Почему науке мало одного адронного коллайдера

В швейцарском ЦЕРНе — главной мировой лаборатории физики элементарных частиц — обнародовали сенсационные планы. Речь о строительстве нового ускорителя — почти в 4 раза больше, в 7 раз мощнее и во много раз дороже действующего БАКа — Большого адронного коллайдера. Будущий циклический коллайдер (БЦК) планируют построить к 2050 году, проект оценивают в сумму более 20 млрд евро (БАК стоил около 5 млрд). Но интрига не только в финансах и размерах БЦК (длина устройства, по задумке, составит 100 км — целый мегаполис под землей); главное — научная революция, хоть и в планах, но не гарантируется. Все, что открыто на действующем БАКе, осталось в рамках так называемой Стандартной модели: удалось лишь закрыть бреши в знании. Принесет ли новый коллайдер нам новую физику, обеспечит ли он прорыв в понимании Вселенной? За ответами на эти вопросы «Огонек» обратился к отечественным и зарубежным экспертам.

Кирилл Журенков

О планах по созданию Будущего циклического коллайдера (БЦК), который должен заменить действующий уже 10 лет Большой адронный коллайдер, известно давно — с 2014 года. Однако только сейчас этот мегапроект наконец-то обрел видимые очертания: на сайте ЦЕРНа (Европейской организации по ядерным исследованиям со штаб-квартирой в Женеве) объявлено о подготовке четырехтомного доклада-концепции, посвященного БЦК. В докладе — ответы на все основные вопросы по проекту: от его научного потенциала до технических вызовов, стоимости и сроков реализации. Сам проект, кстати, стал международным еще до рождения: только в работе над его концепцией приняли участие 1300 экспертов из 150 университетов, научных институтов и других организаций мира! Ну а в случае реализации он наверняка станет еще одной знаковой международной научной коллаборацией и очередным доказательством, что наука становится все более интернациональной.

Впрочем, самое точное определение для Будущего циклического коллайдера — это беспрецедентность. Судите сами: он должен занять беспрецедентно большой 100-километровый тоннель под Женевой и окрестностями, беспрецедентной будет и энергия столкновения пучков — в 7 раз выше, чем в нынешнем Большом адронном коллайдере! О столкновениях каких именно частиц речь? Это и электроны с позитронами, и протоны с протонами, и ионы с ионами, а также электроны с протонами и электроны с ионами. Одним словом, ученые должны остаться довольны. Да что там ученые — интерес к проекту уже проявили самые неожиданные персонажи. Буквально только что о разговоре с директором ЦЕРНа по поводу строительства нового туннеля написал в своем Twitter… Илон Маск!

Теперь о сроках и цене этих масштабных научных замыслов. За подробностями «Огонек» обратился к физику Кэмбриджского университета, члену эксперимента LHCb в ЦЕРНе Гарри Клиффу, который работает над вовлечением общественности в проект.

— Первая фаза (электронно-позитронный коллайдер) стартует в 2040-х, за ним последует протон-протонный коллайдер в 2050-х,— рассказал ученый нашему журналу.

Стоимость новых устройств вполне соответствует амбициям ученых: по данным, опубликованным в СМИ, 9 млрд евро — во столько обойдется электронно-позитронный коллайдер, еще 15 млрд должно уйти на второй, протон-протонный, коллайдер!

Будущий циклический коллайдер — это, по сути, несколько проектов в одном.

Собственно, его критики уже возмутились: нельзя ли потратить деньги на что-нибудь более необходимое? А кое-кто из скептиков и вовсе разводит руками: так ли широки научные перспективы проекта, как о них говорят? Разберемся.

Дорогое удовольствие

Директор Лаборатории теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Дмитрий Казаков напоминает: любой ускоритель — дорогое удовольствие и в этом ничего удивительного нет.

