Коллайдер нового поколения

Когда Большой адронный коллайдер (БАК) будет введен в строй, позволив расширить область исследований субатомных частиц до недостижимых до сих пор энергий, наступит новая эра в истории физики. Но еще до того как появятся первые результаты экспериментов по столкновениям протонов на гигантском накопительном кольце БАК, ученые займутся предварительными работами по проектированию гигантского ускорителя частиц следующего поколения. В настоящее время сообщество физиков заявило о создании Международного линейного коллайдера  (International Linear Collider, ILC). В установке длиной более 30 км будут сталкиваться электроны и позитроны, разогнанные до скоростей, очень близких к скорости света. (Позитрон — античастица по отношению к электрону, с такой же массой, но с противоположным зарядом.)

Гораздо более мощный, чем его предшественники, ILC позволит физикам проверить и уточнить открытия, сделанные на БАК. Протоны содержат три кварка, связанных между собой глюонами (частицами, определяющими сильное ядерное взаимодействие). Поскольку кварки и глюоны внутри протона постоянно взаимодействуют, процесс протон-протонного столкновения оказывается весьма сложным. В силу того, что энергия каждого кварка в момент столкновения точно не известна, определить свойства новых частиц достаточно сложно.

В противоположность протону, являющемуся сложной частицей, электрон и позитрон — фундаментальные (элементарные) частицы, и энергия, выделяемая при их столкновении, в коллайдере определена с высокой точностью. Данное обстоятельство делает ILC чрезвычайно полезным инструментом для точного измерения масс и других характеристик открываемых частиц.

Более 1600 ученых и инженеров из почти 300 лабораторий и университетов со всего мира приступили к конструированию ILC и детекторов, которые будут анализировать процессы столкновений. В феврале 2007 г. конструкторская группа оценила затраты на строительство данной машины в $6.7 млрд (без стоимости детекторов). Был проведен сравнительный анализ затрат при размещении ILC на трех возможных площадках — в Европейской лаборатории физики частиц (ЦЕРН), в Национальной лаборатории ускорителей им. Ферми (Фермилаб) в Батавии, штат Иллинойс, и в горах Японии. Несмотря на то что стоимость ILC может показаться очень высокой, она сравнима с затратами на такие научные программы, как БАК и термоядерный реактор ITER. И если все пойдет в соответствии с планами, то в 2020 г. Международный линейный коллайдер начнет работу, что безусловно расширит наши представления о физике элементарных частиц.

Рождение коллайдера

В августе 2005 г. около 600 физиков со всего мира собрались на горном курорте Сноумасс, штат Колорадо, чтобы приступить к планированию разработки ILC. Однако правильнее начать отсчет с 1989 г.. когда в ЦЕРН был запущен в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron collider, LEP). В нем электроны и позитроны ускорялись в накопительном кольце с длиной окружности 27 км и затем сталкивались, выделяя энергию в 180 млрд электронвольт (ГэВ). Однако уже тогда было ясно, что LEP — последний представитель коллайдеров такого типа, поскольку для ускорения электронов и позитронов до энергий в триллионы электрон-вольт (ТэВ) потребуется кольцо окружностью в несколько сотен километров, и стоимость его будет неоправданно высокой.

Основным препятствием на пути создания более мощных машин с накопительными кольцами является синхротронное излучение: относительно легкие частицы, электроны и позитроны, быстро теряют значительную часть своей энергии при движении по кольцу в магнитном поле. Поскольку потери энергии затрудняют ускорение таких частиц, то затраты на строительство подобного коллайдера будут пропорциональны квадрату энергии столкновения: машина с энергией вдвое большей, чем в LEP, будет стоить вчетверо дороже. (Потери энергии на излучение не столь велики при ускорении тяжелых частиц, таких как протоны; поэтому туннель, где расположено кольцо LEP, теперь используется для БАК).

Экономически более выгодным может стать строительство линейного коллайдера, в котором при движении частиц по прямой синхротронное излучение не возбуждается. ILC будет состоять из двух линейных ускорителей (линаков — linac. LINear Accelerator), каждый длиной 11,3 км, один для электронов, другой — для позитронов. Ускорители направлены навстречу друг другу, а столкновительная камера находится посередине.

