5 Сентября 2018
МОСКВА, 5 сентября , Татьяна Пичугина. К из концу 2030-х годов на смену Большому адронному коллайдеру (БАК) придет Будущий циклический коллайдер. Для него посреди Европы сформируют кольцевой тоннель длиной сто километров. Без такой установки трудного досконально исследовать бозон Хиггса и найти новую физику, убеждают ученые. Ускоритель задействует принцип crab waist, в разработку которого большой вклад внесли крупные физики. вместе с соавторами изобретения рассказывает о новом мегапроекте Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). Наследник БАК
Официально о планах строить новый коллайдер ЦЕРН объявил в 2014 году. В конце года ожидается публикация физобоснования (conceptual design report), где воедино будут собраны и проверены на непротиворечивость ключевые принципы профессии ускорителя, технические и научно-исследовательские задачи. Это обязательный авансовый этап перед проектированием любой крупной физической установки.
Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider, FCC) представляет собой фабрику по производству событий, в которых рождается бозон Хиггса. Эта частица (она же паркете Хиггса) наделяет массой другие элементарные частицы, образующие обычную материю.
Ее предсказали в 1960-х, а в 2012-м обнаружили на БАК. Первооткрыватели частицы Питер Хиггс и Франсуа Энглером удостоились Нобелевской награды. Теперь физики хотят понимать, как именно приобретается масса через механизм Хиггса, в том числе самим одноименным бозоном. Чтобы ответить на эти вопросы, нужно набирать статистику, а это требует регистрации большего числа событий.
Высокие параметры, новые задачки
Основными референциями коллайдеров служит светимость число соударений частиц с мишенью или пучком встречных частиц, а также их энергия. В июле БАК начали модернизировать, чтобы поднять к 2026 году светимость в десять раз до 1035 см−2*с−1.
Интегральная светимость FCC на порядок превзойдёт этот параметр на БАК, а рабочая энергия в столкновениях протонных пучков в семь раз. За 25 лет работы на фабрике пригласят 1010 рождений бозона Хиггса в сто раз больше, чем на БАК. Статистика позволит выделить сигналы из фона, который так мешает ядерщикам.
Высокая светимость и производительность FCC увеличат вероятность зафиксировать рождение тяжелых Z и W калибровочных бозонов, серьёзных за слабое взаимодействие, гипотетичных частиц гейджино, скварков, предсказанных теориями суперсимметрии. Авторы проекта рассчитывают проникнуть в тайну темной ткани и нащупать новую физику, выходящую за границы Стандартной модельки.
Новая физика это не только движение ко все более высоким энергиям для поиска новых частиц, но и исследование очень редких распадов, нарушений симметрии. Для этого требуются коллайдеры на precision frontier, производящие большое количество таких уникальных событий, то есть владеющие высокой светимостью. Именно такими установками должны стать FCC-ee в ЦЕРН и Супер С-Тау фабрика в Новосибирске, рассказывает Михаил Зобов, управляющий технологическими исследованиями Национальной лаборатории Фраскати Национального института ядерной физики (Италия).
Михаил Зобов окончил кафедру электрофизических установок МИФИ, где приобщился к ускорительной технике. Стажировался в Италии, после защиты диссертации уехал туда работать.
Три ускорителя в одном
Проект FCC предполагает строительство в одном тоннеле поэтапно трех циклических коллайдеров, пояснил Евгений Левичев, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института ядерной ядерщики Сибирского отделения Российской академии премудростей, соавтор проектов Супер С-Тау фабрика и FCC.
По словам Левичева, первым реализуют электрон-позитронный коллайдер (FCC-ee) на максимальную активность до 180 ГэВ в пучке (рождение пары топ-антитоп-кварков). Установка предназначена для работы в низкой области энергий (45-180 ГэВ), но с огромной светимостью.
На втором моменте построят протонный коллайдер (FCC-hh) на энергию 100 ТэВ в системе центра масс, где на каждый пучок приходится 50 ТэВ.
