Физики обсуждают варианты «хиггсовской фабрики»

Опубликовано Фев 21, 2013 в Новости, Хиггсовский бозон

Хиггсовский бозон открыл перед физиками новую грань нашего мира, и теперь им предстоит изучить ее во всех подробностях. Для этого предполагается создать «хиггсовскую фабрику» — ускоритель, оптимизированный именно для этой задачи. Научное сообщество приступило к обсуждению различных схем такой установки.

Физика хиггсовского бозона как экспериментальная наука

Хиггсовский бозон — это больше, чем просто новая частица. Это, скорее, новый полноценный инструмент для изучения современных теорий элементарных частиц, появившийся в арсенале физиков. Дело в том, что свойства хиггсовского бозона — как он рождается, как взаимодействует с другими частицами и на что распадается — зависят от того, из какой именно теории он возник. Поэтому всестороннее изучение хиггсовского бозона — это один из самых надежных способов проверить эти теории и найти наконец-то Новую физику.

За последние десятилетия подобные слова регулярно появлялись в научных публикациях в качестве объяснения, почему теоретическое изучение бозона Хиггса столь важно для всей физики элементарных частиц. Однако сейчас, после того как бозон открыт, в физике частиц наступает эпохаэкспериментальной физики хиггсовского бозона. Всё-таки для опытного исследования открылась новая грань нашего мира, и теперь физикам предстоит тщательно ее изучить.

В этой ситуации совершенно естественными являются «стратегические» вопросы: что именно и как именно изучать, и на каких установках. Конечно, на ближайшие 10–15 лет ситуация ясна. Единственный ускоритель, годящийся для этой цели, — это Большой адронный коллайдер, и поэтому надо будет извлечь из протонных столкновений на нем максимальную информацию о свойствах хиггсовского бозона.

Однако уже сейчас физиков волнует вопрос, что делать дальше. Дело в том, что LHC — это машина для открытия, но не для аккуратного изучения бозона Хиггса. Для измерения его параметров с точностью порядка процента и лучше потребуется новый ускоритель, главной особенностью которого станет не рекордная энергия, а рекордная точность и «чистота» эксперимента. В отличие от LHC, этот ускоритель должен быть конструкционно оптимизирован для изучения рождения и распада хиггсовского бозона. В физике частиц такие оптимизированные установки называются «фабриками» частиц. Так что физики и техники, заглядывающие на 2–30 лет вперед, стоят сейчас на распутье: какой должна быть фабрика хиггсовских бозонов? Какому из рассматриваемых сейчас вариантов отдать предпочтение?

Для обсуждения этих вопросов в ноябре 2012 года была созвана научная конференция HF2012. На ней было заслушано несколько десятков докладов, касающихся научных и технических аспектов различных схем «хиггсовской фабрики». На днях в архиве епринтов появился документ, резюмирующий выводы участников конференции; в этой новости кратко обрисованы основные пункты этого документа.

Варианты фабрики хиггсовских бозонов

Несмотря на то что гордый эпитет «хиггсовская фабрика» уже иногда применяют и к Большому адронному коллайдеру, LHC всё же далеко не самая удобная установка для изучения бозона Хиггса. В нем сталкиваются протоны, а протонные столкновения — это мощный, но очень «грязный» инструмент исследования частиц. В типичном столкновении протонов рождается очень много побочных частиц, практически не связанных с «главным» процессом. Эти частицы создают сильный информационный шум (фон) в детекторе, который забивает искомый сигнал. Если учесть то, что хиггсовский бозон рождается и распадается очень редко, а фоновые процессы происходят гораздо чаще, становится понятно, что даже поиск «правильных» событий — дело сложное, не говоря уж о его аккуратном измерении. И именно по этой причине физики не могут использовать самый удобный канал распадабозона Хиггса с массой 126 ГэВ (распад на кварковую b-анти-b-пару) — просто в нем совершенно огромный фон.

Для того чтобы резко «очистить» картину, сталкивать надо не протоны и вообще не адроны. Сейчас рассматриваются три варианта коллайдеров, которые могут претендовать на звание «хиггсовской фабрики»: электрон-позитронные (e+e–), фотонные (γγ), и мюонные (μ+μ–) коллайдеры. Ниже каждый из вариантов рассмотрен подробнее. Читатель, которого не интересуют излишние подробности, может просто взглянуть на сводную таблицу.

