Независимо от всего этого продолжаются исследования и самого бозона Хиггса с энергией 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все его характеристики с большой точностью. Все, что мы пока видели, точно совпадает с предсказаниями, но наша точность сильно ограничивается малым количеством частиц, которые нам удается производить и отслеживать. В большинстве процессов распада неопределенность наших измерений еще слишком велика, чтобы заметить аномалии, предсказываемые СУСИ.
На Большом адронном коллайдере продолжается систематическая терпеливая работа и проводятся точные измерения. Ученые не обходят вниманием ни единой возможности обнаружить намек на суперсимметрию в тайной надежде, что недавно открытый бозон Хиггса послужит своего рода порталом в новую физику и что его появление в 2012 году было лишь первым звеном в длинной цепи открытий.
Ускорители будущего
Физика переживает время глубочайшей трансформации. Сейчас, когда нашлась последняя недостающая частица, Стандартная модель может считаться построенной. Но именно в момент ее наивысшего триумфа все прекрасно отдают себе отчет в том, что список явлений, которым теория не дает никакого объяснения, настолько длинен, что это вызывает недоумение.
По-прежнему неясна точная динамика инфляции, не удается последовательно провести объединение всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Совершенно неизвестны механизмы, которые привели к исчезновению антиматерии, не говоря уж о явлениях, способных объяснить темную материю и темную энергию.
Все понимают, что рано или поздно Стандартную модель надо будет подвергнуть переоценке. Вероятно, она войдет частным случаем в какую-то более общую теорию, способную предложить новое и более полное описание природы. Прелесть исследовательской работы заключается в том, что никто не знает, когда это может произойти. Каждый день мы можем ждать этого подарка – достаточно только, чтобы в анализе данных какого-то эксперимента вдруг показалось новое состояние материи; но, прежде чем это случится, могут пройти годы, могут понадобиться ускорители нового поколения.
Так что работы по проектированию научных инструментов будущего тоже не прекращаются. На разработку нового ускорителя и на ввод его в действие уходят десятилетия. Первые обсуждения Большого адронного коллайдера начались в середине 1980-х, а построили его только к 2008 году. Если думать об ускорителе, который мог бы начать работу в 2035–2040 годах, то уже пора начинать действовать. Не случайно в 2019 году в ЦЕРН опубликовали доклад, описывающий проект Кольцевого коллайдера будущего, пока больше знакомого по англоязычной аббревиатуре FCC (Future Circular Collider), он придет на смену Большому адронному коллайдеру.
FCC – это международная исследовательская группа, ставящая своей целью разработать проект, включающий необходимую инфраструктуру, и оценить стоимость ускорителя в сто километров, который будет построен усилиями ЦЕРН. Проект предусматривает на первой стадии, FCC-ee, создание условий для столкновений электронов с позитронами, после чего, на второй стадии FCC-hh, ускоритель будет переориентирован на столкновения протонов с протонами, то есть фактически будет повторена использованная ЦЕРН успешная схема переориентации электрон-позитронного ускорителя в адронный (то есть в Большой адронный коллайдер).
Проект родился в 2014 году и сразу получил мощную поддержку международного сообщества. В работе принимают участие тысяча триста физиков из ста пятидесяти университетов, исследовательских институтов и их партнеров из промышленности. Результатом проведенных исследований стал подробный доклад, заложивший основу новой европейской стратегии в области ускорителей элементарных частиц.
Решение о создании этой новой инфраструктуры должно быть принято в 2020 году[16]. По самому реалистичному сценарию строительство FCC начнется в 2028 году, а в действие он будет приведен в 2040-м. Переход к следующей стадии будет сложнее и потребует дополнительных разработок для промышленного производства магнитов. Пуск FCC-hh ожидается в 2050–2060 годы.
Таким образом, сейчас принимаются ключевые решения, которым суждено определить рамки научных исследований на протяжении всего столетия.
С точки зрения научных исследований такая смена одного ускорителя другим оптимальна в далекой перспективе. Ее можно сравнить с обходом с флангов в военной стратегии – чтобы не дать новой физике, где бы она ни пряталась, уйти из окружения.
Электрон-позитронный ускоритель идеален для выполнения точных измерений параметров Стандартной модели. Предусматривается, что новый ускоритель будет работать сначала на энергиях до 90 ГэВ, чтобы производить огромные количества Z-бозонов, затем уровень энергии будет повышен до 160 ГэВ, чтобы рождались пары W-бозонов, а потом и до 240 ГэВ – уровня энергии, на котором будут рождаться миллионы хиггсовских бозонов и связанных с ними Z-бозонов. В конце концов должен быть достигнут уровень в 365 ГэВ, обеспечивающий подходящие условия для рождения самого тяжелого из кварков, t-кварка.