— Тут стоит вспомнить историю,— говорит эксперт.— Ускорители строились по всему миру, начиная с послевоенного времени, по принципу «все больше и мощнее», ведь чем больше энергия устройства, тем глубже можно проникнуть в микромир. Шла настоящая гонка: соревновались как целые страны, так и институты. Но в какой-то момент стало понятно: потянуть постройку ускорителя одной стране нереально. Об это споткнулись американцы, когда начали строить Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) в Техасе в начале 1990-х. Конгресс остановил эту стройку: там решили, что расходовать такие средства (на тот момент — около 10 млрд долларов) неоправданно. Интересно, что именно SSC должен был открыть бозон Хиггса, но даже этот факт не смог переубедить Конгресс. Для сообщества физиков всего мира это был тревожный звоночек: значит, есть некий предел амбиций.

За этот «предел амбиций» удалось выйти с проектом Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, который строили уже сообща, а в его экспериментах участвовали целые научные коллаборации (сообщества ученых и научных институтов из разных стран). В БАК вложились все — русские, японцы, китайцы, американцы, надежды были самые радужные: на нем открыт бозон Хиггса и в какой-то момент казалось, что новый коллайдер будет выдавать одно открытие за другим. Не тут-то было.

— Много ожиданий — и ни одно не оправдалось,— разводит руками Дмитрий Казаков.— Бозон Хиггса стал едва ли не единственным громким достижением. То есть технически коллайдер работает изумительно, он достиг нужной светимости, нужной энергии, там хорошо работают детекторы, получаются «чистые» результаты. И тем не менее новых вещей он больше не открыл. Ученые задумались: в чем же дело? Или не того ожидали, или не угадали с энергией и точностью. Так научная мысль разветвилась в двух направлениях. Одно — повышение энергии и размеров машин. Другое — строительство коллайдеров другого типа.

Сегодня научный мир как раз на развилке. К примеру, часть ученых сосредоточилась на коллайдерах, разгоняющих тяжелые ионы (с их помощью изучают адронную структуру материи), одно из таких устройств сейчас, например, строят в Дубне. В ЦЕРНе, как нетрудно догадаться, держатся, напротив, за то, что уже есть, и пытаются повторить собственный успех: дважды использовать одну и ту же инфраструктуру. Напомним, что когда-то Большой адронный коллайдер был построен в том же тоннеле, что и предыдущий ускоритель, так называемый LEP.

Теперь же идея в том, чтобы разместить в одном и том же тоннеле сначала электронный, а затем адронный коллайдер.

Еще занятный поворот: альтернативный ЦЕРНу проект сегодня предлагают китайцы, причем они готовы финансировать его сами, но, как отмечает Дмитрий Казаков, не имеют нужных интеллектуальных возможностей. А с ЦЕРНом ровно наоборот: интеллектуальная мощь налицо, вопрос лишь в деньгах.

— Это грандиозный скачок. Все равно что планировать путешествие даже не на Марс, а к Урану,— говорит в интервью Nature Джан Франческо Джудиче, возглавляющий отдел теоретической физики ЦЕРНа. И тут же подчеркивает, что с такими проектами связана главная надежда на разрешение ряда загадок природы — на самом фундаментальном уровне.

Темная загадка

Что за тайны должен раскрыть Будущий циклический коллайдер? Строго говоря, так вопрос не стоит: загадок в физике до сих пор хватает, а их очередность зависит от того… как дело пойдет.

— Смотрите, за последние 50 лет родилась Стандартная модель фундаментальных взаимодействий. Последним камнем было открытие бозона Хиггса, и вся картина сложилась. Теперь у нас есть модель, которая описывает все элементарные процессы, все фундаментальные силы природы,— говорит Дмитрий Казаков из ОИЯИ.— И одновременно мы вышли на новый уровень понимания природы, когда говорим уже не просто о микромире, но о некоей глобальной теории, описывающей и Вселенную, и раннюю Вселенную, и космологию. Так вот для этого Стандартной модели как раз и не хватает, поэтому ученые и строят теории, которые ее расширяют. Этих теорий несколько, их пытаются проверять, в том числе с помощью коллайдеров. Расширение симметрии, новые частицы, новые взаимодействия и темная материя… Масштаб возможных исследований огромен.