Ускоритель	Линейный e+e–	Циклический e+e–	Фотонный	Мюонный
Энергия столкновений	240 ГэВ	240 ГэВ	MH (= 126 ГэВ)	MH (= 126 ГэВ)
Бозонов Хиггса в год	~20 тыс.	~100 тыс.	~10 тыс.	~10 тыс.
Типичные размеры	50 км	20–100 км	5–30 км	< 1 км
Готовность технологий	практически готовы	давно применяются	требуется существенная доработка	требуется очень существенная доработка

Перед тем как приступить к описанию каждого варианта, полезно отметить вот что. На всех этих ускорителях хиггсовские бозоны будут рождаться заметно реже, чем на LHC. Речь тут идет о тысячах или десятках тысяч хиггсовских бозонов в год против миллионов на LHC. Но из-за того, что практически каждое событие рождения и распада бозона Хиггса там будет надежно регистрироваться, их совокупная научная ценность будет выше, чем на Большом адронном коллайдере.

Электрон-позитронный коллайдер как хиггсовская фабрика

Есть две главных разновидности электрон-позитронных коллайдеров: циклический и линейныйускорители. Традиционной схемой является циклический ускоритель. В нем электронные и позитронные пучки долго крутятся в кольце, а в точках пересечения пучков происходят регулярные столкновения (так же, как и на LHC). Циклический ускоритель удобен тем, что можно не торопясь накапливать частицы в кольце и затем долго с ними экспериментировать. Недостатком является то, что с ростом энергии резко увеличиваются энергетические потери электронов при движении по окружности. В результате циклический ускоритель электронов на высоких энергиях работает, по сути, словно огромная «печка»: он потребляет многие мегаватты энергии для разгона электронов, но они тут же тратятся на жесткое электромагнитное излучение, выделяющееся внутри ускорителя и облучающее его стенки.

Линейный ускоритель работает по иному принципу. В нем электронные и позитронные сгустки ускоряются на двух встречных линейных участках, из-за чего коллайдер получается узкий, но длинный. Потери на излучение при таком ускорении ничтожны, поэтому практического ограничения на энергию нет. Более того, поскольку сгустки сталкиваются однократно, их можно сфокусировать намного плотнее, чем на циклическом ускорителе. Однако тут возникает другая проблема — ускорение. Если использовать традиционные ускорительные секции, то для достижения энергии в сотни ГэВ потребуется ускоритель длиной не одну сотню километров, что очень затратно. Поэтому необходимо резко повысить эффективность ускоряющих элементов. Именно отсутствие этой технологии являлось до сих пор главным препятствием для реализации таких ускорителей, однако сейчас цель более или менее достигнута.

Последний крупный электрон-позитронный коллайдер, LEP, был циклическим и располагался в ЦЕРНе, в том же туннеле, где сейчас находится LHC. При длине окружности 27 км и полной энергии столкновений 209 ГэВ он «высаживал» на стенки излучение мощностью 20 МВт.

Хиггсовская фабрика на линейном e+e–-коллайдере

Физическое сообщество уже давно ориентируется на то, что следующим после LHC универсальнымускорителем будет линейный электрон-позитронный коллайдер. Разработка его идет полным ходом уже второе десятилетие, и состояние работ сейчас примерно соответствует работам над LHC в начале 90-х годов. Сейчас имеются две конкурирующие схемы — ILC и CLIC, — рассчитанные на полную энергию столкновений 500 ГэВ (с возможностью дальнейшего повышения энергии). Проект ILC уже находится в стадии подробного технического отчета (technical design report), его публикация ожидается в середине 2013 года) и опережает пока проект CLIC. Однако на днях будет объявлено об объединении работ над этими проектами в рамках единой коллаборации.

