Китайские физики опубликовали подробные данные об устройстве нового суперколлайдера

Группа ученых, работающих над проектом коллайдера CEPC (Circular Electron Positron Collider), официально опубликовала доклад о технических деталях его устройства и планируемых экспериментах – физики подвели итоги подготовительного теоретического этапа, продлившегося около шести лет. Скоро ученые приступят к практическим работам — разработают прототипы ключевых компонентов экспериментальной установки и подготовят инфраструктуру. Об этом сообщил на специальной церемонии, приуроченной к воркшопу CEPC 2018, председатель руководящего комитета CEPC Ван Ифан (Wang Yifang).

В 1964 году английский физик Питер Хиггс предложил механизм нарушения электрослабой симметрии, который исправил ключевые недостатки теории слабых взаимодействий Ферми и позволил разработать перенормируемую теорию электрослабых взаимодействий. Благодаря этому механизму все пространство оказывается заполнено однородным полем Хиггса, фермионы (кварки, электроны и так далее) приобретают массу, а радиус действия слабых сил оказывается конечным. Кроме того, в теории возникают массивные бозоны Хиггса (массой около 125 масс протона), которые представляют собой колебания поля Хиггса около вакуумного значения. Подробнее про механизм Хиггса можно прочитать в материалах «С днем рождения, БАК!» и «Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии».

К сожалению, большая масса бозона Хиггса сильно подавляет вероятность его рождения и мешает получить его в экспериментах с пучками частиц. С другой стороны, чтобы подтвердить существование бозона, измерить его параметры и сравнить с предсказаниями теории, нужно набрать большую статистику. Чем меньше энергия ускорителя — тем ниже вероятность рождения на нем бозона Хиггса, и тем сложнее набрать нужную статистику. Поэтому экспериментально существование бозона Хиггса ученые подтвердили только в июле 2012 года после нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (БАК), который разгоняет протоны до энергии около 14 тераэлектронвольт (в системе центра инерции). К сожалению, даже при таких высоких энергиях скорость набора статистики сравнительно невелика, поэтому в будущем ученые планируют усовершенствовать БАК и построить несколько других коллайдеров, которые позволят более подробно изучить свойства бозона Хиггса.

Проект одного из таких коллайдеров предложило Китайское сообщество физики высоких энергий (Chinese high energy physics community) в сентябре 2012 года — всего через несколько месяцев после открытия бозона. Новый ускоритель, получивший название кругового электрон-позитронного коллайдера (Circular Electron Positron Collider, CEPC), будет разгонять пучки электронов и позитронов до энергий порядка 240 гигаэлектронольт (в системе центра инерции). Каждый из пучков будет разгоняться на линейном ускорителе до энергий порядка 10 гигаэлектронвольт, а затем будет направляться в одно из двух колец, смонтированных в круговом тоннеле длиной около 100 километров. За столкновениями частиц и рождением бозона Хиггса будут наблюдать два больших детектора.

Опубликованный сегодня доклад состоит из двух частей. В первой части подробно описывается устройство ускорительного комплекса — линейного «подготовительного» ускорителя, системы сброса пучка, собственно ускорительной секции, системы охлаждения и управления магнитами и так далее. Кроме того, в ней рассматривается возможность сооружения в туннелях CEPC протон-протонного ускорителя SppC, который продолжит сбор статистики после завершения основной программы. Во второй части доклада обсуждается техника детектирования и эксперименты, которые планируется провести на коллайдере. По оценкам ученых, в течение десяти лет на CEPC родится более миллиона бозонов Хиггса, сто миллионов W-бозонов и триллион Z-бозонов. Кроме того, в результате распада этих частиц образуются миллиарды тау-лептонов, b- и c-кварков.

В марте 2015 и апреле 2017 года китайские физики уже публиковали предварительные варианты доклада (так называемые «белый» и «желтый» доклады). Предложенные в них решения ученые обсуждали с другими специалистами, а потом корректировали и дополняли свою работу. Вариант, представленный сегодня, является окончательным. Теперь исследователи планируют сосредоточиться на прикладных разработках проекта.

В марте этого года Владимир Путин объявил, что в России планируется построить несколько современных исследовательских установок, востребованных среди зарубежных ученых, — в частности, синхротрон ИССИ-4 в Курчатовском институте и коллайдер тяжелых ионов NICA в ОИЯИ (Дубна). В настоящее время уже проводятся эксперименты по программе коллайдера, хотя сам коллайдер и даже здание для него пока еще не построены. Подробнее о российских установках можно прочитать в материале «Больше синхротронов».

В мае 2017 года в CERN состоялось официальное открытие линейного ускорителя Linac 4, который в будущем должен войти в состав Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC). Ожидается, что «усовершенствованный» ускоритель будет набирать статистику столкновений протон-протонных пучков в десять раз быстрее, чем текущая версия БАК. Работы по созданию коллайдера начались в июне 2018 года и продлятся до 2026 года.