Одно из самых известных направлений поиска — темная материя. Как поясняет «Огоньку» Гарри Клифф, мы знаем, что темная материя составляет 85 процентов всей материи во Вселенной, но до сих пор не представляем, что это такое.

— Будущий циклический коллайдер позволит нам искать темную материю и потенциально впервые создать ее, открыв «окно» в абсолютно новую часть природы,— уверен эксперт.— Коллайдеры также могут помочь нам понять, почему вся материя не аннигилировала вместе с антиматерией сразу после Большого взрыва,— а это еще одна ключевая проблема в физике.

Занятно, впрочем, что надежды открыть темную материю сегодня связаны не только с ЦЕРНом и его коллайдерами, нынешним и будущим.

Идет и так называемый прямой поиск с помощью подземных экспериментов в соляных шахтах.

— Есть предположение, что частицы темной материи прилетают на Землю и ударяют в так называемые мишени, в результате чего получается отскок. Так вот, ученые как раз и ищут этот отскок,— говорит Дмитрий Казаков.— Это прямой поиск, он практически не связан с предположениями о природе темной материи. Таких экспериментов сейчас очень много — в Италии, Америке, Японии… И, конечно, идет поиск темной материи с помощью космических экспериментов в основном на спутниках: ее ищут в космических лучах. Парадокс в том, что ни тот, ни другой поиск пока не увенчался успехом. Впрочем, надежды мы, ученые, не теряем.

Есть ли еще научные задачи для будущей чудо-машины? Да сколько угодно! От изучения бозона Хиггса (например, новый коллайдер позволит создать миллионы бозонов Хиггса и измерить их свойства с беспрецедентной точностью) до поиска новых частиц и дополнительных измерений пространства… Однако всех, кто интересуется Будущим циклическим коллайдером, волнует не только научная, но и, так сказать, его практическая значимость. Грубо говоря, почувствует ли результаты исследований обычный, далекий от науки человек?

Полезный электрон

Хлесткий комментарий профессора Дэвида Кинга, бывшего главного научного советника правительства Великобритании, вышедший на Би-би-си, бьет по самому больному месту проекта — его масштабам. Пора, мол, провести черту, говорит профессор: иначе мы сначала построим коллайдер по экватору, а там уж дотянемся и до Луны! Может, лучше вложить деньги во что-то более полезное, например в борьбу с изменениями климата?

Вопрос тем более актуален, что руководству ЦЕРНа предстоит настоящая битва за свой проект — в его значимости нужно будет убедить национальные правительства и общественное мнение. Ученые уже отрабатывают аргументацию и вот, что они отвечают скептикам: пользу заметят все!

— У проектов больших коллайдеров есть история, связанная с появлением сопутствующих революционных технологий, изначально созданных для решения проблем в фундаментальной физике,— объясняет Гарри Клифф.— Это, в частности, Всемирная паутина, изобретенная в ЦЕРНе в 1990-х, и новые формы лечения рака с использованием пучков частиц. Также существует вероятность, что в далеком будущем полученные нами фундаментальные знания могут привести к появлению каких-то прикладных вещей. Когда в 1897 году была открыта первая элементарная частица, электрон, никто не мог предположить, что его можно как-то использовать. И тем не менее вся наша современная электронная технология основана на детальном представлении о том, как ведут себя эти крошечные частицы.

В свою очередь, директор ЦЕРНа по ускорителям и технологиям Фредерик Бордри высказывается еще лаконичнее:

— Когда меня спрашивают о пользе, которую принесет бозон Хиггса, я отвечаю: бозонику. Тогда у меня уточняют, что это? Мой ответ: «Не знаю»…

Но ведь и без электроники, подчеркивает эксперт, про которую не знали век назад, мир сегодня представить невозможно.