О том, что ждет Большой адронный коллайдер (БАК) в ближайшие 15 лет, какие ускорители могут прийти ему на смену и каковы перспективы физики элементарных частиц в ЦЕРНе и Европе, «Ленте.ру» рассказал известный итальянский физик Гвидо Тонелли, побывавший в Болгарии, в Варне, на конференции коллаборации RDMS (Russia and Dubna Member States — Россия и страны-участницы Объединенного института ядерных исследований в Дубне). Этот коллектив физиков и инженеров разработал ряд принципиально важных элементов детектора CMS (Compact Muon Solenoid — компактный мюонный соленоид), на котором был обнаружен бозон Хиггса.
«Лента.ру»: Есть ли понимание направления развития физики элементарных частиц на следующие 10-20 лет?
Гвидо Тонелли: Многое зависит от того, что мы увидим или не увидим в ближайшие годы на БАК. С открытием бозона Хиггса Стандартная модель оказалась «закрыта», теперь мы ищем частицы, которые откроют перед нами новую физику. Ситуация может измениться кардинально, открытие огромной важности возможно в любой день. Однако точно известно, что БАК проработает еще около 15 лет, причем в 2020-е годы он подвергнется масштабному апгрейду — проект называется HL-LHC (High Luminousity LHC — Большой адронный коллайдер высокой светимости). Скорость набора данных повысится в десять раз.
Что придет ему на смену?
Сейчас для протон-протонных ускорителей мы думаем о максимально возможной энергии в сто тераэлектронвольт — это в кольце коллайдера длиной сто километров (туннель БАКа — 27 километров — прим. «Ленты.ру»). Рассматриваются и другие варианты — строительства коллайдера электронов и позитронов (как LEP, который находился в том же туннеле до БАК) или протон-электронный коллайдер.
Чем отличаются протонные и электрон-позитронные коллайдеры?
У каждого свой круг задач. Наблюдения в электрон-позитронных коллайдерах гораздо чище, чем в адронных коллайдерах, потому что участники столкновений очень простые. Лептоны, к которым принадлежат электроны и позитроны, — это элементарные частицы, они не делятся на более мелкие. Поэтому и взаимодействие их дает более простой и чистый спектр продуктов (конечно, есть еще излучение, фотоны, но это не слишком усложняет картину).
Протоны — сложные составные частицы, дающие при столкновении широкий спектр продуктов и взаимодействий. Мы понимаем, как устроен этот процесс, мы можем очистить данные, но все же это менее чистая среда. Зато в адронном коллайдере гораздо легче добиться более высоких энергий и более широкого спектра энергий. Поэтому если мы хотим высокого разрешения, точности, изучая уже найденные частицы, электрон-позитронный коллайдер — оптимальный выбор.
Но так мы достаточно быстро достигнем предела энергии, поскольку столь легкие частицы легко испускают синхротронное излучение, и для их удержания требуется слишком много энергии. Протон почти в две тысячи раз тяжелее, его можно ускорить до очень высокой энергии и искать новые частицы — каждое столкновение покрывает широкий спектр. Адронные коллайдеры — это поисковые машины, а электрон-позитронные — точные исследовательские. Хотя и на протонном приборе можно достичь хорошей точности, компенсируя внутренние минусы набором очень большой статистики.
А что с электрон-протонными коллайдерами?
Лично я считаю, что это наименее интересная возможность. Такие приборы позволяют провести новые измерения, сталкивая «чистую» частицу — электрон — с «грязной» мишенью — протоном. Но нет тех преимуществ, которыми обладают лептонные и адронные машины. Поэтому строительство непосредственно электрон-протонного коллайдера маловероятно. Скорее, это будет опцией какой-то из существующих машин (как сейчас в БАКе есть возможность инжектировать тяжелые ядра — свинца).
Положим, мы построили адронный или электрон-позитронный коллайдер, уже есть вся инфраструктура, и затем с дополнительными вложениями — относительно небольшими — мы модифицируем его на какой-то промежуток времени для работы в режиме протон-электронных столкновений. Это возможно, если предложить достойную научную программу.
