Несмотря на климатическую повестку, Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) настаивает на необходимости построить в Европе более мощный кольцевой коллайдер. Возможности Большого адронного коллайдера себя почти исчерпали. Чтобы продвинуться в изучении тайн мироздания, необходимо сталкивать частицы с намного большими энергиями. Но ряд европейских учёных требуют остановиться и направить финансы на решение насущных проблем.

Сравнение БАК (LHC) и Future Circular Collider (FCC). Источник изображения: CERN

По мере продвижения в процессе технико-экономического обоснования проекта будущего коллайдера Future Circular Collider (FCC) его стоимость понемногу растёт. На нынешнем этапе проект оценивается примерно в $17 млрд. Если он будет утверждён, то платить придётся из бюджета ЕС и Великобритании. Причём для этого придётся экономить на определённых научных программах и довольно долго — не одно десятилетие. Поэтому учёных понять можно. Они живут и работают сейчас, и что произойдёт в 2050 году, когда заработает первая очередь FCC и, тем более, в 2070 году, когда планируют запустить вторую очередь — это волнует немногих.

Бывший главный научный советник правительства Великобритании, профессор сэр Дэвид Кинг (David King), назвал расходы на FCC «безрассудными», призвав перенаправить эти средства на решение неотложных глобальных проблем, таких как чрезвычайная ситуация с климатом. Ему вторит немецкий физик и популяризатор наук Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder), которая не верит в способность FCC добавить что-то новое к уже известной физике элементарных частиц.

Генеральный директор ЦЕРН, профессор Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), в защиту проекта назвала коллайдер «прекрасной машиной», которая поможет человечеству добиться значительных успехов в понимании фундаментальной физики и внутреннего устройства Вселенной.

Большой адронный коллайдер начал работать с 2008 году. В 2012 году он, наконец, помог обнаружить неуловимую раньше частицу, бозон Хиггса, что формально завершило построение Стандартной модели в физике элементарных частиц. Диаметр кольца БАК составляет 27 км. Диаметр кольца коллайдера FCC будет 91 км. Это на несколько порядков увеличит энергию столкновений частиц, обещая обнаруживать неизвестные ранее взаимодействия между частицами и новые частицы. Даже тот самый бозон Хиггса будет производиться в большем объёме, что поможет лучше изучить его характеристики. Собственно будущий коллайдер уже называют «хиггсовской фабрикой».

Решение ЦЕРН создать FCC последовало после тщательных консультаций с участием физиков со всего мира. Целью процесса было оценить реакцию стран-членов, включая Великобританию, которая как и другие участники проекта оплатит счета за это монументальное научное начинание. Параллельно разрабатываются ещё четыре проекта перспективных коллайдеров, три из которых относятся к линейным. В ЦЕРН подсчитали, что только проект FCC окажется самым предпочтительным с точки зрения климатической повестки. Он будет меньше всего вырабатывать CO₂ в пересчёте на каждый полученный на нём бозон Хиггса.

Утверждение плана строительства FCC ожидается в 2025 году. Строительство тоннеля под кольцо коллайдера начнётся в 2033 году. Электрон-позитронный коллайдер начнёт работать в 2048 году. Ещё 20 лет спустя по кольцу FCC запустят более тяжёлые частицы — протоны, что ещё сильнее повысит энергию столкновений.

Нейтрино являются вторыми по распространённости во Вселенной фундаментальными частицами после фотонов, но они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что одно время даже были кандидатами на роль тёмной материи. Всё-таки их можно улавливать и учёные это делают с 1956 года. Однако в коллайдерах нейтрино ещё не получали, пока в 2022 году на БАК не поставили серию экспериментов, уверенно доказавших детектирование нейтрино, полученных искусственным путём.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Любопытно, что установка FASERnu для детектирования нейтрино в ходе экспериментов на БАК собрана из комплектующих, оставшихся от прошлых экспериментов. Детектор поместили в один из боковых служебных коридоров коллайдера, но это не означает, что открытие рукотворных «призрачных частиц» не имеет важного научного значения. До сих пор учёные фиксировали в основном нейтрино низких энергий, тогда как из глубин космоса к нам приходят нейтрино высоких энергий. На БАК были получены как раз высокоэнергичные частицы, что открывает возможность использовать полученные данные для понимания астрофизических процессов.

