#чтиво | Международный линейный коллайдер: от фантазии к реальности

Около недели назад стало известно о завершении работы над техническим проектом преемника БАК (Большой адронный коллайдер) – Международного линейного коллайдера (ILC). В этой статье хотелось бы более детально остановиться на новом коллайдере и его значении для науки.

БАК обнаружил бозон Хиггса, что это значит?

lhc-sim

Напомним, что 4 июля 2012 года физики всего мира, работающие с крупнейшим в мире научным объектом, – Большим адронным коллайдером в Европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии, объявили на весь мир об обнаружении частицы, которая очень похожа на долгожданный бозон Хиггса. До этого момента бозон Хиггса являлся недостающим элементом в Стандартной модели, описывающей фундаментальные частицы и силы, которые отвечают за массы других элементарных частиц. Спустя несколько месяцев с момента заявления частица была официально подтверждена.

Потребуется еще немало времени для того, чтобы убедиться в соответствии свойств хиггсовского бозона ожиданиям физиков. Энергия частицы Хиггса находится в пределах диапазона возможностей ILC. На данный момент слишком рано загадывать, какая дополнительная информация о свойствах бозона Хиггса появится после проведения дополнительных экспериментов на БАК, но даже без нее невозможно недооценить потенциал ILC, который можно использовать для более детального исследования загадочной частицы.

Сталкивая в специальных точках столкновения пучки электронов и их противоположных частиц – позитронов, международному линейному коллайдеру удастся с беспрецедентной точностью измерить такие свойства бозона Хиггса, как масса и сила взаимодействия с другими частицами. Насколько точно Стандартная модель описывает свойства бозона Хиггса? Возможно, существует несколько видов бозона Хиггса или есть что-то еще? Точные измерения, которые могут быть сделаны на ILC, могут получить ответы на все вопросы.

Что такое Стандартная модель?

Стандартная модель – это теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая известные частицы, из которых состоит материя и три из четырех известных фундаментальных взаимодействий между ними.

Данные взаимодействия или силы являются электромагнитным силами, с которыми обычные пользователи сталкиваются каждый день, включая свет, телевизор или передавая информацию с помощью модулей беспроводной связи. Стандартная модель также описывает сильное взаимодействие (которое держит кварки внутри протонов и нейронов в атомном ядре, тем самым формируя множество элементов, от гелия до железа и урана, из которых состоит Земля) и слабое взаимодействие (за которое отвечает Солнце и без которого жизнь на Земле была бы невозможной, как и процессы радиоактивного распада).

Стандартная модель работает очень хорошо, но большинство ведь знает, что она является неполной. Достаточно вспомнить гравитацию. Она описывает видимую материю, но это лишь львиная доля всей материи, из которой состоит Вселенная. Около 95 процентов так называемой темной материи остается вне поля зрения Стандартной модели, которая в обозримом будущем станет фундаментом единой и окончательной теории. По мнению ученых, именно ILC сможет пролить свет на загадочную темную материю и восполнить все пробелы в Стандартной модели.

Что такое бозон Хиггса и механизм Хиггса?

6a00

Стандартная модель успешно описывает все существующие и известные человечеству элементарные частицы и взаимодействие между ними. Но кое-что остается упущенным. Стандартная модель пока не может ответить на один основной вопрос: почему большинство этих элементарных частиц имеют массу?

Такие известные физики-теоретики как Роберт Браут, Франсуа Энглерт, Питер Хиггс, Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Томас Киббл описали механизм, который дает ответ на этот вопрос. Согласно постулатам данного механизма повсюду в космосе существует некая среда или поле, при взаимодействии с которой частицы набирают свою массу. По словам Питера Хиггса, данный механизм предполагает существование частицы, которая оставалась невидимой для человечества до 4 июля 2012 года – бозона Хиггса.