Как сейчас работают физики — ведь неизвестных параметров очень много?
На самом деле именно сейчас нужно начинать R&D в области коллайдеров. Потребуется время, чтобы разработать, протестировать и вывести на промышленный уровень сверхпроводящие магниты, которые мы, надеюсь, сможем установить на новый коллайдер. Конечно, в идеальном мире, если бы у нас были безграничные ресурсы, мы хотели бы, как это было с LEP и БАК, построить в одном тоннеле длиной сто километров сначала электрон-позитронный, а затем и протонный коллайдер. Но с учетом стоимости столь масштабной и сложной инфраструктуры это вряд ли удастся.
Фото: Frank Meier / Flickr
Такой тип исследований — долгосрочные научные инвестиции. Мы исследуем то, что может найти применения через двадцать, пятьдесят, даже сто лет. И одновременно мы двигаем вперед технологии, связанные с нашей наукой. Это долгосрочный план, и очень важно, чтобы в обществе кто-то занимался такими проектами.
Текущие и перспективные проекты ЦЕРНа получают достаточную поддержку?
У меня смешанные чувства в связи с этим. В принципе у нас неплохое финансовое положение. Но если посмотреть на окружающую действительность: экономический кризис в Европе, у ряда стран серьезные трудности... Тем не менее факт остается фактом: Совет Европы одобрил программу HL-LHC, и это хороший знак доброй воли. Сможем ли мы трансформировать это в поддержку будущих проектов, сказать сложно.
В данный момент правительства слушают нас, физиков, и готовы ответить на вопросы, если мы их зададим. Сейчас мяч на стороне физиков и специалистов по ускорителям, это мы должны выйти к политикам с предложением. А для этого нам нужно два-три года. В 2018-м состоится обновление стратегий европейских стран, и если мы убедимся в том, что нужны серьезные инвестиции, мы так об этом и скажем.
Многое будет зависеть от того, какая финансовая ситуация сложится в мире к тому времени. Еще один фактор — неевропейские страны. Например, Китай и Япония очень активно развивают свои программы в области физики частиц, так что, возможно, мы вступим в коллаборацию с ними. Или у нас будут конкурирующие проекты.
Какова вероятность реализации новых проектов вне ЦЕРНа?
Все может быть, но по ряду причин строить ускорители там, где уже есть вся инфраструктура, гораздо эффективнее. В США был пример, когда проект перенесли в Техас, а не продолжили в Фермилабе. Машину мощностью 20 тераэлектронвольт — конкурента БАК — даже начали строить, прорыли несколько километров туннеля. Потратив около миллиарда долларов, поняли, что расходы выходят из-под контроля, и проект был закрыт решением Конгресса.
Корпус недостроенного сверхпроводящего суперколлайдера в Техасе в 2008 году
Фото: Bomazi/ wikipedia
И именно тогда Карла Руббиа в Европе предложил обойтись чуть более скромной машиной — в 14 тераэлектронвольт, но с очень высокой светимостью и интенсивностью. И построить ее в уже имеющемся туннеле. Это оказалось победной стратегией: БАК построен, на нем уже найден бозон Хиггса, и мы ждем новой физики! И для коллайдера длиной сто километров ЦЕРН может предложить всю инфраструктуру, включив действующие ускорители в эту систему.
И главное — здесь есть, кому строить. Можно быть уверенным, что если решение будет принято, все построят. Стоимость может быть очень высокой, но расходы останутся под контролем, не вырастут. Другие площадки этого не гарантируют. И еще один фактор: сейчас Европа — безусловный лидер в физике частиц. Коллайдер, открытие бозона Хиггса — это знак качества.
Это кульминация 16-летней работы. Когда мы начинали, в лидерах были США, еще СССР, а ЦЕРН был новичком. Это не столь уж частый пример европейского лидерства, и было бы очень жаль — и ученым, и политикам — прекратить вложения в область, где Европа находится на переднем крае науки и технологий. Поэтому мы с оптимизмом смотрим в будущее.