Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


13.06.2013

Физика элементарных частиц за пределами БАК: что ожидать от нового коллайдера

Судьба Международного линейного коллайдера решалась вчера специалистами ведущих лабораторий в ходе проводимой через интернет видеоконференции. Проект был представлен исследователями из Токио, Женевы и Чикаго. На его разработку было потрачено более десяти лет. Итоговый пятитомный доклад содержит планы по использованию нового ускорителя для изучения лептонов первого поколения и проверке положений современных теорий из области физики элементарных частиц. Одной из главных задач указывается постановка экспериментов, проливающих свет на природу тёмной материи.

Схема Международного линейного коллайдера (изображение: ILC GDE)
Схема Международного линейного коллайдера (изображение: ILC GDE)

Сегодня Большой адронный коллайдер считается самым крупным ускорителем элементарных частиц. С его помощью был обнаружен бозон Хиггса и определена его масса, подтверждено существование топ-кварка и сделан целый ряд других открытий. Однако его возможности не безграничны, а Стандартная модель – вовсе не предел в развитии наших представлений о свойствах элементарных частиц. Чтобы двигаться дальше, требуются новые ускорители – не столько более мощные, сколько принципиально другие.

Над проектом ILC (International Linear Collider) уже трудятся свыше тысячи учёных и инженеров из более чем ста университетов и лабораторий двух десятков стран. В отличие от кольцевой архитектуры БАК, компоненты нового ускорителя будут размещены в прямом тоннеле длиной тридцать один километр. Однако столкновения электронов и позитронов будут происходить не просто на встречных курсах. В ILC применяется довольно сложная и точно рассчитанная форма трека для получения дистанции пробега частиц, превышающей длину коллайдера. Это позволяет достичь более высоких энергий и снизить потери на синхротронное излучение при сохранении относительно компактных размеров.

В БАК ускорялись тяжёлые заряженные частицы – протоны. Каждый протон состоит из трёх других фундаментальных частиц – кварков. При обычных условиях три кварка (uud) удерживаются вместе за счёт сильного ядерного взаимодействия и ведут себя как одна элементарная частица с положительным зарядом. При столкновении протонов друг с другом и с ионами металлов на скоростях, близких к световым, кварки высвобождаются и порождают новые частицы.

Подбирая условия экспериментов, предпринимались попытки зарегистрировать появление теоретически предсказанных ранее частиц и измерить их энергию-массу. Так был открыт и бозон Хиггса – квант поля с нулевым спином, необходимый для понимания природы массы. Его существование постулировал Питер Хиггс ещё в 1964 году, но подтвердить это предположение удалось лишь спустя сорок восемь лет, используя самый совершенный на сегодня ускоритель элементарных частиц.

Помимо наблюдения за результатами столкновения адронов, для развития Стандартной модели и выхода за её пределы требуется проведение экспериментов с другими фундаментальными частицами – лептонами. Они не участвуют в сильном взаимодействии, и их непосредственное изучение с помощью БАК невозможно.

Согласно последним данным проекта WMAP, доля «обычного» (адронного, а точнее — барионного) вещества во Вселенной составляет не более 4,6 процента. Гораздо большая часть представлена чем-то другим, получившим рабочие названия «тёмная материя» (24 процента) и «тёмная энергия» (71,4 процента).

Эволюция Вселенной в рамках теории большого взрыва (linearcollider.org)
Эволюция Вселенной в рамках теории большого взрыва (linearcollider.org)

Сейчас мы постепенно приближаемся к пониманию того, что такое «тёмная материя», методом исключения. Последовательно предлагаются различные кандидаты на роль этого загадочного вещества, не взаимодействующего с электромагнитным излучением, но проявляющего выраженные гравитационные эффекты. Сегодня главными кандидатами на роль тёмной материи видятся тяжёлые (стерильные) нейтрино, легкие суперсимметричные и нейтральные псевдоскалярные частицы.

Чтобы подтвердить или опровергнуть каждое такое предположение, требуется разработать методику экспериментальной проверки и реализовать весьма специфические условия для регистрации результата. Именно это и будет происходить в тоннеле ILC.

Модель для тестирования ускорителя линейного коллайдера (фото: ilc-higrade.eu)
Модель для тестирования ускорителя линейного коллайдера (фото: ilc-higrade.eu)

По аналогии с БАК, строящийся ускоритель можно было бы назвать «Большим лептонным коллайдером», так как в нём будут взаимодействовать лептоны первого поколения: электроны и их античастицы – позитроны. В отличие от протонов, они (по имеющимся данным) не имеют внутреннего состава. То есть результаты их столкновения должны быть менее вариабельными и более однозначными в интерпретации. Одной из ключевых задач ILC на первом этапе будет уточнение результатов, полученных на БАК.

Внутри тоннеля будет поддерживаться температура вблизи абсолютного нуля. В ILC будет установлен фотокатод, испускающий электроны под воздействием импульсов лазера длительностью 2 нс. Расчётным методом установлено, что на первичном этапе электроны будут достигать энергии 5 ГэВ. Их дальнейшее ускорение будет выполняться за счёт сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 1,3 ГГц.

Каждый пучок диаметром в доли миллиметра будет содержать около 20 млрд электронов и позитронов. Высокая концентрация частиц позволит достигнуть числа столкновений около семи тысяч в секунду. Их полная энергия оценивается величиной порядка 500 ГэВ. В планах развития проекта ILC указывается возможность дальнейшего увеличения этого показателя вдвое.

Для сравнения: самый большой из действующих линейных ускорителей сегодня находится в Стэнфорде и характеризуется довольно скромным показателем в 50 ГэВ.

Стэнфордский центр линейного ускорителя (изображение: cnx.org)
Стэнфордский центр линейного ускорителя (изображение: cnx.org)

Стэнфордский центр линейного ускорителя — общий вид (фото: flickr.com)
Стэнфордский центр линейного ускорителя — общий вид (фото: flickr.com)

Предполагается, что для фиксации результатов каждого эксперимента на ILC потребуется массив накопителей большей ёмкости, чем используемый сегодня в CERN. Общая совокупность первичных данных может превысить петабайт уже в первый год использования линейного коллайдера.

Другой важной задачей ILC будет установление более чётких границ суперсимметричного расширения Стандартной модели. Последние эксперименты на БАК, зарегистрировавшие распад странного B-мезона на мюон и атимюон, уже позволили уточнить их в первом приближении.

Стоимость ILC превышает 8 млрд долларов. Половину этой суммы готово предоставить правительство Японии, на территории которой и намечается строительство ускорителя.

Фрагмент линии компактного линейного ускорителя CLIC (фото: cds.cern.ch)
Фрагмент линии компактного линейного ускорителя CLIC (фото: cds.cern.ch)

Помимо ILC той же группой параллельно ведётся работа над другим проектом компактного линейного ускорителя – CLIC. Возглавляет работу над ними бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс (Lyn Evans). Младший брат ILC позволит более эффективно распределить задачи и проверить результаты, выполняя часть намеченных исследований.

Андрей Васильков


Источники:

  1. КОМПЬЮТЕРРА




Пользовательского поиска




Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru