Поиск - новости науки и техники

На двадцать лет вперед. Ученые знают, каким будет “завтра” Большого адронного коллайдера .

Физики любят мечтать, строить планы, заглядывать в будущее. Как показывает практика, и в частности последние события, связанные с поиском бозона Хиггса, самые смелые предположения ученых (первоначально сформулированные “на кончике пера”) нередко становятся реальностью.
В начале июля мир облетела радостная новость – в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружена новая частица, удивительным образом “похожая” на бозон Хиггса Стандартной модели. А примерно месяцем раньше, еще не имея на руках точных данных о приближающемся открытии (но имея достаточно оснований для его предчувствия), физики собрались, чтобы поговорить о будущем, которое наступит в науке лет через двадцать.
Загадали наперед
О грядущем совещании в Алуште было известно задолго до его начала. Еще бы! Уровень встречи предполагался наивысшим. Так оно и вышло – в пансионат “Дубна”, принадлежащий Объединенному институту ядерных исследований, съехалось все руководство эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid) – одного из двух крупнейших экспериментов ЦЕРН, а также ведущие физики-теоретики и экспериментаторы со всего мира. Инициатором мероприятия выступила объединяющая ученых России и стран-участниц ОИЯИ коллаборация RDMS (Russia – Dubna Member States), о работе которой мы неоднократно писали в “Поиске”. Сессии поочередно вели руководитель RDMS – CMS Игорь Голутвин и споксмен эксперимента CMS Джозеф Инкандела (Joseph Incandela).
Собственно, алуштинское совещание продолжило серию рабочих встреч руководства CMS, которая стартовала в Дубне в феврале 2011 года (“Поиск”, №10-11, 2011). Тогда ученые обсуждали возможные планы, связанные с апгрейдом Большого адронного коллайдера (LHC), и научную программу CMS примерно до 2030 года.
Предваряя мероприятие в Крыму, его главный идеолог профессор Игорь Голутвин (советник споксмена CMS) рассказывал корреспонденту “Поиска” о наиболее важных темах, которые планировались к обсуждению:
– Совещание в Алуште посвящено перспективам стратегии развития эксперимента CMS на ближайшие 15-20 лет. Мы начнем его работу с того, что попробуем сформулировать ответ на вопрос, который чаще всего задают журналисты: зачем все это нужно, что нового узнали ученые, получившие в свое распоряжение мощнейшую экспериментальную установку – LHC? Как известно, мы опубликовали около 150 статей в ведущих научных журналах. Но какие новые сведения о природе материи мы получили? Вот об этом и поговорим в самом начале. А дальше попытаемся разобраться в возможных сценариях развития физики высоких энергий на 15-20 лет вперед и, конечно, подумаем о будущем Большого адронного коллайдера…
Четыре дня на берегу Черного моря шло бурное обсуждение вопросов, никак не соотносящихся с представлениями о курортной жизни. Ученые жадно впитывали эксклюзивную информацию из докладов, которые непрерывной чередой следовали с раннего утра до позднего вечера. Прогулки по берегу моря и отчаянные забеги в ледяную воду совершались преимущественно при луне – настолько жаль было попусту тратить драгоценное дневное время.
Итак, день первый, и с места – в карьер! “Какие результаты получены на LHC при интегральной светимости в 5 fb-1” и “Чего ждать при интегральной светимости в 15 fb-1 и суммарной светимости пучков 8 ТэВ” – уже в первых докладах расставлены приоритеты и сформулированы ближайшие перспективы.
Светимость на LHC растет достаточно быстро, и если меньшая цифра относилась к текущему моменту, то большую физики рассчитывают достичь к концу года, перед тем как коллайдер будет остановлен на длительный перерыв, или Long Short Down (LS1), как принято говорить в кругу посвященных. Забегая вперед (а в какой-то степени возвращаясь назад, поскольку об этих планах в общих чертах было известно и раньше), отметим, что всего длинных остановок запланировано три. Каждая требуется для очередного этапа апгрейда коллайдера (или, как уважительно говорят в ЦЕРН, “машины”) и означает достижение более высоких характеристик – светимости или энергии пучков.
– Так чего же ждать к концу года? – обращаюсь к автору второго доклада, координатору физической программы CMS, нашему соотечественнику (а теперь американцу) Грегу Ландсбергу (Greg Landsberg), внуку того самого Григория Ландсберга, который написал знаменитый трехтомный “Элементарный учебник физики” и даже читал в московском Физтехе лекции некоторым из участников алуштинской встречи. – Достаточно ли троекратного повышения интегральной светимости для обнаружения следов новой физики за пределами Стандартной модели в этом году?