Такое решение не лишено недостатков: в каждом импульсе электроны и позитроны должны ускоряться от состояния покоя до энергии столкновения, в то время как в накопительном кольце они набирают энергию на каждом обороте. Для повышения энергии столкновения необходимо построить более длинный ускоритель. При этом стоимость машины становится прямо пропорциональной энергии столкновения, что обеспечивает преимущество линейных коллайдеров перед кольцевыми в диапазоне энергий 10¹² эВ (ТэВ).

В то время, когда в Европе сооружался LEP, в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) шло строительство трехкилометрового линейного ускорителя с энергией частиц до 50 ГэВ. Несмотря на то что SLAC, работавший с 1989 по 1998 гг., не был линейным коллайдером в чистом виде, поскольку в нем использовался только один линейный ускоритель, он стал отправной точкой на пути к созданию ILC.

Разработка линейного коллайдера для терадиапазона (ТэВ-диапазона) началась в конце 1980-х — начале 1990-х гг., когда были предложены несколько конкурирующих технологий. В августе 2004 г. комиссия из 12 независимых экспертов рекомендовала проект группы TESLA, в составе которой были ученые более 40 институтов. Работа группы координировалась Исследовательским центром «Германский электронный синхротрон» (DESY) в Гамбурге. Согласно данному проекту, электроны и позитроны должны пролетать через последовательность вакуумных камер (резонаторов), выполненных из ниобия, который при очень низких температурах становится сверхпроводящим, что обеспечивает эффективную генерацию внутри камер сильного высокочастотного (порядка 1 ГГц) электрического поля. Это осциллирующее поле должно ускорять частицы вплоть до точки соударения.

 Основной элемент этого сверхпроводящего радиочастотного устройства (СПРЧ) — ниобиевый резонатор длиной 1 м, состоящий из девяти ячеек, который можно охладить до двух градусов Кельвина (-271° С). Криомодуль образуют восемь или девять таких резонаторов, состыкованных друг с другом и погруженных в емкость со сверхохлажденным жидким гелием. В ILC в каждом из двух линейных ускорителей будет установлено около 900 криомодулей, т.е. около 16 тыс. резонаторов во всем коллайдере. Исследователи в DESY к настоящему времени сконструировали 10 прототипов криомодулей, пять из которых установлены в DESY в лазере FLASH, где используются электроны высокой энергии. В Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (РЛСЭ, European X-Ray Free-Electron Laser, XFEL), находящемся сейчас в процессе конструирования, также будет использована технология СПРЧ — там будет установлен 101 криомодуль, ускоряющий электроны до 17,5 ГэВ.

Линейные ускорители ILC были бы короче и соответственно дешевле, если бы резонаторы позволяли генерировать электрическое поле большей напряженности. Поэтому конструкторы поставили перед собой дерзкую цель — улучшить параметры системы СПРЧ, чтобы энергия частиц на каждом метре пути увеличивалась на 35 млн. электронвольт (МэВ). Сегодня уже создано несколько прототипов резонаторов, превосходящих данные параметры, однако серийное производство представляет серьезную проблему. Главный фактор, обеспечивающий повышение эффективности, — чистота их внутренней поверхности и отсутствие дефектов, следовательно, для изготовления необходимы стерильные производственные зоны.

 Просто о сложном

Конструкторы ILC уже определили параметры коллайдера. Его длина составит около 31 км: основную часть займут два сверхпроводящих линейных ускорителя, обеспечивающих электрон-позитронные столкновения с энергией 500 ГэВ (при столкновении электрона с энергией 250 Мэв с движущимся ему навстречу позитроном с такой же энергией в системе центра масс высвободится энергия 500 ГэВ). Пять раз в секунду ILC будет генерировать, ускорять и сталкивать почти 3 тыс. электронных и позитронных сгустков в импульсе длительностью 1 мс, что соответствует мощности 10 МВт для каждого пучка. Общая эффективность машины составит около 20%, следовательно, полная мощность, потребляемая ILC для ускорения частиц, составит почти 100 МВт.

