Слушать новости
Телеграм: @gazetaru
Лекция по физики

Коллайдеры будущего

Перспективы физики элементарных частиц

Лектор: 18.04.2011, 10:38
Чуть больше года назад в CERN был запущен Большой адронный коллайдер. Сейчас он успешно работает, и можно смело утверждать, что впереди время больших открытий. Годы понадобятся для сбора и анализа огромного количества данных БАК, но уже сейчас физики обсуждают перспективы строительства новых коллайдеров. Какими они будут, рассказывает сотрудник коллаборации CMS БАК Андрей Крохотин.

Зачем физикам нужен новый коллайдер?
Если спросить физиков, какой еще коллайдер им понадобится в самом ближайшем будущем, то, скорее всего, вы получите ответ, что это электрон-позитронный коллайдер.

Зачем вообще нужен новый коллайдер и почему нельзя обойтись одним только БАК?

Ответ на этот вопрос кроется в природе ускоряемых частиц. Протоны, ускоряемые на БАК, участвуют в процессах «сильного» взаимодействия. «Сильное» взаимодействие – это одно из четырех фундаментальных взаимодействий природы наряду со «слабым», электромагнитным и гравитационным взаимодействиями. Как следует из самого названия, «сильное» взаимодействие является самым сильным из всех типов взаимодействий. Его сила намного превосходит силы «слабого» и электромагнитного взаимодействий и уж тем более гравитации, которая (как это ни покажется странным!) является самым слабым из всех существующих взаимодействий. Так почему же большинство людей никогда не слышали о существовании «сильного» взаимодействия, хотя все мы прекрасно знакомы с гравитацией и электричеством? Это объясняется тем, что «сильное» взаимодействие действует только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами атомных ядер. Например, благодаря «сильному» взаимодействию протоны и нейтроны удерживаются вместе внутри атомных ядер. Не будь его, протоны разлетелись бы в разные стороны под действием сил электрического отталкивания. А нейтроны, у которых вообще нет электрического заряда, просто нельзя было бы удержать в составе ядер.

При столкновении протонов в коллайдере в процессах «сильного» взаимодействия рождается гигантское количество всевозможных частиц. В том числе и те частицы (например, бозоны Хиггса), ради открытия которых и был построен БАК. Исследуя эти столкновения, можно найти такие частицы и сделать открытие. Однако большинство рождающихся частиц и процессы с их участием давно открыты, исследованы и не представляют какого-либо существенного интереса. К сожалению, обилие таких событий-паразитов затрудняет проведение высокоточных измерений. Получается, что

сделать открытие можно, но для того, чтобы точно измерить параметры вновь открытых частиц, нужно что-то еще.

Этим «еще» как раз и являются электрон-позитронные коллайдеры. В отличие от протонов, электроны и позитроны не принимают участия в процессах «сильного» взаимодействия. Их взаимодействие обусловлено электрослабыми процессами. Благодаря специфике этих взаимодействий, сечения рождения новой физики и фонов невелики. По этой причине электрон-позитронный коллайдер сложно использовать для первоначального открытия (хотя и можно). Однако если открытие уже сделано и приблизительно известна масса новых частиц, то. настраивая соответствующим образом энергию сталкивающихся электронов и позитронов, можно многократно увеличить вероятность рождения сигнальных событий, оставляя фоны небольшими. Так что электрон-позитронный коллайдер станет неплохим дополнением к БАК.

Электрон-позитронные коллайдеры
В настоящий момент существуют два конкурирующих проекта будущего электрон-позитронного коллайдера. Название первого проекта — Международный Линейный Коллайдер (ILC), о нем подробно рассказывала «Газета.Ru». Предполагается, что энергия столкновений на этом коллайдере составит 500 ГэВ при длине коллайдера 31 км. В проект заложена возможность увеличения энергии столкновений до 1 ТэВ, длина коллайдера при этом будет увеличена до 50 км. Технология, которую предполагается использовать при строительстве ILC, хорошо отработана. Во многом она опирается на технологию, созданную для строительства TESLA. Ускоритель TESLA предполагалось построить на территории научно-исследовательского центра DESY (Гамбург, Германия). По техническим характеристикам он схож с ILC. Строительство было практически одобрено и отменено в самый последний момент из-за возникших финансовых трудностей. ILC — международный проект, страны-участницы которого могут предлагать для строительства собственную территорию. Россия на правах участника ILC предложила строить его в Дубне.

