ли и мои новые студенты из Мельбурнского университета, которые никогда раньше не слышали, как я выступаю. Я сделала глубокий вдох и начала.
Я рассказала о том, что узнала в этом путешествии по двенадцати экспериментам. Организаторы попросили меня рассказать о наших прошлых достижениях, а также о том, куда нас может завести будущее. Итак, я начала со своих мыслей о нашем нынешнем положении в этом вдохновляющем, масштабном, вселенском путешествии познания нашего мира.
Я не могу не провести параллели между тем, с чего мы начали это путешествие в конце XIX века, и тем, где мы находимся в области физики элементарных частиц, вступая в третье десятилетие XXI века. Возможно, мы находимся на пороге периода преобразований, столь же грандиозных, как открытие ядра, электрона и всего субатомного и квантового мира. Нас может ждать новая версия Рентгена XXI века, увидевшего зеленое мерцание на экране в своей лаборатории, или Резерфорда, изумленного тем, что частицы отскакивают от тонкой золотой фольги. Эти удивительные открытия, конечно, теперь появятся среди массивов данных на компьютере, а не в виде вспышки на экране, но суть та же. Мы ищем что-то, что заставит нас сказать: «Хм… как странно». Но мы не можем просто ждать, пока эти открытия появятся сами по себе.
Открытия никогда не случайны. Люди делают открытия. Только поддерживая тех, кто хочет отправиться к границе непознанного и провести эксперименты, мы сможем достичь следующего этапа в нашем понимании мира. К счастью, это путешествие уже идет полным ходом. Тысячи ученых по всему миру, в том числе многие из тех, кто присутствовал на моем выступлении, уже планируют, проводят и совершенствуют эксперименты, как малые, так и большие. Любопытство подводит их к самому краю того, что технологически возможно, и за его пределы.
Многие из предлагаемых экспериментов следующего поколения должны быть масштабными и совместными, и на то есть веские причины. Большие вопросы, которые мы сейчас задаем – какова природа темной материи? почему во Вселенной существует асимметрия между веществом и антивеществом? существует ли великая теория всего, которая может описать все в физике? – нельзя решить в одиночку или небольшой изолированной командой. Вопросы стали слишком сложными. А потому эксперименты, которые ответят на них, почти наверняка тоже будут большими и сложными.
Профессор Даниэла Бортолетто, глава кафедры физики элементарных частиц в Оксфорде, кратко описывает состояние своей области исследований: «Частицы Стандартной модели составляют лишь около 5 % от содержания материи и энергии во Вселенной. Оставшиеся 95 % Вселенной приходятся на то, чего мы не знаем: на темную материю и темную энергию. Поскольку у нас нет никаких экспериментальных доказательств, указывающих на происхождение темного сектора, я считаю, что лучший способ добиться прогресса – это тщательно исследовать бозон Хиггса».
Выясняя природу бозона Хиггса, Бортолетто и ее коллеги пытаются понять, нарушает ли бозон Хиггса известные законы физики. Возможно, существует много различных частиц Хиггса, которые действуют странным образом. Если они есть или если бозон Хиггса распадается или взаимодействует неожиданным образом, мы обнаружим недочет, или пробел в знаниях, лежащий в основе Стандартной модели.
Физики больше не задаются вопросом, существует ли темная материя (мы думаем, что существует), – вопрос в том, какова ее природа. В то время как прогресс требует как теории, так и эксперимента, темная материя представляет собой уникальную экспериментальную проблему. Нет недостатка в теориях, которые могут описать темную материю, но единственное, что мы знаем о ней наверняка, так это то, что она ни с чем не взаимодействует. Мы могли бы обнаружить темную материю, рассматривая ее неспособность взаимодействовать как «недостающую энергию» либо на БАКе, либо на будущих коллайдерах. В чем-то это напоминает то, как тайна бета-распада привела нас к нейтрино, но в поисках нейтрино физики руководствовались теорией, которая помогла экспериментаторам найти частицу, а у нас нет теории для темной материи, мы руководствуемся только экспериментальными данными. Поскольку 95 % массы Вселенной все еще не обнаружено, ставки как никогда высоки.
Для исследования этих вопросов требуется «фабрика бозонов Хиггса» – новый коллайдер, который сможет производить тысячи и тысячи бозонов Хиггса, наряду с изобретением нового поколения точнейших детекторов частиц, на чем и сосредоточена Бортолетто. БАК не может дать все ответы относительно истинной природы бозонов Хиггса, поэтому почти все согласны с тем, что фабрика бозонов Хиггса должна быть высокоэнергетическим электрон-позитронным коллайдером с энергией столкновения, максимально близкой к 1 Тэ В. Что еще не согласовано, так это форма машины – линейная или циклическая – и то, на какой технологии она будет основана. Скорее всего, только один электрон-позитронный коллайдер станет именно фабрикой бозонов Хиггса, поэтому мы должны выбрать, на базе какого ускорителя она в итоге появится.