Для создания пучка электронов мишень из арсенида галлия будет облучаться лазером: при этом в каждом импульсе из нее будут выбиваться миллиарды электронов, которые, что особенно важно для многих направлений физики частиц, будут поляризованы, т.е. их спины будут направлены в одну сторону. Электроны сразу будут ускорены до 5 ГэВ в коротком линейном СПРЧ-ускорителе, а затем инжектированы в 6,7-километровое накопительное кольцо, расположенное в центре комплекса. Двигаясь в кольце, электроны будут генерировать синхротронное излучение, и сгустки сожмутся, что увеличит плотность заряда и интенсивность пучка.

Когда 200 мс спустя электронные сгустки покинут кольцо, их длина составит около 9 мм. Для оптимизации процесса ускорения и динамики последующих соударений с позитронами длина сгустков будет сжата до 0,3 мм. В процессе сжатия энергия электронов возрастет до 15 ГэВ, затем они будут введены в один из главных 11,3-км СПРЧ-линейных ускорителей, где их энергия возрастет уже до 250 ГэВ.

На середине пути при энергии 150 Мэв электронные сгустки будут слегка отклонены для создания позитронных сгустков. Электроны направятся в специальный магнит, так называемый ондулятор, где некоторая часть их энергии преобразуется в гамма-излучение. Гамма-фотоны фокусируются на тонкую мишень из титанового сплава, вращающуюся со скоростью около 1000 оборотов в минуту, образуя множество электрон-позитронных пар. Позитроны будут захвачены, ускорены до 5 ГэВ. после чего попадут в другое сжимающее кольцо и, наконец, во второй главный линейный СПРЧ-ускоритель на противоположном конце ILC.

Когда энергия электронов и позитронов достигнет конечной величины в 250 ГэВ и они устремятся к точке столкновения, ряд магнитных линз сфокусирует сгустки в плоские ленты шириной около 640 нм (1 нанометр — одна миллиардная метра) и толщиной 6 нм. После столкновения сгустки будут выводиться из области взаимодействия и направляться на так называемую ловушку пучка (beam dump) — мишень, в которой частицы поглощаются, и их энергия рассеивается.

Для создания каждой из подсистем ILC требу­ется решить ряд сложнейших     технологических и  инженерных задач. В сжимающих кольцах коллайдера необходимо достичь    качества    пучка, в несколько раз превышающего то, что достигнуто в существующих накопительных кольцах. Более того, высокое качество пучка должно сохраняться на стадиях сжатия, ускорения и фокусировки. Потребуется сложнейшая система диагностики пучка, процедуры его настройки и точнейшая подгонка всех компонентов конструкции. Наиболее сложной задачей станет создание системы генерирования позитронов и нацеливания нано-метровых пучков в точку столкновения.

Разработка детекторов для анализа продуктов столкновений в ILC — следующая не менее сложная задача. Например, для определения силы взаимодействия бозонов Хиггса с другими частицами потребуется определить импульсы и точки рождения заряженных частиц с разрешением, на порядок превышающим уже достигнутое на установках. Сейчас ученые заняты разработкой новых трековых детекторов и калориметров, которые позволят собрать на ILC богатый урожай для новой физики.

Последующие шаги

Несмотря на то что команда ILC уже выбрала общую конструкцию коллайдера, предстоит большая работа по ее детализации. В течение следующих нескольких лет, когда БАК начнет собирать и анализировать данные по протон-протонным столкновениям, будет продолжаться работа по оптимизации конструкции ILC для достижения лучших характеристик при разумной стоимости. Еще не известно, где будет расположен ILC; решение об этом зависит от финансовой поддержки, которую смогут оказать правительства. Пока рассматриваются возможные площадки в Европе, США и Японии. Геологические и топографические различия, особенности местного законодательства могут определять подход к конструкции коллайдера и оценку его стоимости.

В любом случае, в работах по планированию будут учитываться научные открытия, которые еще предстоит сделать на БАК, что позволит оптимизировать ход исследований на ILC. Параллельно с техническим конструированием будут создаваться модели управления проектом ILC таким образом, чтобы каждая группа физиков, участвующих в проекте, имела право высказывать свою точку зрения. Предполагается, что создание коллайдера нового поколения и исследования на нем будут носить международный характер. 

Авторы: Барри Бэриш

Николас Уокер

Хитоши Ямамото