Механизм Хиггса предсказывает, что бозон Хиггса является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Других подобных частиц с нулевым спином в природе не существует. Нейтральная бесспиновая природа позволяет бозону Хиггса заполнить вакуум подобно тому, как в процессе конденсации пара создается море.

С открытием Бозона Хиггса появился ряд новых вопросов о предполагаемых свойствах этого бозона, который породил новую область исследований и открыл новую главу в физике элементарных частиц.

Как ILC сможет помочь в исследовании бозона Хиггса?

large_bg_pic_01

Международный линейный коллайдер является своего рода дополнением к БАК. Напомним, что БАК является протонным суперсинхротроном кольцеобразной формы, который занят изучением физики элементарных частиц при самых высоких энергиях. Международный линейный коллайдер будет изучать те же явления, но использовать совершенно другой подход. ILC откроет путь к более точным вычислениям и позволит исследовать новые законы природы.

Помимо своей бесспиновой природы, бозон Хиггса взаимодействует и генерирует массу других частиц. Это его вторая уникальная особенность. Точное измерение силы, с которой бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами, имеющими различные массы, позволит подтвердить или опровергнуть прогнозы ученых. Международный линейный коллайдер, возможно, поможет выделить несколько видов бозона Хиггса. Еще одна уникальная особенность бозона Хиггса — это его связь с самим собой. Стандартная модель точно описывает, как бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами и с собой. Возможности ILC помогут с высокой точностью определить свойства и потенциал бозона Хиггса и подтвердить, является ли он тем самым бозоном Хиггса, который описывает Стандартная модель.

ilc_large_left

Как далеко может зайти Стандартная модель?

Если БАК не найдет ничего, что хотя бы косвенно намекает на отклонение от Стандартной модели, то ученым предстоит определить энергетическую шкалу, для которой Стандартная модель будет оставаться приемлемой. Один из способов выяснить данный вопрос — это проверить стабильность теории. Стабильность теории определяется точным значением массы бозона Хиггса и массы топ-кварка.

Является ли так называемая теория «вакуумной стабильности» абсолютно устойчивой или нет, зависит от точного значения массы топ-кварка. Международный линейный коллайдер может измерить массу с беспрецедентной точностью и решить дальнейшую судьбу Стандартной модели.

Что такое темная материя и темная энергия?

Большая часть материи, из которой состоит Вселенная, является темной. Без нее в настоящее время не существовало бы ни звезд, ни галактик, ни жизни. Благодаря темной материи Вселенная держится вместе. В течение последних 10-15 лет ученые достигли прогресса в понимании свойств темной материи, в основном путем доказательства от противного.

Последние исследования, посвященные вопросу: каким образом темная материя влияет на Вселенную, показали, что данный тип, в отличие от любого другого типа материи, не может быть измерен в лабораторных условиях. В то же время существуют и другие теории, которые могут рассказать, что именно представляет собой темная материя. Поисками кандидатов на роль частиц темной материи в настоящее время заняты большинство современных ускорителей частиц. Если эти частицы имеют массу на масштабе ТэВ, они будут обнаружены БАК.

Правда, чтобы проверить, действительно так ли это, потребуются возможности ILC. Международный линейный коллайдер сможет измерить их массу, спин и паритет с чрезвычайной точностью. Полученные результаты позволят рассчитать точное количество темной материи в космосе и сравнить полученный показатель с прогнозным значением. Если прогнозные и полученные значения совпадут — это станет большой победой в физике элементарных частиц и космологии, а также откроет глаза на то, как развивалась Вселенная после Большого взрыва.