Новые частицы, которые объяснят природу темной материи, или новые взаимодействия, которые прольют свет на скрытые размерности нашей Вселенной, могут быть обнаружены косвенным образом через самые точные измерения параметров Стандартной модели.
Но если и это будет недостаточно точно, в дело пойдет грубая сила. 100 ТэВ энергии FCC-hh позволят изучить диапазон энергий, которые в семь раз превосходят те, что доступны Большому адронному коллайдеру. Новое состояние материи с массой между несколькими ТэВ и несколькими десятками ТэВ может быть зарегистрировано напрямую; можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса, или у него есть внутренняя структура, и установить те подробности спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, которые объяснят избыток материи в нашем мире.
Стоимость проекта впечатляющая: девять миллиардов евро понадобится на строительство тоннеля и монтаж электрон-позитронной установки. Еще пятнадцать миллиардов пойдут на магниты для FCC-hh. Но если принять во внимание, насколько проект растянут во времени, и учесть тот факт, что взносы на его строительство будут поступать со всего мира, то кажется, что дело это вполне посильное. И нет сомнений, что FCC поможет Европе занять ведущее место в мировом состязании ускорителей будущего.
Соединенные Штаты, еще несколько десятилетий назад бывшие безусловным лидером в этой области, уступают свои позиции и соглашаются играть вторые роли. Совершенно иначе ведут себя азиатские тигры, причем не только Япония, но и Южная Корея и прежде всего Китай.
Инвестиции в фундаментальные исследования в Китае растут год от года. С 2000 по 2010 год эти инвестиции удвоились, и сейчас Китай тратит на исследования и развитие больше, чем вся Европа. Он также запустил амбициозную программу космических исследований, включающую орбитальную научную станцию и исследовательскую миссию на Луну. Каждый год в Китае открываются новые университеты и крупные исследовательские центры.
Правящий класс страны понимает, что инвестиции в фундаментальную науку позволят стране войти в мировую технологическую элиту. Но их планы еще амбициознее: они хотят не просто участвовать, они решили, что должны стать первыми в том роде деятельности, который считают стратегически важным для сверхдержавы, рассчитывающей повести за собой весь мир.
Не случайно азиатский гигант предлагает для физических исследований строительство Кольцевого электрон-позитронного коллайдера (CEPC), установки, очень похожей на FCC: в кольцевом тоннеле протяженностью 50–70 километров расположится “фабрика хиггсовских бозонов” – электрон-позитронный ускоритель с энергией столкновений до 240 ГэВ, который позже будет перестроен в протонный ускоритель, способный производить столкновения в пучках с энергией до 50–70 ТэВ в системе центра масс.
Эта установка будет построена в холмистом районе Циньхуандао[17], известном как “китайская Тоскана”, недалеко от моря и в трехстах километрах от Пекина. Рытье тоннеля в Китае обойдется значительно дешевле, чем в Европе, и китайцы, кажется, собираются покрыть самостоятельно большую часть этих расходов.
Таким образом, реализация плана FCC начинается в тот самый период, когда по Европе катится волна кризисов и разногласий, но этот план дает ей шанс на великие дела. Если наш континент намерен продолжать играть ключевую роль в инновациях и в познании мира и не собирается уступать другим лидерство в стратегических областях фундаментальной физики, то FCC – самый подходящий для этого случай.
Вот так изучение процессов, давших начало нашему миру 13,8 миллиарда лет тому назад, переплетается с научными, техническими и даже политическими проблемами наших дней.
День 3Рождение бессмертных
Только что произошло болезненное событие, навсегда отделившее слабое взаимодействие от электромагнитного, но на первый взгляд ничего не изменилось. Заполнившую все электрослабую пустоту нельзя было увидеть и некому было пощупать. Однако кружащие повсюду точечные объекты – компоненты царящего безумия и хаоса – предупреждают о грядущих переменах.
Теперь иначе определяется поведение каждого из них, назначается его роль, определяются функции. И вдруг в этой неупорядоченной и невнятной системе воцаряется какой-то строгий порядок, пока еще невидимый, но уже вскоре приводящий к необратимым трансформациям. За все покрывающей завесой явной анархии множественных взаимодействий уже рождается тонкая организующая сеть иерархий. И с этого момента трансформации становятся глубже. Последовательность неотвратимых событий приведет некоторые элементарные компоненты к конденсации в стабильно организованные формы. Это зародыши материального мира, они склеиваются в те самые кирпичики, которые нам так хорошо знакомы и из которых скоро будет построена грандиозная конструкция.