Компактный Линейный Коллайдер, или сокращенно CLIC, – это второй из проектов строительства электрон-позитронного коллайдера. Предполагаемая энергия столкновений составит 3 ТэВ с возможностью последующего увеличения до 5 ТэВ. Длина ускорительного комплекса составит 48,3 км. Энергия CLIC превышает энергию ILC. Это несомненный плюс. Однако технология CLIC пока еще не отработана настолько же тщательно, как для ILC. На это потребуется еще как минимум несколько лет.

На первый взгляд, энергия электрон-позитронного коллайдера гораздо меньше, чем энергия БАК. Однако, в отличие от электронов, которые являются истинно элементарными частицами, протоны обладают внутренней структурой. Они состоят из кварков, удерживаемых вместе силами «сильного» взаимодействия, переносчиками которого являются глюоны. При столкновении протонов в коллайдере столкновения в реальности происходят между входящими в их состав кварками и глюонами, каждый из которых несет на себе лишь небольшую часть полной энергии протонов. При сравнении энергии этих столкновений с энергией электрон-позитронного коллайдера оказывается, что они сопоставимы.

В любом случае окончательное решение о необходимости строительства электрон-позитронного коллайдера и выборе технологии будет принято только после того, как на БАК будут получены результаты.

Почему линейный?

А почему будущий электрон-позитронный коллайдер должен быть линейным? Ведь в этом случае теряется основное преимущество кольцевых ускорителей, в которых частицы ускоряются многократно, проходя одни и те же ускорительные элементы при движении по кругу. Например, ускорение протонов на БАК от энергии в 450 ГэВ до энергии в 7 ТэВ предполагается осуществлять в течение 20 мин. За это время пучок протонов успевает пройти расстояние 36∙107 км (что примерно в два раза превышает расстояние от Земли до Солнца). Линейный коллайдер такой длины построить просто невозможно. Так что для постройки линейного коллайдера необходимо существенно увеличить темп ускорения. Даже при этом длина коллайдера составит десятки километров. Еще одним недостатком линейных коллайдеров является возможность установить только одну экспериментальную установку, так как точка столкновения пучков всего одна. На БАК, например, таких точек 4.

Казалось бы, если физикам так нужен электрон-позитронный коллайдер, почему бы не сделать его кольцевым? К сожалению, возможности создания кольцевого электрон-позитронного коллайдера ограничены самой природой. При движении заряженных частиц по кругу возникает синхротронное излучение, в результате чего частицы теряют свою энергию. Этот эффект практически не существенен для протонов (даже при энергиях БАК). Однако электроны, масса которых почти в 2000 раз меньше массы протона, будут терять существенную долю своей энергии вследствие синхротронного излучения. Выход в строительстве линейного коллайдера. Возможность сооружения такого коллайдера была продемонстрирована в Стэнфорде, где находится единственный в мире линейный электрон-позитронный коллайдер.

Мюонный коллайдер
Электрон принадлежит к классу лептонов — группе частиц, участвующих в электрослабых взаимодействиях. Другим представителем этого класса частиц является мюон. Это отрицательно заряженная элементарная частица, масса которой в 210 раз превышает массу электрона, что позволяет не заботиться о синхротронном излучении при ускорении мюонов в кольцевом ускорителе. Мюон был бы идеальной частицей для ускорения, если бы не его маленькое время жизни. Оно составляет всего 1,6 мкс. За это время мюоны необходимо разогнать до релятивистских скоростей. Это представляет серьезные технические трудности. Серьезные усилия по разработке технологии мюонного коллайдера стали прикладываться в середине 1990-х. В настоящее время существует концептуальный проект мюонного коллайдера с энергией в диапазоне 1,5–4 ТэВ. Однако реализация этого проекта, скорее всего, вопрос более отдаленного будущего, чем постройка электрон-позитронного коллайдера.

Возможно, первым шагом на пути создания мюонного коллайдера станет строительство нейтринной фабрики.

Нейтрино – это частица с удивительно маленьким сечением взаимодействия, обладающая вследствие этого огромной проникающей способностью. Например, для того чтобы нейтрино ударилось в преграду из железа, размер этой преграды должен быть сравним с расстоянием от Солнца до Юпитера. Поль Дирак – ученый, впервые предложивший эту частицу теоретически, даже заключил пари, что ее никогда не найдут экспериментально (действительно, как же ее обнаружить, если она ни с чем не взаимодействует?). Однако пари он проиграл. Частица была обнаружена еще при жизни ученого. В настоящий момент свойства нейтрино активно исследуются. Для этого, в частности, используются нейтринные пучки. На первый взгляд кажется невероятным, как вообще можно создать пучок нейтрино? Как заставить частицы, не обладающие электрическим зарядом и крайне неохотно взаимодействующие с веществом, лететь в одном направлении? Для этого используются предварительно ускоренные заряженные частицы (например, мюоны), при распаде дающие нейтрино. Если множество мюонов летят в одном направлении, то и образовавшиеся нейтрино также полетят в одном направлении. Вот вам и нейтринный пучок! Беда только в том, что живут мюоны крайне недолго, и за время жизни их не получается накопить в большом количестве. Точнее, не получалось. Этот пробел призван заполнить проект нейтринной фабрики, в основу которой положено создание «накопительных» мюонных колец, что в свою очередь является первым шагом на пути создания мюонного коллайдера.

