Ускорител Световната машина на утре - спектър на науката
Ускорител: Световната машина на утрешния ден
Когато физиците на елементарните частици се събудиха на 5 юли 2012 г., навярно мнозина имаха специален въпрос в съзнанието си: Обявена ли е находката на тежък бозон в деня преди, всъщност частицата на Хигс, предсказана от Стандартния модел на физиката? Или може би е нещо още по-сложно и интересно, което предполага по-широка теория? Отговорите на това биха могли да определят бъдещето на физиката на елементарните частици.
Много физици се надяват - и очакват - че големият адронен колайдер (LHC) в Женева ще им даде някои отговори през следващите няколко години. Независимо от това, те вече усъвършенстват тактиката си за продажби, за да получат машина наследник за LHC: фабрика на Хигс, която може да хвърли светлина върху нова теория със значително по-точни измервания от днес.
„Знаем, че трябва да има нова физика извън стандартния модел“, обяснява Бари Бариш от Калифорнийския технологичен институт в Пасадена. Това е гарантирано, твърдят той и някои колеги, чрез някои явления, които едва ли се вписват в настоящия стандартен модел, като невидимата рамка на тъмната материя, която трябва да съставлява една четвърт от общата плътност на масата на Вселената, или че неутрино могат лесно да преминат от една форма в друга мога. Barish ръководи глобалния консорциум, разработващ International Linear Collider (ILC): един от кандидатите за следващата световна машина. Различни срещи за планиране, като тези от 10 до 12 септември в Краков или през юни 2013 г. в САЩ, имат за цел да обвържат изследователските приоритети на физиците на елементарните частици за следващите няколко години.
Плановете са едно, реалността е друго: Във времена на икономическа криза ще бъде огромно предизвикателство дори да се финансира нов ускорител на частици, предупреждава Кристофър Льевелин-Смит от Оксфордския университет и бивш директор в ЦЕРН. "Зависи от това кои други частици се откриват в LHC, дали новата система се поддържа единодушно от цялата физическа общност и колко в крайна сметка струва. Дори теоретичните съображения да са също толкова здрави, както при LHC и разходите са покрити това е трудна работа ", обяснява той.
LHC е жив
Един от централните въпроси е докъде могат да стигнат екипите на LHC, за да измерват свойствата на новите си частици. Във всеки случай участващите физици могат да очакват много повече данни и решителни надстройки на своето устройство през следващите десет години. И те вече биха могли да съобщят добри новини: масата на хигс бозона е около 125 гигаелектрон волта (GeV) в лекия край на теглото, което теоретиците са изчислили. Това има две важни последици, защото това означава, че дори относително скромният нов ускорител на частици би могъл масово да произвежда частици на Хигс. И оборудва новата частица с широк спектър от възможности за разпадане, така че изследователите могат по-лесно да сравняват нейните взаимодействия с други компоненти на стандартния модел.
Например, учените искат преди всичко да проверят как Хигс взаимодейства с фермионите на Стандартния модел, т.е. с електрони, мюони и кварки със спин квантово число 0,5. Вероятността за взаимодействие с всяка частица трябва да бъде пропорционална на нейната маса - не на последно място, защото според Стандартния модел именно това взаимодействие с частицата на Хигс създава действителната маса. Вторият приоритет е да се провери дали собственото въртене на новата частица съответства на стойността 0 от стандартния модел. Физиците на LHC вече могат да кажат, че новата частица е бозон, който трябва да има спин от 0, 1, 2 или някакво друго цяло число. Вече можете да изключите спин от 1, тъй като бозоните са се разпаднали на двойки фотони, които също са бозони и по този начин въртят 1 частици. Никой физик все още не е измислил луди теории, които включват бозони със завъртане по-голямо от 2, казва Алберт дьо Роек от CERN, който координира Компактния Мюон електромагнитен детектор в LHC. Следователно изследователите сега се опитаха да определят дали това е спин 2 или спин 0 бозон, както се прогнозира.
