В Новосибирске строится «младший брат» адронного коллайдера

Адронный коллайдер, на котором был открыт долгожданный бозон Хиггса, исчерпал себя. Он закрыт на два года, а после ремонта заработает с удвоенной энергией.

4 июля прошлого года на весь мир прогремело великое научное открытие – на Большом адроном коллайдере в Европейском Центре Ядерных Исследований в Швейцарии был обнаружен бозон Хиггса. Его ждали почти 50 лет – с того самого момента, как существование этой частицы предсказал физик Питер Хиггс. Правда, людям, далеким от физики до сих пор не очень понятно, что пресловутый бозон дал миру и что с ним теперь делать. А главное – зачем было вкладывать в эти сомнительные для обывателя исследования миллиарды долларов. Но ученые уверяют: мы им еще спасибо скажем за их бдения в лабораториях. И останавливаться на достигнутом они не намерены – так, в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН готовятся к строительству еще одной установки со звучным названием – Супер чарм-тау фабрика. Возможно, именно благодаря этому устройству будут сделаны другие важнейшие фундаментальные открытия будущего…

План подземелья Института ядерной физики СО РАН – именно там физики разгоняют пучки электронов для двух коллайдеров. Впоследствии это станет базой для Чарм-тау фабрики.

Новую физику творят непослушные частицы

Представьте себе, что вы живете в доме и даже не знаете, из чего он сделан, как в нем включается свет, вода, где лежат полезные инструменты. Также дело обстоит и со Вселенной, в которой мы живем – пока мы доподлинно не знаем, каким образом она возникла, как развивалась и что с ней произойдет в будущем, а раз не знаем то не можем и использовать ее потенциал на полную катушку, на благо себя любимых, разумеется…

И ученых не пугает неподвластная воображению бескрайность Вселенной. Поразительно, но чтобы детально изучать космос, приходится также иметь дело с микромиром. Это и есть физика элементарных частиц: микроскопические планеты, которые таят не меньше загадок, чем далекие галактики. Чтобы понять законы этого мира, физики создали Стандартную модель - теорию, проливающую свет на многие явления физики микромира. А одним из основных постулатов этой теории стал механизм Хиггса. Он ответственен за то, почему элементарные частицы имеют именно ту массу, которую имеют. Однако, этот механизм не мог бы работать без особой частицы – она-то и была прозвана бозоном Хиггса. Эти бозоны, наравне с некоторыми другими частицами, существовали еще на заре вселенной. А значит, понимание их свойств – ключ к пониманию того , что творилось во Вселенной еще 10 миллиардов лет назад.

- Так же, как когда то были предсказаны, а затем экспериментально обнаружены протон и электрон, точно так же теперь найден новый бозон. То, что он именно новый, сомнений нет. Мы уже выяснили его массу, что позволяет строить под его детальное изучение новое поколение ускорителей, - объясняет заместитель директора по научной работе Института ядерной физики им. Будкера СО РАН Юрий Тихонов. - Скорее всего, это будет совместный проект нескольких государств, как Большой адронный коллайдер, ведь речь идет о сумме около 10 миллиардов долларов, что достаточно затратно для бюджета отдельно взятой страны. Уверен, что новый бозон будет изучаться еще очень долго. Впрочем, пока мы не обнаружили в его поведении ничего, что противоречило бы законам Стандартной модели физики. И все-таки мы понимаем, что Стандартная модель несмотря на всю свою силу не объясняет всех явлений. В ней нет места гравитации, иногда она противоречит сама себе.

По словам Юрия Анатольевича, изучение отклонений в поведении частиц от Стандартной модели – это и есть новая физика. Элементарные частицы, подобно детям-неслухам, могут выбиваться из норм поведения и строить жизнь по своим правилам. Нашу с вами жизнь. Ведь именно из них мы состоим в самом конечном счете. По словам ученого, на сегодняшний день намек на такое непослушание был зафиксирован всего в одном-единственном эксперименте.

В месте изгиба тоннеля, по которому несутся электроны, можно увидеть вертикальную трубку. А внутри нее – ярчайший свет, опасный для человеческого глаза. Это сияние, испускаемое антивеществом, физики называют «светом другого мира».

- Ученые Брукхэйвенской лаборатории в США экспериментально измерили с высочайшей точностью так называемый аномальный момент мюона – близкого родственника электрона, но тяжелее. Измеренное значение магнитного момента на три целых шесть десятых шесть стандартных ошибки отклонилось от прогноза Стандартной модели. Вероятность , что это отклонение всего лишь погрешность очень мала. Но чтобы быть уверенными, необходимо улучшить точность измерений в несколько раз. Для этих целей планируются новые эксперименты в лабораториях им. Ферми в США и КЕК в Японии, и уже идут эксперименты на новом электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 в нашем институте.

