало бы туннеля с периметром около 1000 км.

Именно по этой причине для ILC выбрана линейная конфигурация, где потерь энергии на излучение нет.

Нужно пояснить одну особенность, которую внимательный читатель возможно уже отметил. Коллайдер LHC сталкивает протоны с протонами, однако для ILC нужны электроны и позитроны. Это связано с сохранением электрического заряда. Если бы ILC сталкивал пучки электронов, то продукт столкновения был бы обязан иметь заряд, равный удвоенному заряду электрона. То есть их столкновение не могло бы породить, например, один нейтральный фотон или нейтральный бозон. Это накладывало бы сильные ограничения на полезность электрон-электронных столкновений для рождения новых частиц. Решением является столкновение материи с антиматерией, то есть электронов с позитронами. В составных протонах, однако, всегда найдется пара кварк-антикварк или пара глюонов, которая может породить нейтральную частицу. Необходимость производства позитронов для ILC является одной из самых сложных задач всего проекта, и о ней пойдет речь в следующих главах.

Как работает линейный коллайдер ILC
Общая схема и основные системы коллайдера ILC показаны на иллюстрации.3

В основе коллайдера лежит метод ускорения пучков в сверхпроводящих резонаторах, которые сделаны из сверхчистого металла ниобия, охлажденного до температуры 2 градуса Кельвина. Высокочастотная мощность, подведенная извне, возбуждает в резонаторах ускоряющее поле с градиентом, превышающим 30 МэВ/метр.5

Очень большая часть усилий Международной проектной группы направлена на улучшение параметров сверхпроводящих резонаторов и увеличение ускоряющего градиента. За предудущее десятилетие градиент удалось поднять более чем в два раза за счет совершенствования технологии подготовки и очистки поверхности ниобия, применения химических методов очистки и электрополировки. Совсем недавно были впервые испытаны резонаторы, сделанные из листов монокристаллов ниобия. Отсутствие граней между кристаллами позволило поднять градиент до 40МэВ/м в этих опытных образцах.

Сверхпроводящие резонаторы установлены в криогенные модули, которые соединены между собой последовательно, образуя десятикилометровые линейные ускорители для электронов и позитронов (см. фото к лекции).

Электронные сгустки для ILC производятся в специальных пушках, где короткий лазерный импульс освещает поверхность полупроводника, и выбитые электроны после этого ускоряются. С позитронами гораздо сложнее – они представляют собой антиматерию, которая в нашей вселенной не встречается (кстати, ILC и другие коллайдеры как раз пытаются понять, почему возникла такая асимметрия, благодаря которой мы с вами существуем). Таким образом, позитроны надо производить искусственно. Делается это следующим способом. Электроны, после их ускорения до энергии 150 ГэВ, направляются в систему, где магнитное поле заставляет их вилять вправо-влево и, соответственно, излучать фотоны (синхротронное излучение, упомянутое выше), которые направляются на мишень и рождают электрон-позитронные пары. После этого рожденные позитроны отделяются, захватываются и фокусируются сильным магнитным полем, ускоряются и охлаждаются в специальных кольцевых ускорителях для того, чтобы уменьшить поперечный размер позитронного пучка, который затем готов к к ускорению и к столкновению с электронами.

Упомянутое охлаждение пучков необходимо для уменьшения разбросов продольных и поперечных скоростей (температуры) электронов и особенно позитронов, которые рождаются очень горячими.

Охлаждение осуществляется в трехкилометровых охладительных кольцах, расположенных в центре ILC.

Принцип охлаждения основан опять-таки на использовании синхротронного излучения – при движении по орбитам колец электроны или позитроны теряют энергию на излучение, но одновременно получают энергию, проходя на каждом обороте через ускорительную секцию. Поскольку доускорение происходит только в продольном направлении, все остальные степени свободы охлаждаются и размеры пучков в итоге значительно уменьшаются.

После охлаждения и затем ускорения до энергии 250 ГэВ пучки электронов и позитронов направляются в систему фокусировки, где они измеряются (чтобы убедиться, что их поперечные размеры соответствуют ожидаемым, и при необходимости иметь возможность их настроить), затем коллимируются (то есть нежелательные хвосты или гало обрезаются) и, наконец, собственно фокусируются таким образом, что в месте столкновения размеры пучков составляют всего 5 нанометров по вертикали и 500 нанометров по горизонтали.

Такие маленькие размеры пучков необходимы для того, чтобы увеличить их плотность в месте столкновения и увеличить вероятность рождения новых частиц. В каждом из сталкивающихся сгустков электронов или позитронов содержится около десяти миллиардов частиц, и за одну секунду происходит примерно 15 тысяч столкновений таких сгустков. Заметим, что для электронов энергии 250 ГэВ такой поток обладает мощностью в 10 МВт, что сравнимо с мощностью двух-трех электровозов.

Очень интересной задачей является проблема нацеливания таких малых пятинанометровых пучков друг на друга для столкновения.

Проблема в том, что пучки летят со скоростью света, поэтому нельзя заранее увидеть, в какую точку прилетит сгусток, и скорректировать его траекторию. Решается проблема следующим образом. Пучки в ILC ускоряются группами по 3000 сгустков, следующих с интервалом 300 наносекунд. Первая пара электронных и позитронных сгустков, достигая места встречи, неизбежно промахивается, и не попадает друг в друга, однако сгустки «чувствуют» электромагнитные поля друг друга и соответственно отклоняются. Изменения их траекторий измеряются, что дает возможность скорректировать, с помощью быстрых магнитов, движение следующей пары сгустков. Таким образом, через несколько десятков стокновений вхолостую остальные пары будут точно нацелены друг на друга. Задачи фокусировки и нацеливания сгустков настолько сложны, что международное сообщество решило построить уменьшенную версию системы финальной фокусировки ATF2, которая в настоящее время проходит испытания в лаборатории КЕК в Японии.

Боясь утомить читателя, мы не можем рассказать в деталях о всех системах коллайдера, многие из которых работают на грани возможного, и требуют совершенно новых научных и инженерных решений. В проект ILC, и в предыдущие проекты линейних коллайдеров, послужившие базой для ILC, вложили свои знания, умения и идеи огромное количество ученых со всех стран. Тем не менее, необходимо отметить огромный вклад основополагающих идей советских и российских физиков — работа 1978 года В. Е. Балакина, Г. И. Будкера и А. Н. Скринского о возможности создания установки со встречными электрон-позитронными пучками на сверхвысокие энергии дала старт исследованиям нескольких поколений их многочисленных учеников – этот вклад, безусловно, признается международным сообществом и во многом является определяющим.