Поиск - новости науки и техники

Линейная траектория. Физики мечтают о новом ускорителе.

На протяжении многих лет продолжаются обсуждения проекта создания Международного линейного коллайдера. Данные, которые ученые предполагают на нем получить, могли бы пролить свет на свойства недавно открытых частиц, помочь обнаружить следы темной материи и найти ответы на другие вопросы, связанные с пониманием устройства Вселенной. Летом этого года проект 30-километрового линейного ускорителя наконец-то обрел реальные очертания. Было названо место его возможного строительства в Японии, определены основные этапы его создания, сформулирована научная программа будущих экспериментов. Хотя наша страна на государственном уровне не стала бороться за право построить новейшую научную установку на своей территории, российские ученые и институты не отказались от участия в создании линейного коллайдера. О том, как развивался проект, что его ожидает в ближайшие годы и каким может быть участие России в его выполнении, рассказывает исполняющий обязанности главного научного сотрудника ФГБУ “ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики” им. А.И.Алиханова член-корреспондент РАН Михаил Данилов.

– Как возник проект линейного коллайдера?
– Впервые идею создания такого коллайдера высказали ученые из новосибирского Института ядерной физики им. Г.И.Будкера. Необходимая для этого технология активно развивалась в России, Германии, США и Японии. А физическую программу и проекты детекторов мировое научное сообщество разрабатывало на основе самоорганизации.
Есть два способа становления крупных международных научных проектов. Одни выполняются “сверху вниз”, когда первоначально решение принимается на уровне правительств, а потом договоренность на высшем уровне спускается к научному сообществу (как в случае с ИТЭР). А бывает наоборот, когда инициатива идет “снизу”, то есть от ученых, – так было с проектом Международного линейного коллайдера (ILC). В конце 1990-х физики решили, что строительство ILC – важное научное направление. Был создан Всемирный комитет по физике и детекторам для линейного коллайдера (World Wide Study on Physics and Detector for Liner Collider Organizing Committee), в который вошли 12 специалистов (в том числе и я) в области разработки детекторов и проведения экспериментов на ускорителях.
Цель нашей работы состояла в том, чтобы запустить масштабные исследования и выяснить, какие процессы можно было бы изучать на этом коллайдере и какие технические решения для этого потребуются. В работу включились свыше тысячи ученых из разных стран, и в итоге была сформулирована убедительная программа научных исследований на ILC, обосновывающая необходимость его создания. Физики разработали новые подходы к регистрации частиц, позволяющие создать адекватные детекторы, параллельно продолжалось развитие ускорительных технологий. Всего были созданы четыре эскизных проекта линейного ускорителя. В 2004 году, изучив их, организация ICFA (International Committee for Future Accelerators) пришла к выводу, что наиболее продвинутой и реально осуществимой является идея сверхпроводящего линейного коллайдера, основанного на использовании сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Для выработки технического проекта ILC в 2006 году была создана организация Global Designer, а спустя два года ученым было предложено подавать заявки на проведение экспериментов.
– На несуществующем ускорителе?
– В то время не был завершен даже окончательный проект ILC, но, несмотря на это, физики очень серьезно отнеслись к поступившему предложению. Было подано три заявки (около 100 страниц каждая), которые рассматривал международный комитет International Detector Advisory Group. Я участвовал в его работе и могу сказать, что уровень проработки заявок был даже выше, чем уровень проработки аналогичных заявок на проведение экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН.
Финалом всей этой деятельности стало завершение летом 2013 года полного проекта Международного линейного коллайдера, который может быть построен в Китакаме (Япония), – в нем подробно описаны и детекторы, и физика, которая будет изучаться на ILC.
– Известно, что несколько лет назад на строительство у себя ILC претендовала и Россия…
– Действительно, первоначально обсуждались четыре возможные локализации линейного коллайдера, одна из них – в Дубне, причем ILC здесь можно было бы построить почти на поверхности, что дает большие преимущества. При этом предполагалось, что страна, которая предложит построить у себя такой ускоритель, сможет потратить на этот проект как минимум половину его стоимости (он оценивается в
8 млрд долларов). В итоге желание строить ILC выразила Япония, а заявки от России так и не поступило. Деньги, конечно, потребовались бы немалые, но все же жаль, что ученым не удалось убедить российское правительство в важности этого проекта: он не только помог бы продвинуть отечественную физику высоких энергий, но и потянул бы за собой другие области, потому что для создания такого громадного комплекса, как ILC, нужен вклад многих наук и развитие новейших технологий.
– Я правильно понимаю, что решение о строительстве в Японии линейного коллайдера принято окончательно, сейчас идет обсуждение деталей проекта?
– Пока так сказать нельзя. Дело в том, что предложение Японии построить ILC оформлено несколько необычным образом. Нет заявления правительства на этот счет, но есть заявления нескольких министерств и организаций о том, что Япония хочет строить коллайдер у себя. Сейчас идут переговоры Японии с другими странами о том, как можно организовать финансирование этого проекта. Могу сказать, что обычно, когда японцы начинают что-то предлагать, это означает, что, хотя формально решение не принято, де-факто оно имеется.
– Давайте вернемся к началу разговора. Объясните, зачем нужен ILC, если есть Большой адронный коллайдер?