Все эти усилия относятся, повторим, к универсальному ускорителю нового поколения. Но раз сейчас известна масса хиггсовского бозона, то возникает желание создать вначале хиггсовскую фабрику на основе этих разработок. Это будет некая упрощенная версия ILC или CLIC, рассчитанная на энергию столкновений 240 ГэВ, что должно обойтись заметно дешевле, чем исходный проект (по расходам как на создание, так и на эксплуатацию). Технология для реализации, особенно в проекте ILC, практически готова; возможно, потребуется еще 1–2 года на оптимизацию источника позитронов, но в принципе к созданию установки можно приступать уже сейчас.

Хиггсовская фабрика на циклическом e+e–-коллайдере

После открытия бозона Хиггса на 126 ГэВ стало ясно, что LEP недотянул по энергии всего 10–15% для массового рождения хиггсовских бозонов. Поэтому практически сразу возникла идея возродить электрон-позитронный ускоритель в том же туннеле (этот проект получил название LEP3). Предлагается поднять полную энергию до 240 ГэВ, что позволит рождать десятки тысяч хиггсовских бозонов в год в канале e+e– → ZH. Энерговыделение электронов, циркулирующих в ускорителе, при этом достигнет 100 МВт, что хоть и находится в пределах разумных значений, но всё же предъявляет новые серьезные требования к аппаратуре. Кроме того, из-за малого времени жизни пучков (заметно меньше часа) придется перейти к особому режиму инжекции пучков, когда новые сгустки электронов добавляются поверх уже циркулирующего пучка прямо в работающий коллайдер. Подробное описание этого проекта можно найти в прошлогоднем докладе рабочей группы. Предварительный проект ускорителя (conceptual design report) должен быть готов к концу 2014 года.

В том же ЦЕРНе есть и другой проект нового циклического электрон-позитронного коллайдера — TLEP, с длиной окружности 80 км. Он подразумевает прокладку нового кольцевого туннеля, проходящего частично под соседствующими с ЦЕРНом горными массивами (рис. 2). Конечно, прокладывание нового туннеля будет стоит значительных денег, однако в дальнейшем это должно удешевить эксплуатацию ускорителя и позволит при необходимости поднять энергию еще в полтора раза, с прицелом на «топ-фабрику», оптимизированную для рождения топ-кварковых пар (именно на это намекает буква «T» в названии проекта).

Проекты новых циклических электрон-позитронных ускорителей на ту же энергию столкновений 240 ГэВ есть и у других стран. Это проект Fermilab site-filler в Национальной лаборатории имени Ферми в США (длина окружности 16 км), проект SuperTRISTAN в Японии (40–80 км) и IHEP Higgs factory в Китае (50–70 км). Под эту задачу могут даже возродить давний проект гигантского ускорителя VLLC (Very Large Lepton Collider) с длиной окружности 233 км.В том же ЦЕРНе есть и другой проект нового циклического электрон-позитронного коллайдера — TLEP, с длиной окружности 80 км. Он подразумевает прокладку нового кольцевого туннеля, проходящего частично под соседствующими с ЦЕРНом горными массивами (рис. 2). Конечно, прокладывание нового туннеля будет стоит значительных денег, однако в дальнейшем это должно удешевить эксплуатацию ускорителя и позволит при необходимости поднять энергию еще в полтора раза, с прицелом на «топ-фабрику», оптимизированную для рождения топ-кварковых пар (именно на это намекает буква «T» в названии проекта).

Стоит подчеркнуть, что все эти варианты — это пока лишь черновые предложения. Но у них есть два важных плюса. Первое — это полная готовность технологий. Эксплуатация циклических электрон-позитронных машин изучена вдоль и поперек, и такой выбор для хиггсовской фабрики позволит сэкономить и время, и деньги. А во-вторых, в дальней перспективе в новом большом туннеле возможна установка протонного ускорителя, наподобие того, как LHC был установлен в кольцо LEP. Предвосхищая развитие ускорительных технологий в ближайшие десятилетия, можно уже говорить об адронном коллайдере с энергией столкновений порядка 100 ТэВ (правда, не раньше, чем лет через 40).

