Какими будут новые коллайдеры

Конференция коллаборация RDMS (Russia and Dubna Member States), работающей на эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) и отвечавшей за строительство ряда важных частей этого детектор, проходит каждый год. Конференция 2015 года в Варне была посвящена обсуждению горизонтов физики элементарных частиц, открывающихся со вторым рабочим запуском Большого адронного коллайдера. Физики и ускорительщики обсудили возможные модели новой физики, следы которой ученые надеются увидеть уже в ближайший год, а также варианты долгосрочного развития БАК. Кроме того, обсуждался проект будущего кольцевого коллайдера - адронной или лептонной машины, которая может быть построена в Европейской организации ядерных исследований (CERN) в 100-километровом тоннеле в 2030-е годы.

При этом Россия до сих пор не является ассоциированным членом (CERN). По словам министра образования и науки России Дмитрия Ливанова, это произойдет до конца 2015 года.

- Эцио, расскажите, каковы планы CERN на существующем коллайдере - БАК?

- Сейчас мы наконец начинаем работать на энергии, близкой к проектной - 13 ТэВ (проектная - 14 ТэВ). Кроме того, после проведенного в 2013-2015 годах апгрейда, когда мы сменили все проблемные соединения между сверхпроводящими магнитами (они вызвали в 2008 году аварию, выведшую машину из строя на год -), мы выходим на плановую светимость (во время работы в 2012 году мы достигли лишь 75% плановой светимости).

Это значит, что число столкновений протонов, в которых мы ищем интересные нам частицы, станет на треть выше.

С этими параметрами мы проработаем до середины 2018 года, после чего коллайдер остановится на полуторагодовой апгрейд, после которого мы планируем выйти на финальную энергию столкновений в 14 ТэВ и выйти на светимость в два раза больше проектной.

Так мы проработаем до конца 2022 года, а затем остановимся на 2,5 года, чтобы кардинально улучшить нашу машину. Этот коллайдер будет называться HL-LHC - High Luminosity LHC, энергия столкновений останется той же, а светимость должна увеличиться в 5−7 (возможно, 10) раз от номинальной. Что это значит? Значит, мы сможем за год собирать тот же объем данных, что при текущих параметрах мы соберем за пять лет, и получить в три раза лучшее разрешение. Этот проект финансируется CERN и сейчас уже находится на завершающих стадиях планирования и конструирования, и мы приступаем к производству. Это горизонт, который мы видим для БАК.

- Думаете ли вы о том, что придет на смену БАК?

- Да, конечно! Главное, что следует сказать - наши будущие планы будут очень сильно зависеть от того, что мы обнаружим на БАК. Причем принципиально важные ответы мы, наверное, получим уже в ближайший год - увидим ли мы новую физику, что это будут за частицы. Это будет важный период и с точки зрения технологий - мы увидим, насколько мы сильны, сможем ли мы добиться стабильной работы с максимально возможными характеристиками такого гигантского и сложного механизма.

Несмотря на эти неопределенности, CERN уже приступил к проработке возможных сценариев работы после окончания проекта БАК.

То есть общий план такой: сейчас у нас есть наш прибор, мы стараемся добиться от него максимальной производительности в сборе данных. Через 10 лет мы его частично перестраиваем, светимость увеличивается так, что мы можем получать в 10 раз больше данных. А через 20 лет мы строим новый прибор.

- Что это будет за ускоритель?

- В целом сейчас рассматриваются три возможности. Первое - адронный коллайдер, где сталкиваются протоны, как в БАК. Второе - лептонный коллайдер, как предшественник БАК в его тоннеле - LEP, коллайдер электронов и позитронов. И третья возможность, но она, на мой взгляд, менее интересна - столкновение адронов с лептонами. Сейчас мы находимся на стадии мозгового штурма и не отметаем ни одну из этих возможностей. Какой именно прибор окажется в новом большом тоннеле - сейчас идет речь о кольце длиной 100 км на площадке CERN - покажет физика.

Сегодня можно говорить о том, что технологически мы наиболее готовы к строительству электрон-позитронного коллайдера. То есть готовых решений нет, это нетривиальная задача, но есть понимание, как в реалистичные сроки разработать нужные технологии.

Для адронного коллайдера нам предстоит действительно толкать вперед технологии в большом числе аспектов, это серьезный вызов. Именно поэтому мы уже сейчас начинаем исследования для разработки технологий, нужных для создания такого прибора.

- В чем состоят основные сложности?

- Небольшой парадокс состоит в том, что ускоритель на 99% состоит из магнитов, которые не ускоряют частицы, и только 1% - непосредственно ускоряющих. Большая часть магнитов производят электромагнитное поле, изгибающее траекторию частицы так, чтобы она удерживалась в кольцевом ускорителе.

Зависимость между энергией и радиусом кривизны линейна, поэтому если вы хотите увеличить энергию, придется усилить и магнитное поле, иначе просто не получится удержать частицы на этой траектории. Это как если вы поворачиваете с шоссе: нельзя ехать слишком быстро, иначе вы вылетите с дороги. То есть при росте энергии нужно синхронно увеличивать магнитное поле (поэтому эти приборы называют синхротронами).

Сейчас на БАК мы работаем с магнитным полем в 8 Тесла - это на несколько порядков величины больше магнитного поля Земли. Если мы хотим увеличить энергию столкновений, мы должны или построить сильно больший тоннель (тогда радиус кривизны станет больше), или увеличить магнитное поле. План на будущий кольцевой коллайдер (программа FCC - Future Circular Collider) - увеличить энергию в семь раз, из который роста в два раза обеспечить увеличение магнитного поля с 8 до 16 Тесла и еще в три с половиной раза - увеличение длины тоннеля с 27 до 100 км.

16 Тесла - это верхний предел того сверхпроводящего материала, который мы сейчас изучаем - станнида триниобия, Nb3Sn. Это один из первых найденных людьми сверхпроводников (он был открыт в 1954 году), но использование его гораздо сложнее и дороже, чем титаната ниобия NbTi, который используется на БАК. Nb3Snдо настоящего времени использовался в ЯМР, но не в ускорителях. Магниты ускорителей гораздо сложнее, и нам предстоит эти технологии разработать.

- Несколько лет назад активно обсуждался проект Международного линейного коллайдера. Каков его статус сейчас?

- Да, это правда, несколько лет назад обсуждения вокруг этого проекта велись более активно - на размещение его претендовали и CERN, и Дубна, и площадка в Японии. Но сейчас в качестве флагманского проекта мировое сообщество склоняется к кольцевому ускорителю. Тем не менее, ILC - International Linear Collider - все еще может быть построен, если в этом будет заинтересована Япония как страна-хозяйка, хотя и другие страны могут внести вклад.

- Когда будет принято решение о том, каким будет будущий коллайдер?

- Относительно скоро, научное сообщество не может одновременно двигать все направления, я думаю, до 2018 года мы придем к консенсусу о том, каким будет следующий флагманский проект. Понятно, что когда эти коллайдеры будут построены, большинство из нас уже уйдет на пенсию, но это типичная ситуация для физики частиц - горизонт планирования в 10−20 лет. В 1970-ые годы люди также говорили об ускорителях, которые построили уже те, кто пришел им на смену.