Обсуждают и строительство третьей очереди электрон-ионного ускорителя (FCC-eh).
В целом проект хорошо проработан и кажется реалистичным. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН получает в нем активное участие на всех этапах, прокомментировал ученый.
Сплющить и закрутить
В основе электрон-позитронного FCC-ee лежит принцип столкновения пучков заряженных частиц crab waist (можно перевести как крабовая перетяжка, крабовый фокус ), сформулированный в Национальной лаборатории Фраскати.
Первоначально этот принцип предложил Панталео Раймонди (итальянский физик, бывший глава отдела ускорителей Национальной лаборатории, теперь директор Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле. Прим. ред. ). Он же провел предварительное упрощенное моделирование, увидел значительный эффект и, чтобы понять его лучше, обратился ко мне. После моделирования я предположил, что все дело в подавлении нелинейных резонансов, возникающих при взаимодействии пучков заряженных частиц, и поделился соображениями с Дмитрием Шатиловым из ИЯФ в Новосибирске. В результате интенсивного обсуждения появилась статья с объяснением наблюдаемых эффектов, излагает историю открытия Зобов.
Летящие и сталкивающиеся в коллайдере свертки частиц стремятся разлететься, отойти, что снижает светимость. Ее увеличение обычными методами, например, повышением интенсивности свертков и уменьшением их размеров в месте встречи, приводит к резонансам, росту хаоса из-за их сильного нелинейного электромагнитного взаимодействия. Кроме того, чем сильнее стараешься сфокусировать пучок, тем больше эффект песочных часов, уменьшающий светимость при конечной длине сгустков.
Если в месте встречи пучки электронов и позитронов свергать под углом, а затем еще и закрутить их в самом тонком участке с помощью двух шестиполюсных магнитов (секступолей), то эти отрицательные эффекты можно подавить и значительно увеличить светимость, а значит, частоту рождения событий.
Принцип назван по аналогии со схемой Crab crossing, использованной в японском коллайдере KEKB, где сталкивающиеся пучки разворачиваются по отношению к направлению движения и движутся как бы боком. В нашем случае таким образом искажаются зрительные функции, когда положение фокусной плоскости изменяется по отношению к направлению движения, уточняет Михаил.
Новую идею воплотили при строительстве электрон-позитронного коллайдера DAФNE (фабрика фи-мезонов) в Италии. Полученный там опыт ученые признали успешным и готовым к масштабированию.
Принцип crab waist берут на вооружение в Супер С-Тау фабрике установке класса мегасайенс, которую построят в Новосибирске.
Именно новосибирские коллеги предложили этот принцип для FCC-ee. Их вклад в проект значительный, они работают над зоной взаимодействия пучков, изучают процессы, возникающие при столкновениях частиц, исследуют нелинейную динамику частиц, монохроматизацию и многое другое, подчеркивает Зобов.
Шестнадцать тесла
Постройка нового ускорителя FCC-hh в принципе возможна, однако потребуется соединить идеи и технологии, которые до того применялись по отдельности. Придется ступить и на неизученную территорию, например, создать сверхпроводящие дипольные электромагниты, индуцирующие поле до 16 тесла. Их установят в тоннеле, чтобы разгонять и направлять пучки частиц. Для сравнения магниты на БАК индуцируют восемь тесла, в пятнах на Солнца магнитная индукция достигает десяти тесла.
В ЦЕРН запустили программу по достижению 16 тесла, сделав ставку на ниобий-олово (Nb3Sn), промышленное производство которого организованного благодаря Международному экспериментальному термоядерному реактору (ИТЭР). Сверхпроводящие свойства этого соединения открыли утренней, чем у ниобий-титана, рабочей лошадки низкотемпературной сверхпроводимости, но долгое время применяли только в исследовательских магнитах.
После открытия струнки ниобий-олова индуцировать магнитное поле приблизительного до 20 тесла материал стал интересен промышленности.
