Това Холмс не понаслышке знает, что значит отстаивать идею, которую многие считают безумной. В 2022 году она пришла на встречу физиков-ядерщиков в футболке с надписью «BUILD» (Стройте) и схематичным изображением кольцевого ускорителя. Так группа энтузиастов из Университета Теннесси в Ноксвилле начала открытую кампанию в поддержку проекта, который десятилетиями пылился на полке научных идей. Речь шла о мюонном коллайдере — машине, способной если не заменить, то радикально дополнить знаменитый Большой адронный коллайдер (БАК), чьи возможности в поиске новой физики, кажется, исчерпали себя. То, что еще недавно казалось научной фантастикой, сегодня обретает черты реального инженерного проекта, способного изменить наши представления о материи, времени и самой структуре вакуума.
В 2012 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) официально подтвердили существование бозона Хиггса. Эту частицу предсказали еще в 1960-х годах, и она отвечала за ключевой механизм: объясняла, как фундаментальные силы природы разделились на заре Вселенной и как элементарные частицы обрели массу.
Казалось, что пазл сложился. Но вместо окончательных ответов появились новые вопросы. Масса самого бозона Хиггса оказалась подозрительно мала. Согласно квантовой теории поля, из-за взаимодействия с тяжелыми частицами она должна быть колоссальной, но природа «настроила» ее на значение в 125 гигаэлектронвольт, позволяющее нашей Вселенной существовать в стабильном виде. Эта идеальная балансировка, требующая невероятной точности, стала главной загадкой. «Люди говорят об открытии бозона Хиггса как о завершении физики частиц, — объясняет Патрик Мид из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке. — Но на самом деле это был самый запутанный ответ. Это было начало».
Сегодня экспериментальная физика стоит на распутье. Большой адронный коллайдер, несмотря на свою мощь, не принес сенсационных открытий за пределами Стандартной модели — стройной, но явно неполной теории, описывающей три из четырех фундаментальных взаимодействий. Чтобы двигаться дальше, нужен новый инструмент.
Темная лошадка
Инженеры и физики предложили несколько путей. Первый, очевидный — построить «старшего брата» БАКа. Проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider) в ЦЕРНе предполагает создание туннеля длиной до ста километров. Разгоняя протоны по большей окружности, ученые смогут достичь энергий в семь раз выше, чем сегодня. Однако протоны — не фундаментальные частицы, они состоят из кварков и глюонов. При их столкновении возникает мешанина из «осколков», которую трудно анализировать, а стоимость такого проекта исчисляется десятками миллиардов евро.
Альтернатива — электрон-позитронные коллайдеры, такие как Компактный линейный коллайдер (Compact Linear Collider). Электроны и позитроны — точечные частицы, их столкновения чисты и идеальны для измерений. Но у них есть фатальный недостаток: на круговых траекториях они теряют энергию, испуская излучение, а в линейных ускорителях частицы нельзя использовать повторно, что снижает эффективность.
И тут на сцену выходит «темная лошадка» — мюонный коллайдер. Мюон — это тяжелый родственник электрона. Он в 200 раз массивнее, но несет такой же отрицательный заряд. В повседневной материи его не увидеть, но он рождается в верхних слоях атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха. Его главное преимущество — масса. Будучи в 200 раз тяжелее электрона, мюон теряет в кольце ускорителя гораздо меньше энергии на излучение. Это позволяет разгонять его до чудовищных энергий в туннеле, лишь незначительно превышающем размеры существующего БАКа. Согласно расчетам американской коллаборации по мюонному коллайдеру (US Muon Collider Collaboration), такая машина способна достичь энергии в 30 тераэлектронвольт — в четыре раза выше нынешнего предела, уместившись в знакомые масштабы.
Проблема: жизнь на грани
Идея мюонного коллайдера не нова. Физики набрасывали первые проекты еще в 1960-х годах, но всегда упирались в две непреодолимые сложности.
Во-первых, мюоны нельзя «достать» из атома, как протоны. Их нужно создавать. Для этого протоны врезают в мишень (например, графитовый блок), в результате рождаются пионы, которые распадаются на мюоны. Но на выходе получается не аккуратный луч, а хаотичный взрыв частиц, разлетающихся в разные стороны с разной скоростью. Собрать этот хаос в сфокусированный пучок толщиной с человеческий волос — главная инженерная задача.
Во-вторых, мюоны нестабильны. В состоянии покоя они живут всего 2,2 микросекунды. Для сравнения, разгон протонов в основном кольце БАКа занимает около 20 минут. Если сравнивать с жизнью мюона, это вечность. «Вы начинаете с пучка мюонов размером с пляжный мяч и хотите превратить его в нечто тоньше человеческого волоса, — объясняет Патрик Мид. — И сделать это нужно супер-супер быстро».
Технологический прорыв
Долгие годы эти препятствия оставляли мюонный коллайдер на обочине. В ходе стратегической сессии Snowmass в 2013 году, где американские физики определяют будущее отрасли, идею снова отложили как нереализуемую.
Но за последнее десятилетие ситуация кардинально изменилась. Исследователи научились использовать против времени саму теорию относительности Эйнштейна. В проектах последнего поколения речь идет об энергии в 30 тераэлектронвольт. На таких скоростях время для мюона замедляется. Если в коллайдере мощностью 10 тераэлектронвольт мюон живет уже десятую долю секунды — это в 45 тысяч раз дольше его обычного срока жизни. Парадокс: разгоняя частицу быстрее, мы выигрываем драгоценные микросекунды для управления пучком.