– Мы надеемся в течение нескольких месяцев разобраться с бозоном Хиггса и его свойствами. То, что мы узнаем о хиггсе – существует он или нет в том виде, в каком предсказывает Стандартная модель, – подскажет, где ожидать новую физику.
С последним утверждением участники совещания были согласны. И все же понятно, что определенность с бозоном Хиггса – вопрос времени, причем его требуется не так много. Некоторые предполагали, что относительная ясность (как это, собственно, и случилось) наступит уже через месяц. А что дальше?
А дальше возможны три основных сценария развития событий.
– В случае открытия бозона Хиггса мы начнем в деталях изучать свойства этой частицы, – делился своими мыслями Гуидо Тонелли (Guido Tonelli), ранее занимавший пост руководителя коллаборации CMS. – Но также возможны два других сценария: открытие суперсимметрии (справедливости ради отметим, что большинство участников встречи считают маловероятным такое развитие событий) или отсутствие следов и первого, и второго, но зато открытие тяжелых частиц, которые находятся вне рамок Стандартной модели. Если же все-таки состоится первый сценарий и хиггс будет обнаружен, то это определит развитие LHC на ближайшие 10 лет. Для того чтобы изучить свойства этой частицы, потребуется машина с большей светимостью, большей энергией и детектор, который будет соответствовать этим изменениям.
Программа LHC развивается очень быстро, нередко мы публикуем результаты всего через несколько недель после того, как были записаны данные. Это происходит потому, что очень хорошо работает детектор, да и компьютеры стали гораздо мощнее. С другой стороны, те результаты, которые мы сейчас получаем и публикуем, – это “снятие сливок”. Уже сегодня нам открыт совершенно другой диапазон энергий, в котором не работал ни один другой ускоритель. В связи с этим – если новая физика выглядит просто, если это какая-то частица, которая распадается на две или три частицы, что очень легко увидеть экспериментально, – мы хотим узнать о ее существовании как можно скорее. Однако не исключено, что новая физика прячется в тех данных, которые мы уже записали, но пока не оценили. Сейчас мы снимаем “низковисящие плоды”, а для того, чтобы дотянуться рукой до “более высоких”, потребуется некоторое время. В любом случае, нынешний год будет весьма интересным, а возможно, и самым важным в истории LHC и в физике элементарных частиц за последние 20 лет.
Для полноты картины
Участники совещания не сомневались, что нужен апгрейд LHC и, собственно, ничего нового в самом этом факте (для тех, кто в теме) нет. Интересны детали, особенно цифры, которые в Алуште называли руководители CMS. Некоторые из них звучали впервые.
Итак, дальнейшая судьба Большого адронного коллайдера поделена на этапы, а точнее, фазы.
Фаза 1, технический проект которой уже подготовлен, стартует в начале следующего года и продлится примерно до 2017 года, когда планируется вторая длительная остановка ускорителя (LS2). По сути, Фаза 1 – это реализация в полном объеме проекта LHC 1994 года, который, как мы помним, по соображениям экономии, был “оптимизирован” по цене и по характеристикам. Кроме того, в результате аварии 2008 года LHC не смог начать работать в номинальном режиме. Войти в него ускоритель должен после первого перерыва, который продлится около полутора лет, с конца этого – начала будущего года. Фаза 1 будет характеризоваться проектными значениями мощности (суммарная энергия пучков увеличится до 13 ТэВ, а затем достигнет запланированных 14 ТэВ) и светимости (1034 см–2•с–1).
Но физики смотрят в будущее, а потому не первая, а вторая фаза деятельности коллайдера, которая начнется после второй остановки машины и очередного апгрейда (ориентировочно в 2018-2019 годах), и стала главным предметом обсуждения алуштинской встречи.
Детальные доклады, касающиеся Фазы 2, которой присвоено в полной мере отражающее суть этого периода название High Luminosity LHC (HL-LHC), сделали руководители CMS – заместитель споксмена Тициано Кампорези (Tiziano Сamporesi) и технический координатор CMS Остин Болл (Austin Ball), а также Эцио Тодеско (Ezio Todesco).
