Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC), который должен прийти на смену Большому адронному коллайдеру. Концепция предполагает создание в окрестностях Женевы тоннеля длинной 100 км, в котором планируется последовательно размещать ускорительные кольца для работы с пучками различных типов: от электронов до тяжелых ядер. Зачем физикам понадобился новый коллайдер, какие задачи он будет решать, и какую роль в этом играют ученные из России корреспонденту РИА Новости рассказал участник проекта FCC, профессор Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Виталий Окороков.

- Виталий Алексеевич, для чего физикам нужен Будущий кольцевой коллайдер?

- Проект FCC – один из важнейших пунктов новой редакции Европейской стратегии по физике частиц, которая формируется сегодня. Ученые из России участвуют в международных проектах в этой области фундаментальной науки - как в исследованиях на коллайдерах, так и в неускорительных экспериментах.

В современной физике мир элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью – квантовой теорией поля, включающей электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Состав фундаментальных частиц в этой модели был полностью экспериментально подтвержден с открытием бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК).

Однако ответы на многие важнейшие вопросы, например, о природе темной материи, о возникновении асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной и так далее, находятся за рамками Стандартной модели. Чтобы найти решения ключевых проблем фундаментальной физики, ученые проектируют новые, все более мощные ускорительные комплексы.

- Какие задачи будет решать Будущий кольцевой коллайдер?

- Это измерение параметров Стандартной модели с недостижимой прежде точностью, детальное исследование происходящих в очень ранней Вселенной фазовых переходов и свойств материи при экстремальных условиях, поиск сигналов новой физики за рамками Стандартной модели, в том числе, частиц темной материи.

С точки зрения физики, очень интересно изучить свойства сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и развить описывающую его теорию – квантовую хромодинамику.

- В чем суть этой теории?

- В соответствии с ней, частицы, называемые адронами, например, протоны и нейтроны, имеют сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами Стандартной модели, участвующими в сильном взаимодействии.

По существующим представлениям кварки и глюоны удерживаются внутри адронов и, даже при экстремальных условиях, могут быть квазисвободными только на линейных масштабах порядка размера атомного ядра. Это ключевая особенность сильного взаимодействия, которая подтверждена большим количеством экспериментальных и теоретических исследований.

Однако механизм этого важнейшего явления – удержания кварков и глюонов (конфайнмента) до сих пор не определен. На протяжении нескольких десятилетий проблема конфайнмента неизменно входит во всевозможные списки главных нерешенных вопросов фундаментальной физики.

В рамках проекта FCC планируется получить новые экспериментальные данные и существенно продвинуться в понимании свойств сильного взаимодействия, в частности, конфайнмента.

- Какими инструментами предполагается решать эти задачи?

- Для выполнения обширной программы исследований используется комплексный подход, в соответствии с которым проект FCC включает две стадии. Первая стадия "FCC–ee" предполагает создание электрон-позитронного коллайдера c энергией пучка в диапазоне от 44 до 182.5 гигаэлектронвольт.

На второй стадии "FCC–hh" эксперименты будут выполняться на встречных пучках протонов и ядер. В этом случае предполагается ускорять протоны до энергии 50 тераэлектронвольт и тяжелые ядра (свинец) – до 19.5 тераэлектронвольт. Это более чем в семь раз превосходит энергии, достигнутые на самом мощном действующем комплексе БАК. Его вместе со всей имеющейся инфраструктурой планируют использовать для получения пучков ускоренных частиц перед их вводом в основное стокилометровое кольцо нового коллайдера FCC–hh.

Сооружение внешнего линейного ускорителя электронов на энергию 60 гигаэлектронвольт позволит реализовать программу детального исследования внутренней структуры протона с помощью глубоко неупругого электрон-протонного рассеяния (FCC–eh).

- Разработка и строительство установок такого уровня занимает десятки лет. Когда начнется строительство? Когда предполагается получить первые научные результаты?

- В случае принятия концепции, начало реализации интегральной программы FCC планируется около 2020 года. Сооружение лептонного коллайдера FCC–ee займет примерно 18 лет при продолжительности последующей работы около 15 лет. Получается, что длительность первой стадии составит около 35 лет.

В ходе функционирования FCC–ee начнется подготовка второй стадии проекта. В соответствии с концепцией, в течение десяти лет после окончания работы FCC–ee будет выполнен его демонтаж, будет сооружено кольцо адронного коллайдера и будут установлены детекторы.

Получение новых данных для протонных и ядерных пучков запланировано на середину 2060 гг. Длительность работы FCC с протонными и ядерными пучками планируется около 25 лет и общая продолжительность второй стадии – около 35 лет.

Таким образом, предполагается, что эксперименты на FCC продлятся до конца XXI века. Этот проект будет носить действительно глобальный характер.

- Какую роль в проекте FCC играют ученые из России, в частности, из НИЯУ МИФИ?

- НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими организациями активно участвует в проекте FCC и выполняет научные работы как для физической программы будущих исследований, так и для ускорительного комплекса.

Ученые НИЯУ МИФИ сделали вклад в концепцию FCC, в частности, в первый том, содержащий описание общей физической программы для всех планируемых типов пучков, и в третий том, посвященный исследованиям с пучками протонов и ядер (FCC–hh).

- Расскажите подробнее, пожалуйста.

- Как упоминалось выше, при экстремально высоких температурах (в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца) и плотностях энергии кварки и глюоны могут становиться квазисвободными на ядерных масштабах, образуя новое состояние материи, которое обычно принято называть кварк-глюонной плазмой.

Столкновения пучков протонов и различных ядер при сверхвысоких энергиях коллайдера FCC–hh позволят исследовать, в частности, коллективные свойства кварк-глюонной материи, образуемой при взаимодействиях как больших систем (тяжелые ядра), так и малых (протон–протон, протон–ядро), предоставляя уникальные условия для изучения свойств многочастичных состояний.

Планируемое для FCC–hh, существенное, по сравнению с БАК, увеличение энергии и интегральной светимости пучков открывает качественно новые возможности по изучению, например, поведения самых тяжелых фундаментальных частиц Стандартной модели – бозона Хиггса (тяжелее протона примерно в 125 раз) и t-кварка (тяжелее протона примерно в 175 раз) – в горячей и плотной кварк-глюонной материи, а также их возможного использования в качестве "зондов" для определения свойств этой материи.

Летом 2014 года в ходе дискуссии в Институте физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" было выдвинуто предложение использовать бозоны Хиггса для изучения свойств кварк-глюонной материи. Это предложение вошло одним из пунктов в программу исследований с пучками тяжелых ядер на FCC. По моему мнению, это направление представляет значительный интерес для физики сильных взаимодействий.

Мы затронули лишь отдельные аспекты будущих исследований. Научная программа FCC очень обширна и работы в рамках данного проекта продолжаются.