Следующий адронный?
А будет ли построен следующий адронный коллайдер, превосходящий по энергии БАК? Ведь рано или поздно эпоха точных измерений (для которых в первую очередь необходим линейный электрон-позитронный коллайдер) будет закончена, и снова понадобится коллайдер для исследования новых диапазонов энергий. Такой проект существует. В 2010 году CERN объявил о планах построить в туннеле БАК (после прекращения его работы) адронный коллайдер с энергией 35 ТэВ.

Предел технологии
Каждое следующее поколение ускорителей становится все больше и все дороже. Огромная стоимость и сложность конструкции во многом объясняются тем, что существующая технология ускорения достигла своего предела. Так, внутри нового поколения линейных ускорителей необходимо поддерживать огромные ускоряющие поля. Однако при увеличении напряженности поля внутри ускоряющих элементов возникают пробои, приводящие к их разрушению. Чтобы справиться с этой проблемой, применяются специальные конструкции и дорогостоящие материалы. Для ILC и CLIC с большим трудом удалось создать ускоряющие градиенты порядка 100 МэВ/м.

Сильно увеличить это значение вряд ли удастся. Это определяет предел технологии для линейных коллайдеров.

В кольцевых коллайдерах ускоряющие градиенты не являются проблемой, из-за того что частицы можно многократно ускорять при движении по кругу.

Однако чем больше энергия ускоряемых частиц, тем сложнее их удержать на кольцевой траектории внутри ускорителя. Для этого используются сильные магнитные поля. На БАК магнитное поле 8,33 Тесла. На следующем адронном коллайдере, который планируется разместить в тоннеле БАК, после того как БАК завершит свою работу (речь об этом шла чуть выше), магнитное поле составит около 20 Тесла. Это почти предел современной технологии. Другой путь – увеличивать размеры ускоряющего кольца, в результате кривизна траектории частиц уменьшается, так что удерживать их внутри коллайдера становится проще. Однако, учитывая то, что размеры современных коллайдеров и так составляют десятки километров, дальнейшее их увеличение кажется весьма проблематичным и трудоемким делом.

Из-за гигантской стоимости новых ускорителей вопросы об их строительстве обсуждаются на общегосударственном уровне. И даже становятся разменной картой в руках политиков. Стоит вспомнить, например, о проекте SSC (Supercondacting Super Collider).

Этот адронный коллайдер с энергией пучков 20x20 ТэВ предполагалось построить в США. Да-да, это не опечатка! Суммарная энергия сталкивающихся пучков должна была составить 40 ТэВ.

Это почти в три раза превышает максимальную энергию БАК, которая будет достигнута только после проектных работ по усовершенствованию коллайдера, намеченных на 2012 год. Длина ускорительного кольца SSC должна была составить 87,1 км (длина БАК 27км). Строительство должно было завершиться в 1999 году. Реализация проекта началась. Было прорыто 22,5 км тоннеля, залито 17 шахт. К сожалению, впоследствии проект был закрыт.

Не говорит ли все это о конце ускорительной физики? Строительство новых коллайдеров с использованием существующих технологий становится все более затратным. А на реализацию проектов уходят десятилетия. Так, впервые о постройке БАК заговорили в 1984 году, а официальный запуск коллайдера состоялся только в конце 2009 года. Может быть, недалек тот день, когда построить новый коллайдер будет уже не по силам? Возможный выход из этой ситуации состоит в развитии новых технологий.

Плазменные ускорители
Одной из наиболее перспективных технологий является метод плазменного ускорения. В чем его суть? Как было сказано выше, современная технология ускорения практически достигла своего предела. Дальнейшее увеличение ускоряющих полей приводит к возникновению пробоев и разрушению стенок ускоряющих элементов. Но если так, то может быть, вообще можно обойтись без стенок? Большие электрические поля можно создать, например, в плазме. Плазма является газом, состоящим из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Обычно плазма электрически нейтральна, так как электроны и ионы равномерно распределены в объеме плазмы. А что если каким-то образом их разделить? Тогда возникшие электрические поля можно использовать для ускорения частиц. Но как добиться такого разделения?

