CERN планирует построить коллайдер будущего

Вселенная, истоки её происхождения и все элементарные «кирпичики» материи по-прежнему полны неразрешимых парадоксов. CERN хочет помочь приблизится к разгадке строения пространства и материи. NSF NOIRLab / Keystone

Большой адронный коллайдер в CERN качественно изменил наши представления о происхождении и строении Вселенной. Теперь есть планы построить коллайдер гораздо большего масштаба, и учёные в целом поддерживают этот проект.

Уже более 70 лет расположенный под Женевой на швейцарско-французской границе ЦЕРН (CERN) остаётся главной мировой лабораторией в области физики элементарных частиц. Он опирается на сотрудничество 25 государств-членов ЦЕРН, вклад 10 ассоциированных членов, а также на поддержку наблюдателей, среди которых находятся США и Европейский союз. В основе философии ЦЕРН лежит в целом простая идея: есть научные вопросы, на которые ни одна страна мира не может ответить в одиночку. Из чего состоит Вселенная? Почему материя вообще существует? Что произошло в первое мгновение после Большого взрыва?

В 2012 году учёные, работавшие на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC; БАК), объявили об открытии давно предсказанного бозона Хиггса, частицы, которую иногда называют «частицей Бога», ведь именно связанное с ней «поле Хиггса» придаёт массу элементарным частицам. «Без бозона Хиггса нас бы всех здесь просто не было», — говорит Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), которая в течение последних 10 лет возглавляла ЦЕРН в должности Генерального директора. Но это открытие, дав ответы на старые вопросы, сразу же поставило новые, а Большой адронный коллайдер уже постепенно выходит на пределы возможного..  

Также по теме:

И теперь ЦЕРН планирует, наверное, самый смелый шаг в своей истории, намереваясь построить новый ускоритель, который будет почти в четыре раза крупнее нынешнего БАК. Его тоннель должен будет залегать на глубине около 200 метров под Женевским озером и рекой Роной. Так называемый Будущий кольцевой коллайдер (Future Circular Collider, FCC) должен по плану начать работу в 2040-е годы, и если этот проект реализуется, то FCC станет самой масштабной научной экспериментальной установкой, когда-либо созданной человеком.

Стоимость строительства FCC оценивается примерно в 19 млрд долларов. Осталось только найти эти деньги, что будет весьма непросто с учётом нынешней сложной геополитической ситуации. «Ускоритель FCC чрезвычайно важен для науки, и если кто-то и способен его построить, то только ЦЕРН», — говорит давно сотрудничающая с ЦЕРН Мария Спиропулу (Maria Spiropulu), физик Калифорнийского Технологического института (California Institute of Technology).

Читайте также:

«Читая популярные лекции, я обычно выделяю восемь так называемых больших открытых вопросов в области физики элементарных частиц, и половина из них так или иначе связана с бозоном Хиггса», — говорит британский физик Марк Томсон (Mark Thomson), который в январе 2026 года стал новым Генеральным директором ЦЕРН. В частности, до сих пор не понятно, почему известные фундаментальные частицы вещества имеют разные массы. Не ясно также, является ли сам бозон Хиггса фундаментальной частицей или за ним скрывается более глубокий уровень устройства материи.

Нынешний БАК ответить на такие вопросы с достаточной точностью уже не в состоянии. Существуют и другие не менее занимательные загадки. Бен Килминстер (Ben Kilminster), физик из Цюрихского университета, занимается проблемой так называемой тёмной материи. «Немного неловко об этом даже и говорить, но мы до сих пор не имеем понятия, из чего состоят 80–85% Вселенной», — говорит он. Есть и другой фундаментальный вопрос: почему после Большого взрыва материи оказалось больше, чем антиматерии и как возникла эта странная диспропорция? Если в самом начале должны были возникнуть почти равные количества вещества и его «зеркального» антивещества, то почему одно почти исчезло, а другое осталось, и из него потом возникли звёзды, планеты и мы сами? Бен Килминстер надеется, что новый ускоритель как раз и сможет помочь ответить на некоторые такого рода вопросы.