LHC ще изясни този въпрос, подчертава Ролф Хойер, генерален директор на CERN. Все още обаче не е ясно докъде може да стигне неговата машина, за да прекъсне връзките между бозона и други частици - особено това, което дава на Хигс собствената му маса. Досега участващите физици са успели само да докажат, че взаимодействията на Хигс бозона с други частици са доста съвместими с прогнозите на Стандартния модел в рамките на текущата несигурност на измерването от 30 до 40 процента. Според де Роек ускорителят трябва да намали тази стойност до около 20% до края на 2012 г .; през следващите 10 до 15 години са възможни дори „много малко проценти“.
Но точно поради тази причина много физици призовават за нов ускорител на частици. Един наистина обвързващ тест на стандартния модел - който би разкрил дори най-малките отклонения и по този начин ще покаже пътя към още по-добра теоретична структура - изисква точност на измерване на взаимодействията на Хигс с максимално отклонение от един процент. Дори стойности до 0,1 процента биха били оптимални, ако теоретичните прогнози също се подобрят през следващите няколко години. И това е ниво, което LHC трудно може да достигне.
Грубият блок сред машините
Машината работи като чук: в нея се сблъскват токове от стотици милиарди протони на енергийно ниво, което достига седем тераелектронни волта (TeV) на лъч. Това благоприятства откриването на нови тежки частици, но затруднява прецизните измервания, тъй като протоните се състоят от хаотичен прилив на кварки и глюони, които правят сблъсъците хаотични.
Вместо това физиците призовават за някакъв вид лептонов ускорител в своите приложения, тъй като лептоните - група леки частици като електрони, мюони или неутрино - избягват хаоса, защото не участват в силните взаимодействия кварк-глюон, които от своя страна водят до тях Произвеждат бъркотия. Лептоните са елементарни частици, които имат само относително малък ефект един върху друг чрез електромагнитни и слаби сили. Следователно лептоновите ускорители работят по-скоро като скалпели, а не като отбойни чукове: Техните сблъсъци могат да бъдат фино настроени спрямо масата на съответната частица, а полученият облак от частици ще бъде сравнително чист и лесен за интерпретация.
За да спестят разходи, някои физици се застъпват за простото поставяне на тръбите на новия ускорител до тези на LHC и причинявайки сблъскване на противоположни лъчи от електрони и позитрони. Това предложение - известно като LEP3 (в чест на Големия електронен-позитронен колайдер, който пое тунела под Женева пред LHC), излезе едва миналата година, когато първите доказателства за новата частица започнаха да се натрупват. LEP3 може да генерира бозони на Хигс само с 120 GeV на лъч - обща енергия от 240 GeV: В сравнение с първоначалния LEP максимум от 209 GeV, ще трябва само да засили малък зъб. По-новите технически разработки биха могли да увеличат още повече степента на производство, тъй като те позволяват 500 пъти по-голям процент на сблъсък от този на оригиналния LEP.
„Сега може би е време Европа да върне услугата“
(Лин Евънс)
Ако LEP3 е построен в съществуващия LHC тунел, изследователите могат не само да рециклират някои от детекторите, но и да използват инфраструктурата на CERN, като захранване или обработка на данни. Тези синергии биха намалили очакваните разходи за LEP3 до един до два милиарда долара - много по-малко от шестте милиарда долара, които в крайна сметка струва LHC. „Има нещо убедително в предложението“, подчертава привърженикът на LEP3 Ален Блондел от Женевския университет. Той посочва, че така или иначе има достатъчно място за лептоновия ускорител, без да се налага да премахвате LHC: Първоначално тунелът е проектиран да побере едновременно и двата ускорителя.
Мюони или електрони
Въпреки всичките си предимства като високопродуктивна фабрика на Хигс, LEP3 има и един основен недостатък: не може да изследва частици, които са по-тежки от частиците на Хигс. И това би се превърнало в проблем, ако LHC открие други тежки частици, които теоретиците прогнозират въз основа на суперсиметрия, или ако ускорителят дори трябва да даде улики за други измерения. Практически е невъзможно да се повиши енергийното ниво на LEP3 толкова високо, че също така позволява изследването на по-тежки частици, тъй като това би довело до загуба на синхротронно излъчване: електромагнитните вълни, които електроните или позитроните "изхвърлят", когато препускат през магнитно поле разсейвам се.
