ЦЕРН опубликовал четырехтомный доклад о строении и планируемых исследованиях Будущего циклического коллайдера (Future Circular Collider, FCC). Стоимость ускорителя ученые оценивают в девять миллиардов евро, из которых пять миллиардов пойдет на строительство 100-километрового тоннеля.

Первое время в коллайдере будут сталкивать пучки электронов и позитронов с энергией порядка 100 тераэлектронвольт, однако в дальнейшем коллайдер переоборудуют для протон-протонных пучков, как в Большом адронном коллайдере. Строить коллайдер начнут не раньше 2040 года. Текст доклада ученые отправили в European Physical Journal, а препринт выложили на официальном сайте ЦЕРН. Кратко о докладе сообщает пресс-релиз организации.

Большой адронный коллайдер (БАК), построенный Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), начал работать 10 сентября 2008 года. С тех пор прошло десять лет, и за это время коллайдер успел сделать несколько важных открытий. В частности, коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса, измерил массу и другие параметры частицы. Благодаря этому открытию Стандартная модель элементарных частиц оказалась завершена. Кроме того, коллайдер впервые получил тетракварки, пентакварки и дважды очарованные барионы, пронаблюдал рассеяние фотона на фотоне и образование кварк-глюонной плазмы.

К сожалению, БАК не только помог ученым завершить Стандартную модель, но и расстроил искателей «новой физики», на описание которой теоретики потратили десятилетия работы. Дело в том, что исторически физика частиц развивалась в сторону увеличения энергий. Сначала была построена квантовая электродинамика, которая хорошо работает до энергий порядка нескольких мегаэлектронвольт. Потом к ней добавили квантовую хромодинамику (теорию сильных взаимодействий), характерным масштабом которой являются сотни мегаэлектронвольт. Наконец, электродинамику объединили со слабыми взаимодействиями, которые переносятся векторными бозонами с массой порядка ста гигаэлектронвольт.

Каждый раз частицы, предсказанные теорией, оказывались все более и более массивными, что позволяло эффективно обрезать ультрафиолетовые расходимости низкоэнергетических теорий. Поэтому физики ждали, что на масштабах нескольких тераэлектронвольт (миллион масс протона) опять появятся новые частицы, и разработали множество моделей, которые такие частицы предсказывали — например, целый ряд суперсимметричных теорий. В настоящее время энергия протон-протонных столкновений на БАК достигает 13 тераэлектронвольт, однако новые частицы в этих столкновениях не возникают. Таким образом, физика частиц «подвисает» в неопределенном состоянии.

Исправить эти проблемы может новый ускоритель, который будет разгонять частицы до еще бо́льших энергий. В 2014 году ЦЕРН запустил проект такого ускорителя, который назвали Будущим циклическим коллайдером (Future Circular Collider, FCC). Теперь организация опубликовала доклад, в котором рассматривает перспективы этого проекта и описывает его детали. Разработкой этого доклада, продлившейся около пяти лет, занималось более 1300 ученых из 150 университетов. Как сообщают ученые, FCC построят рядом с БАК, длина его тоннеля превысит 100 километров. По оценкам ученых, постройка коллайдера обойдется примерно в девять миллиардов евро (около 700 миллиардов рублей по текущему курсу Центробанка), из которых пять миллиардов пойдут на строительство туннеля.

Расположение коллайдера на карте Европы / CERN

Текст доклада состоит из четырех томов. В первом томе ученые рассказывают об открытых вопросах современной физики частиц и в общих чертах рассматривают возможные открытия, которые планируется сделать на FCC. В частности, физики надеются найти с помощью FCC частицы темной материи и массивные нейтрино, выяснить, как устроен потенциал Хиггса и за счет каких процессов возникает масса бозона Хиггса, исследовать кварк-глюонную плазму и фазовые переходов в теории электрослабых взаимодействий. Кроме того, с помощью нового коллайдера исследователи планируют уточнить параметры известных частиц — топ-кварка, векторных бозонов и бозона Хиггса.

Во втором томе физики подробно описывается строение и характеристики электрон-позитронного коллайдера — будущие детекторы, катушки индуктивности, системы безопасности. Предполагается, что энергия столкновений в системе центра масс будет составлять от 90 до 365 гигаэлектронвольт, а светимость коллайдера превысит 10³⁶ обратных квадратных сантиметров на секунду.

В третьем томе рассматривается возможность модификации коллайдера для столкновений протон-протонных пучков. В этом случае энергия столкновений будет достигать 100 тераэлектронвольт, а светимость — 10³⁵ обратных квадратных сантиметров на секунду.

Трехмерная схема расположение установок на будущем коллайдере (не в масштабе) / CERN

Схема адронного (слева) и электрон-позитронного (справа) коллайдеров / CERN

Прототип сумматора индуктивности, разработанный для FCC / CERN

Наконец, в четвертом томе физики обсуждают строительство Большого адронного коллайдера высоких энергий (HE-LHC) — предшественника FCC, который будет использовать существующую инфраструктуру БАК. Энергия столкновений на таком коллайдере будет достигать всего 27 тераэлектронвольт, однако построить его будет гораздо дешевле и быстрее. Для модификации коллайдера будут использовать те же технологии, что и на FCC. Составители проекта планируют, что его начнут воплощать уже в 2040 году, когда закончит работать Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC).

В июне прошлого года начались работы по модернизации Большого адронного коллайдера, по окончании которых светимость ускорителя — то есть скорость набора статистики — вырастет в десять раз. Чтобы работы было легче выполнять, в декабре коллайдер остановили. Теоретически, при наращивании статистики могут проступить слабые сигналы от массивных частиц, предсказанных теоретиками, однако вероятность открыть что-то новое не очень велика, поскольку энергия столкновений останется прежней.

В ноябре прошлого года китайские физики опубликовали подробный доклад об устройстве будущего электрон-позитронного ускорителя CEPC и планируемых экспериментах с его участием. В частности, ученые сообщили, что они собираются довести энергию пучков до 240 гигаэлектронвольт и превратить ускоритель в фабрику бозонов Хиггса. Как и у FCC, длина тоннеля CEPC будет превышать 100 километров, а в будущем его можно будет превратить в протон коллайдер. Таким образом, строительство FLL и CEPC может превратиться в своеобразное соревнование между научными сообществами.