Рабочая группа по изучению перспектив будущего коллайдера FCC выпустила на днях долгожданный технический проект установки. Ключевым стало решение сфокусироваться вначале на электрон-позитронном варианте, FCC-ee, и переходить к адронной разновидности коллайдера, FCC-hh, только в 2050-х годах. Если проект FCC будет реализован в полном объеме, он продлится примерно до 2090 года. Хотя Большому адронному коллайдеру предстоят еще почти два десятилетия исследований, физики уже давно приступили к работе над проектом коллайдера нового поколения. Вариантов рассматривается несколько. Это циклические или линейные электрон-позитронные коллайдеры, которые будут работать как фабрика хиггсовских бозонов и позволят намного аккуратнее измерить все то, что сейчас только нащупывает LHC, и грандиозные проекты 100-километровых адронных коллайдеров с рекордными энергиями столкновений. Все эти проекты — дорогие, реализовать их все одновременно не получится, поэтому научное сообщество взвешивает все за и против перед принятием решения.

Рис. 1. Схематичный общий вид 98-километрового туннеля FCC (слева) и его предлагаемое место размещения (справа). Рисунок из FCC CDR, том 2

Вопрос, какому проекту отдать предпочтение, особенно обострился в 2018 году. Нынешнюю ситуацию в коллайдерной физике частиц многие воспринимают как кризисную, и далеко не всем кажется обоснованным тратить еще десяток-другой миллиардов долларов на новый научный проект без гарантированных громких открытий.

В этой атмосфере сомнений ЦЕРН запустил максимально открытую кампанию по совместному вырабатыванию приоритетов на ближайшие годы (см. подробности в новости Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?). До середины декабря Группа по обновлению европейской стратегии в физике частиц принимала предложения от научного сообщества. Их поступило 157, и многие из них касались будущих коллайдерных проектов.

С одним из них — FCC (Future Circular Collider) — физики связывают в последние годы особенно большие надежды. Это проект гигантского коллайдера в новом, 98-километровом туннеле, который должен пройти под ЦЕРНом, под Женевским озером и даже опоясать ближайшую гору (рис. 1). Он может быть реализован в двух основных разновидностях: FCC-hh (адронный коллайдер на 100 ТэВ) и FCC-ee (электрон-позитронный коллайдер как хиггсовская фабрика). Возможен также вариант FCC-eh, электрон-протонный коллайдер для изучения структуры адронов, но он воспринимается как вспомогательная опция. Каждый вариант сулит много нового физике элементарных частиц, но реализовать их одновременно не получится. Поэтому и тут возникает вопрос приоритетов: что строить в первую очередь. Научное сообщество ожидало рекомендаций от группы по изучению FCC к середине декабря, но процесс несколько затянулся, и новости появились только на днях.

15 января 2019 года рабочая группа по FCC опубликовала четырехтомный проект FCC CDR. Акроним CDR расшифровывается как Conceptual Design Report. Его публикация символизирует для любого крупного эксперимента в современной физике частиц тот момент, когда проект обретает плоть. Первый том содержит сжатое, всего на 150 страниц, описание того, на какие физические результаты будут нацелены все три разновидности проекта FCC. Том 2 — это собственно CDR коллайдера FCC-ee. На трехстах страницах подробно описано, что из себя будет представлять ускоритель электронов и позитронов и его многочисленные подсистемы, как будет выглядеть туннель, какие установки будут работать в качестве предварительных ускорителей, какие предлагаются концепции детекторов, и прочие вопросы. Третий том — это аналогичный проект, но уже для адронной версии коллайдера на 100 ТэВ, FCC-hh. Наконец, последний том — это описание возможной реинкарнации нынешнего коллайдера LHC с двукратным повышением энергии столкновений, HE-LHC. Этот проект адронного коллайдера не столь амбициозен, как FCC-hh, но зато, размещаясь в нынешнем туннеле, он обойдется в гораздо меньшую сумму.

В начале каждого тома приведена краткая выжимка основных утверждений; ее можно порекомендовать для первого знакомства с проектами. Информация для широкой публики собрана в специальном разделе на сайте проекта FCC. За новостями FCC можно также следить и в социальных сетях. А для самих ученых с 4 по 5 марта ЦЕРН организует специальную конференцию, на которой будет подробно рассказано об этом проекте.