Това не е проблем с протоните на LHC, тъй като загубите на енергия поради синхротронно излъчване намаляват драстично с частици с по-голяма маса и протоните са две хиляди пъти по-тежки от електроните; с LEP3 това би било сериозно. Енергийното ниво на ускорителя може да бъде увеличено само ако радиусът му стане по-голям - което не би било възможно без друг тунел. Следователно някои физици вече бяха предложили да се пробие нова тръба под Женевското езеро, за да се инсталира електрон-позитронна машина с радиус от 80 километра. В обозримо бъдеще обаче той не вижда шанс за това, казва Хойер.
Поради това много учени по света обсъждат алтернативни концепции за фабриката на Хигс, която с обиколка от 1,5 километра би била значително по-малка от LEP3. Тук се сблъскват мюонни токове, които имат 207 пъти масата на електрон без значителни загуби от синхротронно излъчване. Могат да възникнат десетки хиляди хигс бозони, въпреки че общата енергия на сблъсъка е само 125 GeV, а не 240 GeV, както в LEP3. Освен това техниците биха могли да увеличат количеството енергия толкова високо, че да могат да се изследват и по-тежки частици.
Мюонният ускорител обаче има свои собствени проблеми. Мюоните се разпадат на електрони и неутрони само след 2,2 микросекунди - което по принцип представлява дълъг експлоатационен живот в субатомната сфера със своите милиардни наносекундни диапазони, означава практически незабавно за инженерите. Човек би трябвало да произведе мюоните, като преследва протонен лъч в метална мишена, след това преобразува резултата в регулиран лъч и след това го ускорява до необходимата енергия. И всичко това трябва да се случи в рамките на време, което е по-малко от миг на око. Експериментът с мюонно йонизационно охлаждане (MICE) в лабораторията Rutherford Appleton близо до Оксфорд се справя с това предизвикателство. Резултатите трябва да са налични до 2016 г., а процесът трябва да бъде зрял, за да може ЦЕРН да го използва за стартиране на производството на неутрино, за изпращане на лъчите от мюонни неутрино през земята до детектори на хиляди километри разстояние.
Линейният ускорител
И все пак много физици са скептични. „Съмнявам се, че ще видя ускорител на мюони в живота си“, казва Брайън Фостър от Оксфордския университет. "Опитваме се да" охлаждаме "мюони повече от десет години, което е изключително трудно." Фостър е европейският регионален директор за конкурентния проект на линеен ускорител LEP: дълъг, прав електронен ускорител, който се задейства директно в тръбата на еднакво дълъг и прав ускорител на позитрон, така че лъчите му да се срещат точно в средата. Тъй като няма криви, няма загуби поради синхротронно излъчване. Те също могат да бъдат надграждани толкова често, колкото искате, като просто удължавате крайните им точки.
Тази идея се появи за първи път през 80-те години, което в крайна сметка доведе до две концепции. ILC ще бъде дълъг 30 километра и ще използва изпитани и изпитани на практика технологии за постигане на енергия от 0,5 TeV - с възможност за увеличаване до 2 TeV. Цена: около 6,7 милиарда долара. Компактният линеен колайдер (CLIC), предпочитан от CERN, от друга страна, се простира на над 50 километра, но ще разчита на нови ускорителни технологии, които ще му дадат обща енергия от 3 TeV. Разходите му все още са напълно неясни, но поне енергийното му ниво отваря напълно нови възможности за откриване и по-прецизни измервания. За да обединят усилията си, физиците на частиците от ILC и CLIC работят под ръководството на бившия директор на LHC Лин Еванс, за да изработят предложение за един линеен ускорител до 2015 г.