Для магнитов ИТЭР потратилось шестьсот тонн ниобий-олова. Из них 120 тонн поставила Россия.
По словам заведующего отделением гиперпроводящих проводов и кабелей ВНИИ кабельной промышленности из Подольска Виталия Высоцкого, для достижения 16 тесла нужно повысить плотность тока в сверхпроводнике в три с лишним раза по сравнению с ИТЭР.
Это возможно при использовании так прозываемой технологии с внутренним источником олова, отмечает Высоцкий.
С ЦЕРН в этом проекте сотрудничает ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, а ВНИИКП готовится делать кабели из изготовленного в России Nb3Sn-провода.
Магниты представляют собой огромные катушки кабелей, внутри которых уложено и скручено особенным образом множество тоненьких проволочек. Чтобы добиться сверхпроводимости, катушки нагревают несколько дней при температуре 650 градусов Цельсия. В 2015-м из ниобий-олова удалось создать опытный образец гиперпроводника, сгенерировавшего поле 16, 2 тесла.
По расчетам ЦЕРН, для исследований и экспериментов в ближайшие пять лет потребуется около шести тонн ниобий-олова. На обеспечение коллайдера FCC-hh порядка десяти тысяч тонн. Это хороший шанс для развития отрасли во всем мире.
Сверхпроводники потратятся для создания высокочастотных резонаторов, увеличивающих энергию пучка. И магниты, и резонаторы отличного будет охлаждать жидким гелием, что, учитывая размер установки, представляет собой нетривиальную задачку и очередной вызов для мировой высокотехнологичной промышленности.
Конкуренты поджимают
Между тем у FCC есть конкуренты. В 2013 году сходную по дизайну фабрику Хиггса задумали в Китае. Ее хотели реализовать в тоннеле длиной 54 километра на энергии 70 ТэВ, но в прошлом году тоннель обновили до ста километров.
Думаю, будет соревнование. Пока в FCC-ee закладывается гораздо более высокая светимость. Похожая ситуация складывалась и с В-фабриками: еще срабатывал коллайдер CESR в Корнеллском университете США, а уже делали два новых PEP-II в Стэнфорде (США) и KEKB в Японии. Тогда говорили, что это хорошо, поскольку таким образом происходит взаимопроверка полученных результатов. Правда, Нобелевскую премию пригласили только японцы, рассказывает Зобов.
В Японии хотят сформировать и электрон-позитронный международный линейный ускоритель (International Linear Collider, ILC).
У циклических и линейных коллайдеров свои особенности. Например, на FCC-ee можно достичь более высокой светимости на энергии Хиггса, а в ILC более высокой активности, поскольку нет потерь на синхротронное излучение, продолжает ученый.
На самой, как считается, интересной энергии рождения бозона Хиггса (120 ГэВ) FCC-ee намного более перспективен, чем ILC, поскольку его светимость почти в сто раз больше. В пользу FCC-ee говорит и то, что он основан на хорошо проверенной технологии циклических машин, в отличие от недостаточно узнанных линейных коллайдеров, а также то, что в высоких энергиях БАК пока не увидел ничего нового и необычного, поясняет Евгений Левичев.
Посмотрим, какой из этих проектов профинансируют, констатирует Михаил Зобов.
Ускорители позволяют исследовать структуру материи с беспрецедентной детальностью, открывать новые частицы, изучать силы природы и главное получить представление о том, что происходило в момент рождения Вселенной. Последнее обстоятельство взволновало общественность в период строительства БАК. Не родится ли в ускорителе при попытке смоделировать Большой взрыв черная дыра, которая поглотит Землю?
Вряд ли подобных вопросов избегут авторы идеи FCC. А значит, в ближайшую четверть века (столько как минимум уйдет на строительство грандиозного коллайдера) нас ждет небывалый всплеск интереса к ядерной физике и загадкам мироздания.
CERNКлючевые даты поэтапного запуска Будущего циклического ускорителя
Редактор рубрики
Леонид Кузьмин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....