Вот как Тициано Кампорези прокомментировал предстоящие события в беседе с корреспондентом “Поиска”:
– Есть утвержденный проект апгрейда и работы машины, он разделен на две части. В соответствии с планом, во время первого длительного перерыва, который начнется совсем скоро, надо провести обновление ускорителя и подготовить магниты, чтобы достичь полной энергии в 14 ТэВ. Второй перерыв будет нужен для модернизации системы инжекции машины, после чего мы ожидаем достижения светимости 2х1034, которая вдвое превышает проектную. Возможно, выйти на эти значения мы сможем даже несколько раньше.
В продолжение разговора о High Luminosity LHC должен сказать, что сейчас готовится проект (предположительно он будет завершен к 2016 году) о возможном увеличении светимости еще в 5 раз, то есть до значения 1035 см–2•с–1. Но реализовать это можно будет путем определенных технических усовершенствований не раньше 2022 года. Нам потребуется провести модернизацию квадрупольных линз (об этом проекте шла речь в докладе Эцио Тодеско), а также высокочастотных элементов. Если все будет реализовано, как задумано, то в течение 10 лет можно будет получить эту магическую цифру –  3000 fb-1. Это абсолютно новая величина, а значит, и физика будет совершенно новая.
Кроме этого, сейчас мы изучаем возможности дальнейшего увеличения энергии машины. Лабораторные исследования показывают, что создание новых, более мощных магнитов позволит увеличить суммарную энергию пучков примерно в 2,5 раза относительно проектной, доведя ее до 33 ТэВ. И хотя эту цифру мы уже анонсировали, в Алуште вы присутствуете в самом начале обсуждений этого вопроса. Сам же проект увеличения энергии машины – High Energy LHC – может реализоваться уже после 2030 года.
В феврале 2013 года в Европейский комитет по политике развития будущей физики должен быть представлен документ, в котором отражено то, что мы обсуждаем на этой встрече. Затем потребуется широкое обсуждение, поскольку проект, связанный с серией последовательных апгрейдов LHC, достаточно дорог. К тому же, как вы знаете, существуют и другие проекты, в частности проекты строительства международного линейного коллайдера, или электрон-позитронного ускорителя, которые могут служить тем же целям.
– Создается впечатление, что возможности и направления развития физики высоких энергий зависят от возможностей экспериментальной установки. Действительно ли нужны столь высокие значения энергии, светимости? Что говорят по этому поводу ваши коллеги – теоретики?
– Задача теоретиков – сформулировать полноту картины мира, а заодно выделить те перспективные направления исследований, которые позволят это сделать. Как правило, экспериментаторы и теоретики работают в тандеме: и те, и другие ученые вносят свою лепту. Но сейчас такое время, когда свое слово должны сказать экспериментаторы. Именно установка прояснит картину и путь, по которому мы будем двигаться.
Физики и физика
Тема взаимодействия экспериментаторов и теоретиков так или иначе звучала в Алуште. Первые представляли коллаборацию CMS, вторые были приглашены в качестве экспертов.
– Точку зрения теоретиков, которые могут оценить всю совокупность научных данных и лучше чувствуют ход развития событий и перспективы, надо обязательно учитывать, – считает председатель совета коллаборации RDMS, директор ОИЯИ, академик Виктор Матвеев. – Участие в совещании наиболее активно работающих теоретиков делает его очень продуктивным. Эти люди имеют различные мнения, но приглашены они не для того, чтобы создавать некую “атмосферу”. Они здесь затем, чтобы говорить о задачах, которые можно будет решать на ускорителе в недалеком будущем, и о том, какие предложения должны быть внесены в планы модернизации установки.
Еще в первый день работы совещания прозвучали доклады общепризнанных авторитетов в области физики высоких энергий – американца Джозефа Ликкена (Joseph Lykken) из Фермилаб и российского академика Валерия Рубакова (ИЯИ РАН).
Американский ученый говорил о том, что большие надежды теоретиков связаны с периодом High Luminosity и достижением рекордных значений интегральной светимости в 1000-3000 fb-1:
– Моя мечта – лабораторными методами найти ответы на вопросы о существовании и возникновении Вселенной, природе материи, для этого нужно провести серию последовательных мероприятий, улучшающих технические характеристики Большого адронного коллайдера. Возможности LHC позволяют надеяться, что машина поможет в решении этих вопросов. У теоретиков сегодня очень много различных идей на этот счет, но, кто из них прав, определит эксперимент. Я думаю, что у ускорителя есть все возможности продолжать поставлять нам интересные научные результаты, что, впрочем, не отменяет необходимости проведения других экспериментов, в том числе астрофизических.