Рис. 2. Временные рамки проекта FCC и отдельных его компонентов, отсчитываемые от момента начала реализации. Изображение с сайта fcc-cdr.web.cern.ch

Главной новостью стало решение начать работу с электрон-позитронного варианта FCC-ee, а адронный отложить на потом. Глобальное расписание проекта FCC выглядит сейчас так (рис. 2):

• первые 18 лет — создание коллабораций, прокладка туннеля, разработка и строительство FCC-ee;
• затем 15 лет научной работы FCC-ee и параллельно с ней — работа по разработке новых магнитов для будущего адронного коллайдера;
• демонтаж FCC-ee, строительство и установка FCC-hh;
• 25-летняя программа работы FCC-hh.

Это поистине грандиозный, беспрецедентный для науки масштаб планирования. Если FCC будет реализован в полном объеме, его работа продлится до 2090 года. Разработка и создание FCC, а затем исследование с его помощью микромира займут практически весь XXI век!

Что касается технической стороны вопроса, FCC-ee будет работать в четырех энергетических режимах: на энергии столкновений 91 ГэВ (резонансное производство Z-бозонов), 160 ГэВ (рождение W⁺W⁻-пар), 240 ГэВ (режим хиггсовской фабрики: массовое рождение бозонов Хиггса), и около 360 ГэВ (производство топ-антитоп-пар). Каждый режим займет несколько лет и позволит кардинально, иногда на порядки, улучшить точность измерения многих характеристик этих частиц. Если они отличаются от предсказаний Стандартной модели даже на мизерную величину, отклонения могут быть надежно зарегистрированы, открыв тем самым дорогу к Новой физике.

В адронном режиме работы коллайдер станет исключительно производительной машиной. Энергия столкновений составит 100 ТэВ, что в 7 раз больше энергии LHC. Светимость, которую накопит FCC-hh за 25 лет работы, оценивается в 20 ab⁻¹ = 20 000 fb⁻¹, что тоже почти на порядок превзойдет значение, к которому стремится LHC к концу 2030-х годов. К слову, те научные результаты, которые сейчас выдают ATLAS и CMS, базируются на в 500 раз меньшей статистике.

Стоимость ускорительной части проекта FCC-ee составит примерно 10 млрд швейцарских франков. Половина этой стоимости — это работы по прохождению туннеля, треть — изготовление непосредственно ускорителя, остальное — обслуживающая инфраструктура. Поверх этого будут, разумеется, траты на разработку и создание детекторов, а также расходы на электричество, которые оцениваются примерно в 85 млн евро в год. Если затраты на электроэнергию пересчитать на количество произведенных бозонов Хиггса, получится 260 евро на один бозон.

Стоимость создания и последующей установки адронного коллайдера FCC-hh в уже имеющийся туннель составит 17 млрд франков. Львиную долю этой суммы составят расходы на изготовление самого ускорителя, в особенности, новых дипольных магнитов. Стоимость электричества для работы FCC-hh оценивается в 180 млн евро в год, или 45 центов на один бозон Хиггса.

Многомиллиардные затраты на (пока что) самый грандиозный научный проект века, конечно, впечатляют. Расходы действительно немалые; именно из-за этого адронную версию отложили на потом. Но если оставить в стороне эмоции и взглянуть на финансовый расклад трезво, то нельзя не заметить три вещи.

Во-первых, миллиарды — это типичный масштаб глобальных амбициозных научных проектов. Он создает значительную, но вовсе не запредельную долю расходов на науку в развитых странах. Во-вторых, эти миллиарды распределены на несколько десятилетий. Если пересчитать их на каждого жителя стран-членов ЦЕРНа, траты составят 2,5 евро на человека в год. В-третьих, надо понимать, что деньги, потраченные на грандиозные научные проекты, вовсе не исчезают и не проедаются. Они идут на возникновение и развитие новых технологий, на поддержку высокотехнологичных компаний, на создание многих тысяч рабочих мест, а в конечном итоге — на улучшение тех технологий, которыми мы пользуемся или будем пользоваться в повседневной жизни. Такие проекты становятся центрами интеллектуального притяжения, они зажигают молодежь, через них, путем стажировок или образовательных визитов, проходят десятки тысяч человек в год. Делаются попытки оценить социоэкономический эффект от таких проектов, и он оказывается положительным.

Источник: https://elementy.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!