Машина следующего века

Но сначала FCC должен стать тем, что физики называют «фабрикой Хиггса»: установкой по конвейерному производству большого количества бозонов Хиггса в точно контролируемых условиях. Электроны и позитроны будут двигаться по новому кольцевому ускорителю с окружностью около 90,7 км, что более чем втрое больше окружности нынешнего БАК. «Главная цель FCC — детально изучить бозон Хиггса и с его помощью исследовать те законы устройства Вселенной, которые мы пока не понимаем», — говорит Марк Томсон. На второй стадии, которая потенциально может начать работу в 2070-е годы, в том же тоннеле должен разместиться уже протонный коллайдер. Он сможет сталкивать частицы с энергией примерно в десять раз выше, чем нынешний БАК.

Такой инструмент позволит проверить нынешние теоретические представления на пределе их применимости и, возможно, обнаружить новые, более тяжёлые элементарные частицы. «Можно будет создавать частицы примерно в десять раз массивнее тех, с которыми мы работаем сегодня», — говорит Бен Килминстер. Технико-экономическое обоснование, подготовленное с участием полутора тысяч экспертов и одобренное Советом ЦЕРН, уже подтвердило научную значимость такого проекта. Европейская стратегическая группа (European Strategy Group), которую формирует ЦЕРН и в которую входят ведущие европейские специалисты в области физики элементарных частиц, рассматривает FCC в качестве проекта, способного обеспечить «самую обширную в мире программу высокоточных исследований в сфере физики элементарных частиц, создав выдающуюся основу для новых открытий».

Этап первый: модернизация LHC

Работы над «Будущим кольцевым коллайдером» (Future Circular Collider, FCC) начнутся не сразу. Сначала CERN должен серьёзно модернизировать уже действующий Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC): 30 июня 2026 г. его остановят на четыре года. После модернизации коллайдер станет установкой высокой светимости — High-Luminosity LHC, или HiLumi. Он должен будет обеспечивать примерно в десять раз больше протон-протонных столкновений, чем было заложено в первоначальном проекте LHC.
 
Это позволит физикам гораздо точнее измерять свойства бозона Хиггса, в том числе впервые проверить, как бозоны Хиггса взаимодействуют между собой. В рамках модернизации в ускоритель установят новые магниты из современных сверхпроводящих материалов. Они будут создавать магнитное поле напряжённостью 11,3 тесла вместо нынешних 8,6 тесла.
 
В разработке нового временного детектора для эксперимента CMS участвовала Мария Спиропулу (Maria Spiropulu) из Калифорнийского технологического института (CalTech). Этот прибор способен различать столкновения, разделённые всего 30 пикосекундами. По словам генерального директора CERN Марка Томсона (Mark Thomson), модернизация HiLumi станет для LHC «новой эпохой» и одновременно мостом к следующему поколению ускорителей.

Но какую роль эти открытия сыграют для обычных граждан? Законный вопрос. Учёные поэтому напоминают, что открытия, сделанные в ЦЕРН, приносили в итоге огромную пользу всему человечеству. Именно здесь была изобретена Всемирная паутина (World Wide Web). Ускорители дали толчок развитию установок лучевой терапии, применяемой при лечении онкологических заболеваний.

Источники высокоэнергетического синхротронного излучения, разработанные в ЦЕРН, сегодня стали незаменимыми инструментами в области разработки новых лекарственных препаратов. Ускоритель FCC должен будет нарастить темпы разработки так называемых высокотемпературных сверхпроводников, а это как раз технология, имеющая прямое применение в сфере медицинской визуализации и в области термоядерной энергетики. «В физике элементарных частиц мы всегда пытаемся сделать почти что невозможное. А потом оказывается, что такие разработки нужны людям и в совсем других областях», — резюмирует Марк Томсон.

Читайте по теме:

Как мы используем ИИ

Русскоязычная версия материала создана с использованием систем искусственного интеллекта (таких как Deepl или Google Translate), затем адаптирована для целевой аудитории и прошла тщательную редакционную обработку и проверку журналистами SWI swissinfo.ch. Использование инструментов автоматического перевода дает нам время для написания большего количества оригинальных аналитических статей. Подробнее по ссылке в этом материале.