Частицы, которые в своем поведении отклоняются от Стандартной модели, станут для человечества путеводными звездочками , открывающими неизведанное. Но на этом пути еще ждет немало трудностей.

– После открытия бозона Хиггса, знаменитый адронный коллайдер в его нынешнем состоянии практически исчерпал себя, - объясняет Юрий Тихонов. - На сегодняшних его мощностях уже нельзя узнать о частицах что-то принципиально новое. В перспективе – работа с более тяжелыми частицами, а для этого нужны большие энергии. Поэтому сейчас его работа приостановлена на два года. После чего он заработает с удвоенной силой.

Да и вообще, не факт, что только такие гигантские сооружения, как адронный коллайдер, сулят нам новые открытия. Сибирские ученые и мировая научная общественность, к примеру, возлагают надежды на установки, работающие с низкими энергиями взаимодействия частиц, но с высокой эффективностью, которые создадут уникальные условия для изучения элементарных частиц.

Многие детали, работающие на ускорителях, сотрудники Института изготовляют сами. Например – линзы, собирающие и направляющие пучки частиц.

Фабрика очарованных кварков

Речь идет о Супер чарм-тау фабрике, или, выражаясь языком поэтичным – фабрике очарованных кварков, которые будут производиться на свет в результате столкновения электронов с позитронами. Вот уж воистину не чужда физикам и лирика – когда-то они прозвали частицы «странными» и «очарованными» только за то, что они обладают определенным квантовым числом, набором качеств. На сибирской чарм-тау фабрике в условиях низких энергий будут получать очарованные кварки, и множество других частиц состоящих из этих кварков, а также тау-лептоны.

- Не нужно противопоставлять адронный коллайдер и чарм-тау фабрику, - предостерегает ученый. – Это просто разные подходы к изучению свойств материи. Чарм-тау фабрика сулит нам открытия, которые сейчас просто невозможно предвидеть. Прорыв возможен, в частности, в области изучения несохранения комбинированной четности.

Суть этого явления достаточно проста. Дело в том, что частицы, например электроны, имеют зеркальное отражение – античастицы позитроны. Так вот, согласно принципу сохранения комбинированной четности, если поменять электроны и позитроны местами, то ничего, по сути, не должно измениться: поведение частиц и античастиц должно быть одинаковым. Но некоторые частицы не следуют этой логике, а идут своим путем, нарушая эту «зеркальность». И теперь перед физиками появилась еще одна фундаментальная проблема: связаны ли эти открытия с другим интригующим явлением - барионной асимметрией Вселенной?

Мы – остатки Большого взрыва

Согласно теории, когда-то именно эта ассиметрия положила начало всему живому. Дело в том, что еще 10 миллиардов лет назад, в момент Большого взрыва, количество частиц и античастиц во Вселенной должно было быть одинаково. Но когда они начали друг с другом взаимодействовать и аннигилироваться, превращаясь в фотоны, обнаружилась странная ассиметрия – частиц оказалось больше, чем античастиц, буквально на одну миллиардную. И при аннигиляции вещество не исчезло полностью. Благодаря этому, после Большого взрыва Вселенная и не превратилась в кромешную безжизненную пустыню, а породила планеты и звезды. Получается, что само зарождение Вселенной… не укладывается в Стандартную модель физики частиц!

И, наконец, есть еще две «темные лошадки» строения Вселенной – темная материя и темная энергия. По признанию физиков, две этих фундаментальных проблемы еще далеки от своего решения. Понять их природу поможет чарм-тау фабрика.

Продолжение читайте во второй части нашего рассказа о мире элементарных частиц – уже завтра.

В Институте ядерной физики уже работают два электронно-позитронных коллайдера. Возможно, однажды им на смену придет Супер Чарм-тау фабрика.

Фото: Дмитрий БУКЕВИЧ

СПРАВКА "КП"

Большой адронный коллайдер – подземное сооружение площадью 26,6 тысяч квадратных метров на границе Швейцарии и Франции. Ускоритель, сталкивающий протоны (адроны) , то есть – тяжелые частицы. Эту установку, а также детекторы, отслеживающие поведение частиц, для коллайдера создавали новосибирские физики в сотрудничестве с учеными из многих институтов и стран.

Электрон-позитронный коллайдер – ускоритель, сталкивающий электроны и их положительно заряженные «клонов» - позитроны.

Сильное и слабое взаимодействие – способ взаимодействия ядер частиц между собой.

Супер Чарм-тау фабрика – электрон-позитронный коллайдер, в котором производятся «очарованные» кварки и тау-лептоны в условиях слабого взаимодействия.

Новосибирские физики надеются, что Супер Чарм-тау фабрика заработает уже через 7 лет. При условии, что государство вложить в этот проект 17 миллиардов рублей.

ПОДПИШИСЬ НА НОВОСТИ НОВОСИБИРСКА!