Существует общая теория относительности, которая, если упрощать, описывает гравитацию. И есть новая физика, доказательства которой ищут с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). Есть Стандартная модель, описывающая сильные и слабые электромагнитные взаимодействия.
Новая физика весьма разнообразна: она может быть просто продолжением происходящего в Стандартной модели, а может быть совершенно непохожей на нее.
Сегодня достаточно серьезно разделены экспериментальная физика частиц и теоретическая физика частиц. Поэтому обычно экспериментаторы придумывают опыт, который мог бы подтвердить ту или иную группу теорий, и показывают его на конференциях теоретикам. А те, в свою очередь, пока экспериментаторы строят коллайдеры, придумывают, что еще можно найти в этом эксперименте.
Как происходит разгон частиц в коллайдере?
Баллон с водородом вкручивают в начало коллайдера. Затем у этого водорода отбирают электроны. Остаются только протоны, которые сначала запускают в линейный ускоритель, пытающийся на коротком промежутке дать как можно большую энергию. Затем эти протоны начинают запускать в кольцевые ускорители, старые коллайдеры, в которых стоят соответствующие сверхпроводящие магниты, пытающиеся закрутить эти протоны. Эти частицы пытаются разогнать настолько, чтобы их можно было «впрыснуть» в следующее кольцо. Запускают их несколько раз: первый, второй, третий круг, а дальше уже «впрыскивают» их в большой коллайдер. Так делается разгон.
Сейчас идет разработка новых концепций разгона частиц с помощью плазмы. Для этого необходимо каким-то образом занести элементарные частицы внутрь плазмы, которая попытается «выстрелить» их как можно дальше. Поэтому в будущем, возможно, не нужно будет делать Международный линейный коллайдер (ILC). Точнее, можно будет сделать его не 31 километр в длину, а, скажем, несколько сотен метров. Это будет гораздо проще и дешевле.
Чем Международный линейный коллайдер (ILC) будет отличаться от БАК?
Он будет совсем другой. Линейный коллайдер хорош уже тем, что он не круглый. Во-первых, в БАК из-за синхротронного излучения получаются очень высокими потери энергии маленьких частиц при разгоне. Предыдущая версия БАК, занимаясь столкновением лептонов, работала уже практически на пределе. Соответственно, в линейном коллайдере без такой потери энергии сталкивать частицы будет гораздо проще.
Во-вторых, если в БАК сталкиваются протоны, то в линейном коллайдере будут сталкиваться электроны и позитроны. Это очень хорошо, потому что позволяет точно настроить коллайдер на какую-то энергию, и мы будем знать, что именно она используется для рождения частицы. Например, можно будет настроить коллайдер на массу Хиггса и смотреть именно на бозон. То есть нам не нужно будет сильно бороться с шумом.
Что на БАК будут делать через 30 лет?
ЦЕРН планирует закрыть БАК и создать Будущий циклический коллайдер? Проект Future Circular Collider (FCC) — это следующий этап. Система разгона частиц БАК состоит из нескольких колец: само кольцо БАК, малые кольца ускорителя SPS и кольца предыдущих коллайдеров, которые теперь используются для разгона частиц перед их впрыскиванием в большое кольцо. Сейчас создана рабочая группа, которая, исходя из текущих технологий и развития теории, пытается предсказать, что можно увидеть, если сделать следующий шаг — прокопать туннель еще больше.
Если делать такой коллайдер, то он должен быть гораздо крупнее БАК: чем больше коллайдер, тем больше энергии можно вкачать в частицы. Предполагается, что туннель для нового коллайдера прокопают вокруг всей Женевы. Энергии будут серьезно увеличены, и это потребует технологий, которые, возможно, сейчас недоступны.
Таким образом, поиск новой физики идет двумя способами. Первый — прямой, когда мы берем одну частицу, берем другую, сталкиваем их и смотрим, что вылетело. Второй способ непрямой: сталкиваем частицы, смотрим на ту, которую уже знаем, и сравниваем ее характеристики с теми, которые предсказывает Стандартная модель. Для прямого поиска новой физики нужно сделать коллайдер побольше: так становится выше вероятность рождения частиц, которых мы еще не видели. Для непрямого поиска достаточно не очень больших энергий, но нужно либо уменьшить количество шума, либо увеличить число произведенных частиц. FCC будет ориентирован, скорее всего, на прямой поиск.