Отдельно приятно, что значительную часть теоретической работы и обработку данных провели российские физики. В коллаборации FASER эту задачу взял на себя Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). В экспериментах по физике нейтрино для регистрации частиц использовалась ядерная фотоэмульсия — чередование вольфрамовых пластин для замедления нейтрино с фоточувствительной эмульсией.

Устройство детектора FASERnu

«Группа ОИЯИ участвует в моделировании сигнала, реконструкции и анализе фотоэмульсионных данных, проектировании и создании системы охлаждения с возможностью контроля и стабилизации температуры для FASERnu», — рассказала участник коллаборации FASER от ОИЯИ, научный сотрудник Сектора экспериментальной нейтринной физики Светлана Васина.

В предыдущих экспериментах на БАК были детектированы шесть частиц-кандидатов на роль высокоэнергетических нейтрино. Третий запуск БАК в 2022 году с повышенной яркостью дал настолько много данных, что их статистическая значимость превысила 16 сигм при требуемом уровне достоверности 5 сигм. Иначе говоря, сомнения в детектировании на БАК высокоэнергетических нейтрино при таких условиях стремятся к нулю.

Как выглядит детектор FASERnu в реальности

Нейтрино невозможно обнаружить напрямую при сталкивании пучков частиц, но благодаря детектору FASERnu где-то в боковом тоннеле БАК это стало возможным. Тем самым БАК стал инструментом, который полностью воспроизводит весь спектр известных современной физике элементарных частиц, включая бозон Хиггса, ради поиска которого, собственно, Большой адронный коллайдер и строился.

Тёмная материя может составлять до 27 % всего вещества во Вселенной, но до самого момента Большого взрыва мы видим только обычную материю, которой во Вселенной всего 5 %. Учёные до сих пор гадают, как обнаружить эту неуловимую субстанцию. Одной из возможностей считается детектирование тяжёлых частиц антиматерии из космоса, которые могут рождаться при аннигиляции вещества тёмной материи. Научиться бы узнавать такие частицы. И похоже учёные научились.

Источник изображения: Julien Ordan/CERN

Как сообщает Wired, несколько лет назад команда физика Ивана Воробьёва на Большом адронном коллайдере начала получать такую экзотическую форму антиматерии, как антиядра гелия-3. Учёные и раньше получали античастицы в экспериментах на БАК, но получить целые антиядра — это было проблемой. Тем не менее, начатые ещё в 70-е годы прошлого века эксперименты самим Воробьёвым и работа научной коллаборации ALICE на БАК позволила уверенно получать достаточное количество антиядер гелия-3, состоящих из двух антипротонов и одного антинейтрона. В последнем эксперименте учёные ALICE получили около 18 тыс. антиядер гелия-3, что позволило изучить их воздействие на обычную материю.

Чтобы детектировать антиядра гелия-3 из космоса и, тем самым, искать свидетельства присутствия там тёмной материи, нужно строить детекторы, которые однозначно будут определять это вещество. Для этого необходимо изучить, как пучки антиядер гелия-3 ведут себя в обычном веществе датчиков — это называется измерением сечения неупругого рассеяния. В данном случае учёные измеряли этот параметр для антиядер гелия-3, а БАК позволил создать для этого достаточное количество этих частиц.

Впрочем, с изучением пучка антиядер гелия-3 оставалась проблема. Сталкивание протонов в БАК и ядер свинца вело к разлёту «обломков крушения» в произвольные стороны. Ни о каком направленном пучке не могло быть и речи. И всё же, учёные смогли найти выход из этой ситуации. Некоторые антиядра гелия-3 попадали в датчики, уже размещённые на БАК для других экспериментов. В частности, попадания фиксировались системой регистрации внутренней трековой системы (ITS), время-проекционной камерой (TPC) и детектором переходного излучения (TRD). Из какого материала состоят эти датчики не тайна — о них известно всё и, тем самым, показания с этих сенсоров позволяют рассчитать рассеяние антиядер гелия-3 в материалах предложенных датчиков.

Так учёные получили данные, чтобы построить детектор антиядер гелия-3 космического происхождения. Но они пошли дальше. На основе полученных данных была построена модель, которая позволила оценить вероятность детектирования таких антиядер. Оказалось, что наша галактика весьма прозрачна для них. На пути с окраин галактики к нам теряется только 50 % антиядер гелия-3, что обещает с высокой вероятностью уловить эти процессы в космосе и, наконец, с большей уверенностью сказать, что там точно есть невидимое нам вещество.