Экспериментальная физика частиц: что дальше?

Недавнее обнаружение тяжёлой частицы с массой в ~125 ГэВ открыло множество новых проблем.

Перспективы её исследования европейские специалисты обозначат на симпозиуме European Strategy for Particle Physics, который состоится в Кракове на следующей неделе, а их американские коллеги проведут аналогичную конференцию чуть позже — в июне 2013-го.

Одним из основных результатов встречи в Польше должны стать более или менее точные оценки того, насколько далеко Большой адронный коллайдер (БАК) сможет продвинуться в изучении новой частицы за всё время своей работы. Согласно плану, в ближайшие три года энергию циркулирующих на БАКе пучков протонов доведут до проектных семи тераэлектронвольт, а примерно через десять лет ускоритель, вероятно, ожидает модернизация с увеличением светимости — меры частоты столкновений частиц из встречных пучков. Если всё это удастся реализовать, эксперименты с протонами на коллайдере будут продолжаться и через двадцать лет.

По словам генерального директора Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) Рольфа Хойера (Rolf Heuer), столь длительные исследования на БАКе позволят однозначно определить спин открытой частицы и выяснить, соответствует ли он величине «0», заложенной в Стандартную модель. Сейчас учёные с уверенностью говорят лишь о том, что спин этот выражается целым числом и отличен от единицы (оба вывода следуют из наблюдений за распадами на пары фотонов), а выбрать между значениями «0» и «2» пока не представляется возможным.

Разобраться с другими характеристиками найденного бозона адронному коллайдеру будет гораздо труднее. Теория предсказывает, что хиггсовский бозон обладает исключительным свойством — сильнее «цепляется» к тяжёлым частицам и, соответственно, распадается преимущественно на самые тяжёлые частицы, разрешённые законом сохранения энергии. Измерения на БАКе дают информацию по нескольким каналам распада (в первую очередь — по распадам на пары W- или Z-бозонов и уже упомянутые пары фотонов), однако погрешности сейчас настолько велики, что экспериментальные данные с одинаковой лёгкостью как помещаются в рамки общепринятой физики, так и выводятся за пределы Стандартной модели. На прошлой неделе мы, к примеру, рассматривали предположение теоретиков о регистрации на БАКе и «Теватроне» сразу двух хиггсовских бозонов из суперсимметричной модели NMSSM, и оно кажется вполне разумным.

В 2017 году БАК должен приблизиться к интегральной (умноженной на время работы) светимости в 300 обратных фемтобарнов на полной энергии столкновений в 13 ТэВ. При анализе такого объёма данных, многократно превосходящего нынешнюю статистику в ~10 обратных фемтобарнов на энергиях в 7 и 8 ТэВ, погрешности измерений во всех каналах распада снизятся. Это даст возможность отбросить кое-какие гипотезы вроде той, о которой мы вспоминали выше, но дальнейший рост точности будет сдерживаться систематическими погрешностями, свойственными протонным столкновениям. Протоны, так сказать, «недостаточно элементарны», и при столкновениях их кварк-глюонная внутренняя структура осложняет задачу экспериментатора.

Чтобы получить действительно надёжные оценки параметров бозона, потребуется, очевидно, новый ускоритель, приспособленный для работы с истинно элементарными частицами. Разные проекты этой установки также будут представлены на конференциях в Польше и США.

БАКа и использует его же детекторы ATLAS и CMS, но сталкивать будет уже не адроны, а лептоны (частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии) — электроны и позитроны. По сути, LEP3 будет представлять собой модернизированный вариант заслуженного электрон-позитронного коллайдера LEP с повышенной до 240 ГэВ энергией столкновений и многократно увеличенной светимостью, доходящей до 1034 см–2•с–1.

Переход от адронов к лептонам, по мнению физиков, сделает измерения параметров нового бозона и давно известных менее массивных W- и Z-бозонов намного более точными. К явным преимуществам LEP3 также относятся низкая стоимость, которую хотят довести до 1–2 млрд долларов за счёт повторного использования криогенных установок и детекторов, наличие подготовленной площадки с развитой инфраструктурой и системами энергообеспечения, гибкость проекта (LEP3 может, скажем, некоторое время работать совместно с БАКом, а после остановки последнего — перейти в автономный режим).

С другой стороны, возможности LEP3 строго ограничены потерями на синхротронное излучение, испускаемое заряженными частицами, которые движутся по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями. Тщательный расчёт этих потерь и сопоставление с требованиями к потребляемой коллайдером мощности и приводят к выбору энергии столкновений в 240 ГэВ, что не позволяет надеяться на исследование частиц, по массе значительно превосходящих 125-гигаэлектронвольтовую хиггсовскую. Если таковые будут обнаружены в опытах на БАКе, LEP3 окажется далеко не самым перспективным вариантом.