Это можно сделать с помощью импульсного лазера или пучка электронов.

%Сгусток электронов, пролетая через плазму, расталкивает находящиеся на пути электроны плазмы.

Ионы при этом практически не смещаются, в силу того что их масса намного превышает массу электронов. В результате в месте, через которое только что прошел пучок электронов, на какое-то очень непродолжительное время образуется область, заполненная положительным зарядом. Сразу же за ней идет область, в которой электроны плазмы уже вернулись на свои места, сомкнувшись за прошедшим пучком. На границе между этими областями (в очень небольшом объеме) возникают огромные электрические поля. Этот участок передвигается вслед за пучком электронов, а частица, попавшая в этот участок, будет испытывать постоянное ускорение.

По-английски эта технология называется wakefield acceleration, т. е. буквально «ускорение в кильватерной струе». Эта аналогия не случайна. Представьте себе серфера, скользящего на доске по гребню волны. Если это естественная волна, то удовольствие серфера длится недолго (до тех пор, пока волна не ослабеет). Но что, если эту волну постоянно подпитывать? Например, впереди может идти моторная лодка, создавая за собой «кильватерную струю». Серфер может скользить на гребне этой волны. При этом ему даже не понадобится веревка, чтобы держаться за лодку. Нужна только волна.

Описанная идея не нова. Она была впервые сформулирована еще в работах Будкера и Векслера в середине 50-х годов XX века. Однако долгое время оставалась невостребованной из-за большого количества технических проблем и большого резерва обычной технологии ускорения. В настоящий момент технология плазменного ускорения активно развивается. Потенциал огромен! Было показано, что ускоряющие градиенты могут превышать 100 ГэВ/м. Это в 1000 раз больше, чем у CLIC (самого мощного из разрабатываемых электрон-позитронных коллайдеров). С таким темпом ускорения для того чтобы разогнать протоны до энергии БАК, понадобится ускоритель длиной всего в 70 метров (вместо 27 км). К сожалению, не все так просто. И на пути создания такого рода коллайдеров предстоит еще решить огромное количество технических проблем. Для того чтобы использовать создаваемые пучки в экспериментах, необходимо, чтобы энергия частиц в пучке имела примерно одинаковое значение. Долгое время этого не удавалось добиться. Энергия ускоряемых частиц оказывалась разбросанной в чрезвычайно широком диапазоне. Однако в последние годы в решении этого вопроса наметился серьезный прогресс. Другая проблема состоит в масштабировании технологии.

Как поддерживать большой ускоряющий градиент на больших расстояниях?

Ведь изначально такие огромные темпы ускорения удавалось создавать на расстояниях, не превышающих нескольких миллиметров. В решении этого вопроса также есть определенные успехи. Чтобы продемонстрировать принципиальную возможность поддерживать большие градиенты на сравнительно больших расстояниях, был проведен эксперимент. В конце Стэнфордского Линейного Коллайдера (SLC), ускоряющего электроны до энергии 42 ГэВ, была поставлена дополнительная ускорительная секция, основанная на технологии плазменного ускорения. Длина секции составляла около 85 см. При этом энергию электронов там удалось удвоить (максимальная энергия электронов составила 857 ГэВ). Это тем более фантастично, что для того, чтобы разогнать электроны до 42 ГэВ, на самом коллайдере требуется 3 км.

Несмотря на такие успехи, для создания многотэвных коллайдеров, основанных на данной технологии, наверное, понадобятся несколько десятков лет. А вот маленькие ускорители с энергией около 1 ГэВ, умещающиеся на столе, могут появиться в ближайшие несколько лет. Такие ускорители могут быть, например, использованы для создания компактных источников синхротронного излучения.

А что еще?

Рассказывая об ускорителях будущего, я, к сожалению, не смог упомянуть про множество других проектов, целью которых является не покорение новых рубежей энергии, а создание высокоинтенсивных пучков для исследования редких процессов (например, проекты SuperKEKB или SuperB). Не упомянул я и о проектах ионных пучков, таких как создание большого ускорительного комплекса FAIR, модернизации ускорителя RHIC или проекте нового ионного коллайдера NICA в Дубне. Пожалуй, сложно перечислить все в короткой лекции. Хочется надеяться, что большинство этих проектов будет реализовано.