Разумно е да се започне с линеен ускорител, който достига 250 GeV, за да се тества бозонът на Хигс; след това енергията постепенно се увеличава до стойност от 500 GeV, смята Еванс. Тогава той може да генерира двойки Хигс бозони, които изследователите могат да изследват по отношение на техните свързващи свойства помежду си и взаимодействията с най-тежката материална частица от всички - горния кварк. По-високите енергийни нива са технически осъществими, но поглъщат повече електроенергия, например производствения капацитет на средно голяма електроцентрала. "Горната граница за такава система вероятно е в диапазона на максимално възможното енергоснабдяване в CERN. Това в момента е 300 мегавата", каза Еванс.
Но къде трябва да се намира този лептонов ускорител? Основното правило е, че приемащата държава плаща около половината от разходите - в очакване на дългосрочни икономически печалби. Икономическата среда обаче в момента затруднява този аргумент, което е особено вярно за проекти, които политиците смятат, че не обещават краткосрочни предимства за своите избиратели.
Ускорителна глобализация
Ако в следващите няколко години наистина бъде решен нов линеен ускорител, той вероятно няма да бъде построен в Женева, смята Еванс. Въпреки огромната техническа и политическа инфраструктура, CERN има достатъчно дълго време да се справи с LHC, който също ще достигне максималната си енергия от 7 TeV най-рано през 2014 г. Пикът на творческия му блясък дори не е планиран за 2022 година.
Пиер Одоне, директор на Fermilab, подозира, че САЩ също няма да бъдат вероятни: „Трябва да започне драстично преосмисляне“. След затварянето на ускорителя Tevatron на Fermilab фокусът на физиката на високоенергийните частици се измества към Европа. Американските изследователи, от друга страна, се концентрират върху областта на интензивността и изследват как редки частици взаимодействат помежду си, например като произвеждат интензивни неутрино течения. И все пак, според Oddone, „бюджетът ни беше рязко намален тази година и ние се борихме да управляваме правилно съоръжение, което струва само една десета от ILC“. Освен това за САЩ би било „много трудно“ да допринесат значително за лептонов ускорител, който се изгражда другаде в момента.
"Вероятно телефонен разговор между президент и министър-председател решава за това"
(Пиер Одон)
Поради това много наблюдатели смятат, че Япония ще бъде най-обещаващият кандидат за местоположението на бъдещите машини. Например, страната направи важен принос за LHC в средата на 90-те години, когато се натъкна на финансови затруднения. "Сега може би е време Европа да върне услугата", каза Евънс. Японският премиер също беше положително настроен към ILC миналия декември, малко след като бяха публикувани предварителните резултати за новия бозон. И има фини индикации за допълнително финансиране, тъй като новият ускорител се обсъжда като част от по-голям икономически план: Той има за цел да върне икономически изгубения от земетресение и цунами регион на крака икономически.
Машината трябва да служи като опорна точка на „международен град“, който включва други изследователски съоръжения, индустриални зони и образователни центрове. И накрая, ILC остана високо в списъка с желания на японските физици на елементарните частици, когато наскоро излязоха с последния си петгодишен план.
Така че може ли ILC да се нарече безопасен залог? „Боже, не“, възкликва Фостър. "Но това е най-големият ни шанс, който имахме от дълго време." Womersley изчислява вероятността машината да бъде построена от 50/50. "Не бива да приемаме финансирането за даденост само защото беше открит Хигс." Oddone смята, че ще минат десет години от новаторската до оперативната ILC; освен това ще има време за подготовка. "Значи говорим най-рано за 2025 година. Но кой започва такъв проект, преди да стане известно какво може да открие LHC? Може би все още има неща, които са много по-екзотични от бозона на Хигс."
Като цяло много физици на елементарните частици мечтаят за цялостно съзвездие, което обхваща и трите области: LHC изследва високоенергийния фронт в Европа, различни неутрино експерименти в САЩ достигат границата на интензивност, а нов лептонов ускорител в Япония заковава всички детайли на други екзотични нови частици, които LHC все още не е открил. Одон смята, че дали тази мечта ще се сбъдне, зависи не само от учените: „Вероятно телефонният разговор между президент и министър-председател ще реши“.
Оригиналният текст се появява под заглавието "Новият пейзаж на частиците" в Nature 488, стр. 572-575.