– Ответ на этот вопрос состоит в том, что ILC и LHC очень различаются. В Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны – сложные объекты, состоящие из кварков и глюонов. Для простоты можно представить, что мы сталкиваем мешки гороха и хотим узнать, как взаимодействуют горошины. В линейном коллайдере сталкиваются электроны и позитроны, это как раз “горошины”, поэтому мы точно знаем начальные условия столкновения, легко можем восстановить конечное состояние и, таким образом, гораздо детальнее, чем на LHC, исследовать возникающие при этом процессы. Скажу больше – на линейном коллайдере можно было бы обнаружить бозон Хиггса со статистической значимостью 5 стандартных отклонений за один день работы. А LHC для этого потребовалось два года…
– Получается, не то построили?
– Этого я не говорил. Большой адронный коллайдер разгоняет протоны до гигантских энергий (в 15 раз больше, чем планируется достигнуть на ILC), поэтому он превосходит линейный по возможностям прямого открытия новых частиц. А специфика спроектированного линейного коллайдера – в прецизионном исследовании известных частиц и поиске Новой физики косвенным образом. При этом во многих случаях ILC оказывается чувствительным к явлениям, недоступным для LHC.
– Расскажите подробнее о научной программе на ILC.
– Предполагается, что линейный коллайдер будет создаваться поэтапно. На первом этапе появится так называемая “фабрика хиггсовских бозонов” – ускоритель c энергией около 250 ГэВ, предназначенный для получения и детального изучения в очень чистых условиях большого количества бозонов Хиггса, что важно для понимания того, как устроен наш мир. То, что на Большом адронном коллайдере пока не видно следов Новой физики в частицах, которые там рождаются, явно говорит о том, что дополнительную информацию может нам дать более детальное изучение бозона Хиггса.
Другая интересная задача для ILC – изучение свойств топ-кварка. Это самая тяжелая из элементарных частиц, и в ее поведении могут обнаружиться следы физики за рамками Стандартной модели. Еще одна проблема, которую можно попытаться решить на ILC, – поиск темной материи. Ее ищут по-разному – в прямых проявлениях либо пытаясь произвести частицы темной материи (очень хорошими кандидатами на эту роль считаются суперсимметричные частицы), и в некоторых физических сценариях оказывается, что получить их легче на линейном коллайдере. Есть и совсем экзотические проблемы – например, выяснить, сколько измерений в нашем пространстве. Дополнительные измерения, если они существуют, можно почувствовать на линейном коллайдере, который более приспособлен для таких экзотических поисков, чем LHC.
– То есть эти две машины будут помогать друг другу?
– Да, они друг друга дополняют: в последнее время в физических экспериментах так и происходило. Если посмотреть, что открыто на адронных машинах (где сталкиваются протоны, антипротоны – частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях) и на электрон-позитронных, то мы увидим, что открытий примерно поровну.
– Каким может быть участие российских ученых в проекте ILC?
– В России имеются технологии, которые нужны для этого коллайдера, в частности, производство высокочистого ниобия, который используется при изготовлении сверхпроводящих резонаторов. Технологию, которая была в России развита, но затем фактически утеряна, удалось восстановить совместными усилиями ИТЭФ и ОАО “Гиредмет” (научно-исследовательский и проектный институт материаловедческого профиля, специализирующийся на разработке новых материалов на основе редких металлов), при этом по чистоте наш ниобий получился самым лучшим в мире. Мы также вполне конкурентоспособны в области изготовления детекторов – читатели “Поиска” знают о существенном вкладе российских специалистов в создание детекторов LHC. Для линейного коллайдера группа ученых из ИТЭФ и МИФИ разработала новый подход, и сегодня мы предлагаем использовать на одном из его детекторов адронный калориметр на основе изобретенных в России кремниевых фотоумножителей.
Другую концепцию адронного калориметра разрабатывают в Институте физики высоких энергий в Протвино, электромагнитный калориметр предлагает НИИЯФ МГУ. Активно работают над ускорительной частью проекта ILC в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера, в ОИЯИ. Таким образом, ученые со своей стороны стараются обеспечить вклад нашей страны в этот проект, хотя какого-то централизованного отношения России к нему пока не высказано.
– А на какие же средства выполнялись работы, о которых вы рассказали?
– Все финансовые вопросы решались на уровне лабораторий и институтов. ИТЭФ значительную часть калориметра сделал на деньги МНТЦ и “Росатома”. Сейчас эти работы поддерживаются НИЦ “Курчатовский институт”.
– Как можно охарактеризовать нынешний этап в истории создания ILC? Над чем сейчас идет работа?
– С одной стороны, проект готов, с другой – его можно дорабатывать, и доработки продолжаются во всем мире. Ключевой вопрос на сегодняшний день – это вопрос переговоров между правительствами разных стран о выделении денег.
Россия пока не очень вовлечена в этот процесс, однако в октябре на заседании российско-японской Межправительственной комиссии по научному сотрудничеству этот проект был включен в список приоритетных направлений.
– Когда ожидается полная ясность, что проект стартует, “пора рыть траншею”?
– Это должно будет решить японское правительство после того, как получит поддержку других стран. В принципе, по имеющемуся плану на все согласования отведены ближайшие два года. Эта оценка основана на взаимодействии с политиками, представителями промышленности. И хотя названа дата начала строительства – 2018 год, некоторая неопределенность в этом вопросе пока существует.

На нижнем фото: Japaneese plans: ILC and a “Sience City”

Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА

Фото jaguar.itep.ru и из презентации М.Данилова “Status of ILC”



Нет комментариев