А доклад Валерия Рубакова запомнился многим прямотой ученого. Уже в самом начале российский академик охарактеризовал словом “конфуз” состояние теоретической физики: “У нас множество теорий, но ни одна не находит подтверждения без данных эксперимента. Это означает, что физика высоких энергий вновь превращается в экспериментальную науку”.
Вывод ученого: даже если физики получат важные результаты до достижения высокой светимости, дальнейшее продвижение в познании природы потребует и High Luminosity, и High Energy.
Как известно, физика высоких энергий существенно ускорила развитие и использование распределенных методов анализа экспериментальных данных, и это максимально сократило временной интервал между завершением набора данных и получением конкретных физических результатов. Профессор Матиас Касеман (Matthias Kasemann, Desy) свой доклад посвятил основным тенденциям современного компьютинга. По мнению ученого, в ближайшие 10 лет физикам индивидуально будут предоставляться петабайтные объемы для хранения информации, 10-гигабайтные средства связи и развитые средства визуализации, что, в свою очередь, существенно расширит возможности физического анализа.
Были на совещании и другие интересные выступления. В частности, доклад профессора Николая Скачкова (ОИЯИ) о разработанном физиками ОИЯИ новом методе, позволяющем существенно увеличить точность нашего знания структуры протона, что весьма важно для поиска сигналов новой физики и новых частиц. По словам ученого, для этой цели необходимо провести измерения ряда фундаментальных процессов, например связанных с рождением мюонных пар при высоких энергиях и светимости LHC.
Нет преград?
Самый частый вопрос, который задавали друг другу участники совещания: а выдержит ли машина все те модификации, которые предполагается осуществить? Шутка ли – сейчас специалисты планируют поднять суммарную энергию пучков до 14 ТэВ, а разговоры идут о достижении 33 ТэВ, что более чем вдвое превышает проектные значения!
И все же самое уязвимое звено – сам детектор, разработанный 20 лет назад и основанный на технологиях того времени. Любая техника, в том числе электроника, имеет ограниченный период жизни, к тому же сказывается влияние радиации, особенно вблизи столкновений пучков.
– Нам потребуется изменить то, что устарело, и, может быть, поменять некоторые узлы, находящиеся под влиянием радиации, – считает Гуидо Тонелли.  – Уже в ближайшее десятилетие надо будет заменить пиксельные детекторы, а еще лет через десять – весь трекер. Но это должна быть не просто замена старых узлов на новые, мы постараемся также улучшить их характеристики.
Профессор Николай Шумейко, директор Национального центра физики частиц и высоких энергий Белорусского госуниверситета, на вопрос о том, что за работа предстоит его коллегам в связи с апгрейдом детектора, отвечает так:
– Системы, в модернизации которых мы участвуем, – это передний адронный калориметр и передняя мюонная станция. Необходимость их апгрейда обусловлена высокой радиационной нагрузкой, которую они несут из-за того, что установлены вблизи сталкивающихся пучков. Вместе с коллегами из Дубны мы участвуем в работах по этим направлениям.
Начальник научно-экспериментального отдела физики тяжелых ионов Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ профессор Александр Малахов руководит работами по увеличению радиационной стойкости узлов адронных калориметров:
– У нас такой опыт есть, мы разрабатываем простой способ увеличения радиационной стойкости.
По оценкам профессора Малахова, небольшое усовершенствование конструкции сцинциляторов позволит значительно уменьшить влияние радиационных повреждений на характеристики установки.
Энтузиазм ученых, который проявлялся в докладах и в горячих обсуждениях, был вполне объясним: все жили предвкушением приближающихся открытий.
Подводя итоги совещания, Джозеф Инканделла выразил общее мнение:
– Благодаря инициативе наших коллег из RDMS мы провели в Алуште несколько очень запоминающихся дней, наполненных интереснейшими дискуссиями. Сегодня виден потенциал апгрейда LHC, понятно, какова может быть физическая программа после его завершения, каков может быть потенциальный дизайн установки. Кроме того, мы имеем целый список задач, которые предстоит выполнить.
Если говорить о нашей физической программе, то прежде всего мы надеемся обнаружить бозон Хиггса. Пока нами не найдено следов суперсимметрии, новой физики, но, возможно, это удастся, если поднять энергию пучков до 30 ТэВ.
Что еще вынесли участники совещания – это то, что физика высоких энергий движется в сторону фундаментальных основ. Их постижение потребует обновления машины. Все сказанное в Алуште убеждает в том, что именно сейчас у ученых есть очень веские основания думать об апгрейде Большого адронного коллайдера и достижении на нем беспрецедентно высоких значений светимости и энергии.

Светлана Беляева
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев