Всех разгоним: новый коллайдер будет меньше и мощнее, чем планировали
Создаваемый в Новосибирске коллайдер будет вдвое компактнее, чем планировалось: его длина составит всего 470 м. Ученые придумали, как сделать ускоритель меньше и дешевле, но при этом мощнее. С помощью нового аппарата специалисты планируют решить загадку антиматерии, а также внести правки в Стандартную модель взаимодействия элементарных частиц, которая сейчас не объясняет происхождение вещества, темной материи и энергии. Обычно подобные установки обладают внушительными размерами для достижения необходимых значений энергии, как, например, Большой адронный коллайдер, длина которого 27 км. Однако российские ученые предложили иной подход — использование большей интенсивности, а не энергии, благодаря чему ускоритель займет сравнительно малую площадь. Новый инструмент обеспечит мировой приоритет отечественной науке в течение 10 лет.
Задать ускорение
Существует два основных способа поиска новых явлений в физике частиц — использование либо большей энергии, либо интенсивности. Чем больше энергия сталкивающихся пучков, тем больше масса частиц, которые могут родиться в таких столкновениях. Сейчас самая «энергичная» машина — Большой адронный коллайдер, на котором активно проводят эксперименты по поиску новых частиц. Проблема в том, что такие ускорители очень дороги. Кроме того, на данный момент неизвестны значения энергии, при которых ожидаются эффекты, выходящие за пределы Стандартной модели (СМ) — теории, описывающей электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие элементарных частиц. Строить же грандиозные установки наугад — неоправданно дорого.
В 2011 году правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мегасайенс для реализации на территории РФ, среди которых был электрон-позитронный коллайдер Супер С-тау фабрика. В 2017 году проект Супер С-тау фабрики включили в план мероприятий по реализации Стратегии научно-технологического развития России, а в 2018 году он вошел в число проектов программы развития Новосибирского научного центра Сибирского отделения РАН «Академгородок 2.0». Основная цель экспериментов на Супер С-тау фабрике — изучение частиц, содержащих очарованные кварки и тау-лептоны, поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью. Стоимость реализации проекта составляет около 37 млрд рублей в текущих ценах, срок создания установки — шесть лет с момента начала финансирования работ, период сохранения мирового приоритета — не менее 10 лет.
Поэтому в последние пару десятилетий активно развивается другой путь — повышения точности, которое напрямую связано с интенсивностью пучков. В квантовом мире все явления случайные и измерить можно только вероятности. Чтобы улучшить точность измерения вероятностей, надо увеличивать количество статистических данных — наблюдать большее число столкновений пучков. Однако для того, чтобы, например, увеличить точность в 10 раз, статистику нужно увеличить в 100 раз. Именно эта цель поставлена в проекте новосибирских ученых под названием Супер С-тау фабрика. С ее помощью планируется открыть нечто новое в области физики и, возможно, внести правки в Стандартную модель (СМ).
В конце года Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН планирует предоставить обновленную версию всего проекта, которая значительно отличается от первоначальной. В частности, периметр ускорителя уменьшился с 800 м до 470 м, что снизило стоимость установки, и при этом удалось улучшить ее параметры: максимальная энергия в пучке увеличилась с 2,5 ГэВ до 3 ГэВ.
Сегодня примерная стоимость реализации проекта, в которую входит разработка, создание и строительство ускорительной, детекторной и инфраструктурной частей коллайдера составляет около 37 млрд рублей. На данный момент государственное финансирование проекта не началось, работы проводят в основном за счет собственных средств института, а также в рамках госзадания и грантов Российского научного фонда.
Новая физика
Физики планируют проверить СМ, изучая распады тау-лептонов. Эти частицы — родственники электронов, которые имеют такой же заряд и вообще много общего, кроме массы, которая у тау-лептонов в 3 тыс. раз больше. Именно в процессе их распада можно увидеть процессы, которые называют новой физикой. Она призвана объяснить происхождение массы, темной материи и энергии.
— Здесь новосибирская Супер С-тау фабрика будет вне конкуренции во всем мире, — пояснил ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН Валерий Рубаков. — Если новая физика такова, что она приводит к новым явлениям с участием тау-лептона (а ряд теоретических подходов дает основания для такого вывода), то именно на Супер С-тау фабрике будут сделаны важнейшие открытия в данной области фундаментальной науки.
В распадах образующихся тау-лептонов проявляются тонкие детали рождения и аннигиляции частиц в вакууме, отмечает начальник отдела лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Олег Теряев. Это дает вклад в свойства других частиц — мюонов, где уже много лет наблюдается некоторое расхождение результатов экспериментов с предсказанием СМ. Если расхождение связано с проявлением новой физики, то можно надеяться и на ее проявления в высокоточных измерениях на Супер С-тау фабрике, утверждает эксперт.
Помимо детального изучения свойств тау-лептона в планы ученых входит поиск и исследование совершенно новых форм материи.
— Конечно, невозможно однозначно утверждать, что Супер С-тау фабрика гарантированно позволит увидеть то, что не описывается СМ, — добавил директор Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, академик РАН Павел Логачев. — Но даже если обнаружить такие явления не удастся, понимание физики в этой области энергий значительно улучшится, что интересно и само по себе, и абсолютно необходимо для продолжения поисков явления за рамками СМ.
При этом Супер С-тау фабрика обеспечит развитие целого ряда прикладных инновационных направлений. При создании коллайдеров неизбежно развиваются новые технологии детектирования различных видов излучения для регистрации частиц. Эти же технологии применяются при создании оборудования для медицины — например, рентгеновских установок для цифровой рентгенографии, а также для досмотровых систем.
Сейчас коллектив ученых занимается детальной проработкой отдельных задач проекта Супер С-тау фабрики. Например, одна из групп работает над созданием цифровой модели будущего детектора. Ведь еще до строительства установки физики должны понять, как будут сталкиваться пучки, рождаться частицы, формироваться сигналы в регистрирующей их электронике и как будет проходить их обработка.