Поскольку потери на синхротронное излучение ослабевают по мере увеличения массы частиц, альтернативой LEP3 может стать кольцевой коллайдер, оперирующий на два порядка более тяжёлыми лептонами — мюонами. Такой ускоритель будет относительно компактным и позволит изучать бозон Хиггса уже при энергии столкновений в 125 ГэВ.

Однако проект мюонного коллайдера чрезвычайно сложен в технологическом плане. Если физики захотят его реализовать, им понадобится технология охлаждения (грубо говоря, сведения в аккуратный монохроматичный пучок) и ускорения мюонов, подходящая для работы с этими нестабильными частицами, которые очень быстро распадаются на электроны, нейтрино и антинейтрино. Разработкой и обкаткой подобной методики занимаются участники международного эксперимента MICE: он проводится в британской Лаборатории Резерфорда — Эплтона и должен завершиться к 2016 году.

Хотя результат MICE неясен, многие специалисты относятся к самóй идее охлаждения скептически. «Сомневаюсь, что мне доведётся увидеть действующий мюонный коллайдер, — говорит сотрудник Оксфордского университета Брайан Фостер (Brian Foster). — Мы более десяти лет пытались охлаждать мюоны и поняли лишь то, что это необычайно трудно».

Впрочем, суждение г-на Фостера не стоит принимать за истину, так как он продвигает конкурирующую концепцию линейного электрон-позитронного коллайдера. Частицы в нём пойдут по прямым траекториям, что исключит потери на синхротронное излучение, а доступную энергию столкновений можно будет поднимать постепенно, дополняя конструкцию новыми элементами и увеличивая её общую длину.

Об ускорителе такого типа, который работал бы на высоких энергиях, физики задумались ещё в прошлом веке. В итоге было сформулировано два конкретных предложения: схема коллайдера ILC длиной около 30 км, достигающего энергии в 0,5 ТэВ с возможностью её увеличения до 1 ТэВ, и схема более крупной установки CLIC размером в ~50 км, которая доберётся до энергии в 3 ТэВ. На реализацию ILC, по последним оценкам, уйдёт 6,7 млрд долларов (для сравнения: БАК потребовал $6 млрд), а проект CLIC, очевидно, будет ещё более затратным.

Несмотря на это, сооружение гигантского линейного ускорителя, на котором можно будет выполнить очень насыщенную программу исследований, представляется в целом более логичным решением, чем постройка LEP3 или мюонного коллайдера. Два месяца назад Международный комитет по перспективным ускорителям ICFA свёл заявки ILC и CLIC в единый проект, возглавляемый Лином Эвансом (Lyn Evans), который в прошлом руководил созданием БАКа. Сейчас г-ну Эвансу рациональным кажется сложный многоэтапный план возведения линейного коллайдера со стартовой энергией в 250 ГэВ, пошагово поднимаемой до 0,5 ТэВ, но всё ещё может измениться.

Когда эксперты определятся с тем, какой коллайдер им наиболее интересен, наступит пора выбора площадки. Маловероятно, что ускоритель (если его проект утвердят в ближайшие годы, и это окажется не LEP3) разместится в Европе, где БАК ещё долго будет обеспечивать работой сотрудников ЦЕРНа. В США строительство можно было бы развернуть на базе Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, но вероятность этого также мала. «Остановив 2-тераэлектронвольтовый «Теватрон», мы добровольно отказались от экспериментов на высоких энергиях и отдали Европе лидерство в этой области, а сами сконцентрировались на изучении редких взаимодействий частиц, — поясняет руководитель Лаборатории Пьер Оддоун (Pier Oddone). — Кроме того, в начале года наш бюджет сократили. Тяжело будет найти средства даже на нейтринный эксперимент [LBNE, о котором мы рассказывали совсем недавно], в десять раз уступающий ILC по стоимости».

Куда больше шансов имеет Япония. Азиатские физики поддерживают идею строительства линейного коллайдера, а премьер-министр страны Ёсихико Нода давал положительную оценку ILC, который рассматривается как возможный элемент масштабной программы развития регионов, пострадавших от сильнейшего землетрясения в марте 2011-го. По мысли авторов программы, коллайдер мог бы стать «сердцем» мощного исследовательского центра с институтами, промышленными зонами и лабораториями самого разного профиля.

Как бы там ни было, окончательное решение остаётся за тем, кто будет финансировать проект. «Мы-то выберем вариант, который нас устраивает, но утверждать его будут не специалисты по физике частиц, — замечает Пьер Оддоун. — Всё может решить, например, один звонок президента премьер-министру».

Подготовлено по материалам статей
The New Particle Landscape
и Beyond the Higgs из свежего номера журнала Nature, ЦЕРН
и препринтов с сайта arXiv ([1], [2], [3], [4]).
Дмитрий Сафин
science.compulenta.ru