В 2020 году эксперимент по ионизационному охлаждению мюонов (Muon Ionization Cooling Experiment), которым руководил Кеннет Лонг из Имперского колледжа Лондона, доказал ключевую технологию. Ученые пропустили мюоны через вещество (жидкий водород или гидрид лития), чтобы погасить их хаотичное движение во всех направлениях, а затем резко разогнали вперед с помощью быстро осциллирующих электрических полей. Хаотичный «шлейф» превратился в плотный, летящий к цели сгусток.
Джесси Талер из Массачусетского технологического института признается, что еще десять лет назад относился к идее мюонного коллайдера скептически: «На первый взгляд кажется, что это безумие, потому что прикидка на салфетке говорит, что это невозможно. Но когда мы углубились в науку, это стало выглядеть все более и более правдоподобно».
Дополнительный опыт пришел из эксперимента Muon g-2 в Fermilab (Иллинойс), который стартовал в 2017 году. Ученые измеряли аномальный магнитный момент мюона с невероятной точностью. Хотя финальные результаты, после уточнения теоретических расчетов, не привели к открытию новой физики (как надеялись многие), эксперимент подарил научному сообществу бесценный опыт производства, накопления и контроля гигантских потоков мюонов.
Возрождение идеи
К 2022 году, когда Това Холмс пришла на следующую встречу Snowmass в своей агитационной футболке, настроение в среде физиков переменилось. Мюонный коллайдер стал одним из главных кандидатов на роль преемника БАКа. В Европе при поддержке ЦЕРНа заработала Международная коллаборация по мюонному коллайдеру (IMCC), которая ведет параллельные исследования. В США серьезно рассматривают возможность построить такую машину на базе Fermilab.
«Концепция мюонного коллайдера довольно старая, — говорит Стейнар Стапнес из Университета Осло, участник IMCC. — Но сейчас все считают ее очень интересной — как с научной, так и с технической точки зрения».
Сейчас каждый из проектов (протонный, электрон-позитронный и мюонный) находится на стадии технических исследований и демонстрационных испытаний. Только после этого правительства стран примут решение, какой из них получит многомиллиардное финансирование. Серго Джиндаряни, возглавляющий американскую коллаборацию по мюонному коллайдеру, руководит первыми исследованиями осуществимости. «Мы делаем вещи одним и тем же способом уже много десятилетий, — говорит он. — В какой-то момент нам нужен новый подход, и столкновение мюонов может стать этим подходом».
Окно в природу вакуума
Что даст нам мюонный коллайдер, если его построят? Его главная цель — изучение бозона Хиггса с недоступной сегодня глубиной. Несмотря на открытие в 2012 году, эта частица остается самой странной во всей Стандартной модели. Ученые подозревают, что именно поле Хиггса сыграло решающую роль в формировании ранней Вселенной. Когда космос остывал после Большого взрыва, это поле «включилось», разделив единую электрослабую силу на электричество и слабое взаимодействие. Насколько бурным был этот переход — ключ к разгадке исчезновения антиматерии.
Более того, нынешнее состояние поля Хиггса может быть нестабильным. Некоторые расчеты показывают, что наш вакуум находится в «ложном» энергетическом состоянии — не самом низком из возможных. Если это так, однажды квантовая флуктуация может столкнуть его в более глубокую яму. Этот процесс, называемый распадом вакуума, изменит все. «Все фундаментальные частицы, обладающие массой, станут тяжелее, и, предположительно, это полностью перестроит наши элементы и вызовет полный хаос», — описывает катастрофу Това Холмс. «По сути, это похоже на то, как кто-то включает или выключает свет во Вселенной. Если свет выключен, нас не существует. Если включен — мы можем жить», — добавляет Мид.
Мюонный коллайдер мог бы зафиксировать, как бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами и с самим собой на высоких энергиях. Это позволило бы проверить гипотезы о том, что существует несколько видов бозонов Хиггса, или же, что бозон не фундаментален, а состоит из более мелких частиц (так же как протон состоит из кварков). В этом мюонная машина превосходит так называемые «хиггсовские фабрики» (электрон-позитронные коллайдеры), которые могут рождать много бозонов, но не способны достигать энергий, необходимых для проверки этих теорий.
Гонка со временем
Прежде чем начать строительство полноценного коллайдера, ученые должны доказать, что технологии работают в реальных условиях. Следующий этап — создание демонстрационной установки, которая покажет, можно ли готовить и сталкивать мюонные пучки с нужной точностью. IMCC разрабатывает планы такой машины в ЦЕРНе, а американские коллеги параллельно исследуют возможность построить демонстратор в Fermilab. Цель — подготовить детальный технический проект к 2030 году. Если правительства одобрят финансирование, демонстратор может заработать в начале 2030-х, открыв дорогу к полноценному коллайдеру.
Для Товы Холмс и ее единомышленников это долгая игра. Они уверены, что мюонный коллайдер станет следующим великим проектом мировой физики. И теперь им не приходится в одиночку агитировать в самодельных футболках. «Я с радостью замечаю, как часто я приезжаю в другой научный институт и вижу, что мои коллеги уже носят их», — улыбается Холмс. Физика элементарных частиц стоит на пороге выбора, и машина, которую долгие годы считали призраком, наконец готова обрести плоть, чтобы ответить на самые глубокие вопросы о том, как устроена реальность.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости