Исследовательские работы на Большом адронном коллайдере с декабря 2018 года поставлены на паузу. После модернизации ускорителя ученые снова примутся за дело: одни будут искать новые элементарные частицы, другие — суперсимметрию, третьи — черные дыры. Во многом в поисках новых теорий на БАК царит не то демократия, не то анархия, считает физик Денис Деркач. Он рассказал редакторам ПостНауки Алене Селичевой и Кристине Черновой об итогах Run 2, бесконечной Вселенной и Будущем циклическом коллайдере.
Новая физика
— Есть Стандартная модель, описывающая сильные и слабые электромагнитные взаимодействия. Существует общая теория относительности, которая, если упрощать, описывает гравитацию. И есть новая физика, доказательства которой ищут с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (далее БАК. — Прим. ред.). Что это за физика? Какие теории в нее входят?
— Стандартная модель (далее СМ. — Прим. ред.) не совсем модель. Это не одно уравнение, а набор некоторых знаний. Она сформировалась не так давно — ей примерно 35 лет. В нее входят теории, многократно подтвержденные в экспериментах, которые сложно опровергнуть. Все, что не входит в СМ, называется физикой за пределами СМ (Physics beyond the Standard Model), или новой физикой.
Новая физика весьма разнообразна: она может быть просто продолжением происходящего в СМ, а может быть совершенно непохожей на нее. Группу моделей, относящихся к новой физике, объединяет то, что все они должны объяснять, почему мы имеем дело со СМ. Например, когда в экспериментах на небольшом коллайдере мы поняли, что существует СМ, это произошло потому, что мы не видели эффектов, заметных только на больших энергиях.
Как открывают новые элементарные частицы
— Открытие новых частиц — это всегда экспериментальное подтверждение какой-то теории или можно найти что-то случайно?
— В середине XX века было довольно много случайных открытий. На одной из встреч по обнаружению частиц кто-то даже спросил: «А кто это заказывал?» Каждый раз, когда у нас есть какая-то стройная теория и нам не хватает лишь небольшого шага, чтобы все завершить, внезапно кто-то приходит и говорит: «Смотрите, что я нашел». И это совсем не то, что вы видели.
На текущем этапе развития науки мы предвидим многие сценарии. И поэтому всегда найдется человек, который скажет, что он догадывался о существовании этой частицы.
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. Потом они снова встречаются и дают объяснение экспериментальных результатов, которые по этой причине обычно держатся в секрете до первой публикации.
Как вообще происходит процесс открытия частиц? Сначала вы видите небольшой всплеск в данных, hint, то есть подсказку, что именно в этом месте что-то происходит. Этот всплеск растет и становится evidence — открытием.
Когда мы открываем новые частицы, то примерно знаем, где они находятся и какими свойствами должны обладать. Но есть много параметров, которых мы не знаем. Поэтому, например, после того как t-кварки открыли на «Теватроне» Фермилаба, их начали изучать на БАК — именно с точки зрения этих неизвестных нам характеристик, то есть пытались найти расхождения с существующими теориями и подсчетами и понять, почему они расходятся.
Конечно, самым большим открытием был бозон Хиггса. Кажется даже, что БАК был построен специально для этого. Но это не совсем так. Ученые догадывались о его существовании, но могли и не найти его именно в тот момент.
Почему еще не открыли все частицы
— Почему, например, не смогли найти вимпы, из которых предположительно состоит темная материя?
— Возможно, вероятность рождения вимпов чуть ниже, чем предполагали ученые. На БАК мы собираем статистику и с ее помощью понимаем, что, например, если какая-то частица рождается с вероятностью 1/10000, то это значит, что, чтобы произвести примерно десять этих частиц, нам необходимо включить коллайдер на определенный срок, скажем на полгода. Мы включаем его, а через полгода проверяем. Если там нет нужного количества частиц, значит, либо что-то не так с теорией, либо мы неправильно посчитали, нужно искать другое количество частиц или дольше гонять коллайдер. Но это не значит, что модель неправильная. Возможно, эти частицы найдут, скажем, через десять лет.
— Реально ли вообще открыть все частицы?
— Скорее всего, реально найти частицы, которые нам доступны на таких энергиях. Мы не знаем, куда все это в итоге приведет, но, как только мы увеличиваем энергию, рождаются какие-то новые частицы, еще нам неизвестные и являющиеся составными частями предыдущих частиц.
— Каждый раз, когда обнаруживают новую частицу, это еще не последний шаг, и будут еще новые и новые частицы. То есть Вселенная бесконечна в каком-то смысле?