Как ILC дополнит БАК

БАК и ILC обеспечивают очень разные условия для исследования частиц. Взаимодействия протонов при высоких энергиях на БАК достигается посредством взаимодействия составляющих компонентов протона – кварков и глюонов. В то же время ILC займется изучением взаимодействия пучков электронов и их противоположных частиц – позитронов. Электроны и позитроны являются элементарными частицами, а их внутренняя структура неизвестна. Линейные коллайдеры могут изучать более простые элементарные процессы без влияния сложных «фоновых» процессов, свойственных для БАК. Как результат, получение более точного значения. БАК предоставляет возможность поиска новых частиц и изучения свойств известных в настоящее время частиц. ILC в свою очередь может предоставить более точную информацию об их свойствах. У ILC есть потенциал для того чтобы обнаружить новые детали и частицы, которые являются невидимыми для БАК.

Что такое суперсимметрия и роль ILC в ее изучении

Теория суперсимметрии гласит, что все известные на сегодня частицы имеют более тяжелых суперпартнеров – новых частиц, которые создают в субатомном мире новое измерение. Частицы-суперпартнеры обычных частиц оказываются очень тяжелыми по сравнению с обычными частицами. Самый легкий суперпартнер является вероятным кандидатом на роль темной материи и может пролить свет на структуру космоса.

Линейный коллайдер станет идеальной «фабрикой» для производства легких суперпартнеров. Эксперименты на линейном коллайдере могут быть сосредоточены на одном типе суперпартнера, измерения его свойства достаточно точно, чтобы обнаружить симметрию суперсимметрии и выявить суперсимметричную природу темной материи.

Таким образом, физики могли бы выяснить, как именно работает суперсимметрия и пролить свет на структуру Вселенной. ILC становится идеальным устройством для поиска частиц темной материи с беспрецедентной точностью. Есть основания ждать и других открытий на пути.

Дополнительные пространственные измерения

extradimension

Существует множество теорий, к примеру, теория струн, которые пытаются объединить гравитацию с другими силами во Вселенной, что предполагает существование других дополнительных измерений, а не только пространства и времени. Такие теории предполагают дополнительные пространственные измерения в каждой точке пространства.

Дополнительные измерения должны быть очень маленькими или каким-то образом оставаться невидимыми, так как ни один из экспериментов не подтвердил реальность их существования. Материя может состоять из частиц, которые «живут» в дополнительных измерениях и поддаются их влиянию. Частицы, передвигающиеся в дополнительных измерениях, могут отличаться дополнительной энергией, которая делает их похожей на более тяжелую версию самого себя.

Измерение массы и других свойств этих «путешественников» могли бы показать, что представляют собой дополнительные измерения. Если новые измерения существуют на энергетических масштабах ТэВ, БАК сумеет их обнаружить; в ходе экспериментов ученые займутся поиском высокоэнергетических столкновений, в которых частицы буквально исчезают в другие измерения. В то же время ILC сможет поведать о структуре данных измерений и связанных с ними частицах, которые не могут быть обнаружены БАК.

Международный линейный коллайдер — будущее физики элементарных частиц

С открытием бозона Хиггса у ILC появилась насыщенная программа, направленная на покорение новых вершин в физике элементарных частиц. Если бозон Хиггса действительно является скалярной частицей, то она добавляет совершенно новое измерение в устоявшемся понимании материи как нечто, существующее в пространстве-времени.

Международный линейный коллайдер и его детекторы позволят с высокой точностью определить свойства бозона Хиггса. По правде говоря, возможности ILC уходят далеко за рамки бозона Хиггса. Благодаря смещенному центру масс в будущем ILC может выполнить программу по исследованию Z-бозонов, детально изучить топ-кварки и самодействие бозона Хиггса при наивысшем значении энергии в системе центра масс. Более того, он может сделать измерения, которые расходятся с любыми теоретическими предположениями, тем самым породив новые теории и связи. Фримен Джон Дайсон однажды сказал:

«Новые направления в науке рождаются благодаря новым инструментам гораздо чаще, чем благодаря новым концепциям. Концепция лишь объясняет старые вещи по-новому. Новый инструмент в свою очередь открывает глаза на новые вещи, которые предстоит объяснить. ILC является именно таким инструментом».

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.