Международный линейный коллайдер (ILC) длиной 30 км готовится к строительству в Японии, если правительства согласятся его поддержать – «предлабораторный» этап был утвержден в 2021 году. Еще один вариант – компактный линейный коллайдер, над созданием которого ЦЕРН работает уже 20 лет[287]. Эти два проекта уже работают вместе в рамках сотрудничества Linear Collider Collaboration, которым теперь руководит бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс. В качестве альтернативы следующей большой машиной может быть кольцевой ускоритель диаметром 100 км, рассматриваемый в ЦЕРНе (Будущий кольцевой коллайдер, FCC – Future Circular Collider) и в Китае (Кольцевой электрон-позитронный коллайдер, CEPC–Circular Electron Positron Collider), где в дополнение к высокоэнергетическим электрон-позитронным столкновениям высокоэнергетические лучи ежедневно будут выбрасывать 50 МВт нежелательного синхротронного излучения – как мы видели в главе 7, – когда они будут проноситься по кольцу. Мы должны спроектировать и подготовить эти коллайдеры сейчас, чтобы один из них был готов к завершению работы БАКа примерно в 2036 году.
Директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса профессор Филип Берроуз считает, что линейная версия, и в частности ILC, является наиболее зрелой конструкцией и, скорее всего, приведет нас к фабрике бозонов Хиггса как можно скорее. В отличие от кольцевой конструкции, линейный коллайдер может быть модернизирован в будущем просто за счет увеличения его длины. Это повлияет на энергетический охват коллайдера, если начнут появляться частицы темной материи, суперсимметричные частицы – из теории, которая предсказывает, что все частицы материи имеют более тяжелого «суперсимметричного» партнера, – или другие частицы, выходящие за рамки Стандартной модели. Бортолетто тем временем отмечает, что вариант линейного коллайдера не позволит впоследствии перейти на протон-протонный коллайдер, в то время как инвестиции в кольцевой туннель означают, что его можно использовать повторно, точно так же, как БАК повторно использовал туннель LEP. Окончательное решение будет зависеть не только от физики, но и от политики, бюджета и сотрудничества. Какой бы из коллайдеров ни был построен, Бортолетто и Берроуз (или, возможно, уже их ученики) будут готовы взяться за работу.
В долгосрочной перспективе достижение все более высоких энергий зависит от увеличения размеров ускорителей частиц, несмотря на улучшение технологий сверхпроводящих магнитов и радиочастотной технологии. В то время как некоторые исследователи предлагают проводить эксперименты на Луне или в космосе, прорыв в области физики плазмы может уменьшить размеры ускорителей по крайней мере в тысячу раз. Материалы, из которых мы изготавливаем радиочастотные резонаторы ускорителей – медь и сверхпроводящие материалы, – могут выдерживать только определенную напряженность электрического поля, прежде чем они начнут искрить или разрушаться. Это устанавливает физический предел тому, насколько сильно мы можем толкать частицы, что, в свою очередь, определяет общую длину ускорителя. Команды моих коллег из Оксфорда и Имперского колледжа Лондона, наряду со многими другими по всему миру, пытаются создать новые плазменные ускорители.
Идея состоит в том, чтобы использовать мощный лазер – или даже другой пучок частиц[288] – для генерации плазмы, состояния вещества, в котором атомы уже ионизированы. Плазма может выдерживать огромные электрические поля, по которым могут перемещаться электроны или другие частицы и получать энергию. Подобный ускоритель был уже успешно продемонстрирован в лаборатории, но он еще не совсем готов для проведения экспериментов по физике элементарных частиц. На то, чтобы научиться контролировать и вызывать высокоэнергетический луч, потребуется еще несколько лет.
Хотя для плазменных ускорителей еще рано, они определенно захватывают дух. Я всегда говорю своим студентам, что как только плазменные ускорители будут достаточно усовершенствованы, я с радостью покину этот корабль и возьмусь за их разработку. Я полагаю, что они, скорее всего, будут использоваться в тандеме с нашими более традиционными технологиями, а не в качестве замены, поэтому я уже думаю, как их объединить.
Открытия ни в коем случае не откладываются, пока мы изобретаем будущие коллайдеры. БАК продолжает предоставлять все больше и больше данных. Мы уже знаем, что Стандартная модель по своей сути ошибочна: она не включает в себя гравитацию. А также не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Она не включает в себя темную материю или темную энергию. И не объясняет, почему нейтрино имеют массу. Здесь должно быть что-то большее.
Было бы наивно думать, что ответы на эти вопросы обязательно будут получены от коллайдеров частиц. Другая область физики может предоставить результаты, которые станут следующим прорывом. Меньшие эксперименты, ориентированные на более конкретные проблемы, могут первыми получить ответы на многочисленные вопросы, а их результаты затем будут проанализированы на коллайдерах. Примером могут служить детекторы темной материи. В Австралии первый эксперимент по изучению темной материи в Южном полушарии в настоящее время ведется в Подземной физической лаборатории Ставелла, расположенной в 1 км под землей в бывшем золотом руднике.