— Да. Но на самом деле мы, конечно, не знаем, когда сможем сказать, что нашли новую частицу, а когда это будет уже не частица в нашем текущем понимании. Ведь раньше в качестве частиц представляли ядра, потом протоны, нейтроны и так далее. Есть теории, говорящие, что на самом деле частицы, которые мы сейчас считаем элементарными, на самом деле не элементарные.
Как работают на Большом адронном коллайдере
— Как происходит работа на БАК? Приходят люди и говорят, что хотят искать определенную частицу?
— Эти люди составляют планы на ближайшие десять лет, и из этих планов не связанные с данными экспериментами люди — теоретики и другие экспериментаторы — делают ревью. На БАК приходит большое количество аналитиков, которые занимаются именно теми данными, которые кажутся им наиболее интересными. Обычно все это сопровождается большим количеством презентаций: аналитик рассказывает экспериментаторам, что именно он хочет искать. В ответ экспериментаторы говорят, можно ли это померить, критикуют и дают советы. И довольно быстро становится понятно, что если что-то нельзя найти, то, скорее всего, в ближайшем времени этого просто не окажется в данных.
— 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.
Итоги второго сезона коллайдера
— В декабре 2019 года завершился сеанс Run 2. Что успели сделать за это время?
— Сегодня внимание прессы и ученых со всего мира больше всего привлекает нарушение лептонной универсальности. Лептоны — это набор частиц, входящих в СМ и, грубо говоря, обладающих одинаковыми свойствами. Например, свойства электронов, мюонов и тау-мезонов должны быть близки, поэтому эти частицы и объединяются в группы. Другие участники этой группы — нейтрино — также должны иметь сходные свойства. Но в эксперименте LHCb на БАК (и частично в предыдущих экспериментах BaBar в Калифорнии и Belle в Японии) вдруг увидели некоторые отклонения от правила универсальности взаимодействий лептонов. Сделали это очень просто: экспериментаторы посчитали количество одних распадов, затем количество других распадов, поделили одно на другое, и у них не получилось то, что предсказывала современная СМ. Но пока что это еще не открытие, а явление, за которым нужно следить, и мировое сообщество сконцентрировано на этом. В истории физики существовало много явлений, за которыми вроде бы надо было следить, а потом оказывалось, что не надо было.
Кроме того, за сеанс Run 2 открыли пентакварки. Для их анализа использовали много экспериментальных техник, разработанных уже достаточно давно, но никто не ожидал, что БАК так хорошо все измерит. Дело в том, что коллайдер сталкивает два протона, каждый из которых состоит из кварков, вокруг которых еще летают глюоны. Это очень грязно, много шума, поэтому проводить точные измерения на БАК в целом гораздо сложнее, чем на более чистых электрон-позитронных коллайдерах.
Будущее Большого адронного коллайдера
— Что на БАК будут делать через 30 лет? Говорят, ЦЕРН планирует закрыть его 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 СМ. 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.
— Но пока что собираются модернизировать имеющийся БАК. Зачем это делается и что с ним будет дальше?
— БАК пробудет в таком состоянии еще пару лет. Затем запустят третий период активности Run 3, после чего коллайдер закроют еще на несколько лет. Пока он на паузе, нужно будет подготовить к повышению светимости всю систему сбора данных. Уровень светимости — это, условно говоря, количество событий, происходящих в секунду. Можно, например, в одном событии сталкивать не два протона, а четыре: два в одном месте, два в другом, — то есть увеличить количество информации, получаемое с одного события. Но при этом, конечно, увеличивается шум, появляются побочные эффекты. Именно к этому нужно будет подготовиться — сделать такую систему сбора информации, которая сможет все это быстро анализировать.
Вторая проблема — старение детекторов. В БАК летает множество частиц. Они ударяются о разные части детекторов, и детекторы начинают стареть, поэтому их нужно будет заменить. Сейчас разрабатывают новые детекторы, которые в основном планируют поставить в 2024–2025 годах, но некоторые, возможно, установят уже в следующем году.
— Какие теории планируется разрабатывать на обновленном БАК?
— Скорее всего, многие будут искать теории, ставшие менее популярными после первых двух запусков коллайдера. Есть популярные теории — та же лептонная универсальность, теории, касающиеся определенных частиц. Кто-то будет искать суперсимметрию и черные дыры. В этом смысле здесь демократия, а может, анархия: каждый вправе измерять то, что хочет. Но вряд ли это относится к теориям, которые не соответствуют тому, что мы уже видели. Скажем, «эфир» на БАК искать нельзя.