Фотонный коллайдер как хиггсовская фабрика

Фотонный коллайдер — это особая разновидность электрон-позитронного коллайдера, в котором разогнанные до высоких энергий и сфокусированные электронные пучки сталкиваются с мощным лазерным импульсом (рис. 3). Происходит обратное комптоновское рассеяние, и в результате возникает поток высокоэнергетических фотонов, летящих навстречу друг другу и автоматически сфокусированных в месте встречи. Эта схема была придумана новосибирскими физиками в 80-х годах и внимательно изучалась ускорительным сообществом. В результате проект ILC, например, включает фотонный коллайдер как возможную опцию.

Опять же, если говорить не об универсальном коллайдере, а о специализированной хиггсовской фабрике, то у фотонного коллайдера есть свои преимущества по сравнению с электрон-позитронным собратом:Фотонный коллайдер — это особая разновидность электрон-позитронного коллайдера, в котором разогнанные до высоких энергий и сфокусированные электронные пучки сталкиваются с мощным лазерным импульсом (рис. 3). Происходит обратное комптоновское рассеяние, и в результате возникает поток высокоэнергетических фотонов, летящих навстречу друг другу и автоматически сфокусированных в месте встречи. Эта схема была придумана новосибирскими физиками в 80-х годах и внимательно изучалась ускорительным сообществом. В результате проект ILC, например, включает фотонный коллайдер как возможную опцию. Подробнее про технологии и научную программу исследований на фотонных коллайдерах см. в статье Фотонные коллайдеры и исследование фундаментальных взаимодействий.

• Хиггс будет отлично рождаться в столкновении двух фотонов, причем резонансно, а не в паре с мешающимся под ногами Z-бозоном, как это происходит e+e–-столкновениях.
• На фотонном коллайдере можно легко настраивать поляризацию сталкивающихся фотонов, что открывает дополнительные научные возможности.
• Требуемые энергии электронов будут даже меньше, чем для e+e–-коллайдеров: хиггсовскую фабрику на фотонном коллайдере можно организовать при энергии электронов в 80 ГэВ против 120 ГэВ на e+e–-коллайдере, что резко уменьшит потери энергии на излучение.
• Для этой схемы не нужен источник позитронов — ведь оба встречных фотонных пучка можно получить с помощью электронов.
• Фотонный коллайдер можно сделать относительно небольшим, размером в десяток километров против нескольких десятков километров для линейных e+e–-коллайдеров.

Впрочем, и тут есть свои трудности. Прежде всего, фотонный коллайдер предъявляет серьезные требования к лазеру и к оптической системе. Например, в одном из основных вариантов предполагается накачка 10 джоулей лазерного света в оптическом резонаторе размером 100 метров. Нынешние технологические возможности до этого недотягивают: сейчас могут держать лишь миллиджоуль в оптических резонаторах размером метр. Имеются и чисто конструкционные сложности. В окрестности точки соударения надо как-то разместить сразу несколько систем: фокусирующие магниты для начальных электронов, резонатор с мощной стоячей световой волной, систему отвода электронов после конверсии, и — чуть не забыли! — большой детектор элементарных частиц, регистрирующий результаты столкновений фотонов.

Что касается размеров коллайдера, то они во многом определяются размером исходного ускорителя электронов. Если использовать классическую схему ILC, то такой коллайдер растянется в длину на десятки километров. Однако существуют нестандартные и намного более компактные решения, например проект SAPPHiRE с длиной окружности 9 км.

Таким образом, фотонный коллайдер в качестве хиггсовской фабрики выглядит очень заманчиво, но он потребует еще какое-то время для доработки технологий.

Мюонный коллайдер как хиггсовская фабрика

Идея мюонного коллайдера тоже была предложена достаточно давно. Мюонный ускоритель в каком-то смысле совмещает преимущества кольцевых электронных и протонных ускорителей. С одной стороны, столкновения будут такими же чистыми, как и e+e–. С другой стороны, мюоны тяжелые, и потому они излучают очень мало, так что их можно разгонять в циклическом ускорителе до энергий 1 ТэВ и выше.

В случае хиггсовской фабрики на мюонном коллайдере есть дополнительный плюс: хиггсовский бозон будет рождаться резонансно, μ+μ– → H, что очень удобно для его изучения. К тому же, существует очень удобный способ сверхточного измерения энергии именно мюонов. Кроме того, мюоны со скромной энергией 63 ГэВ можно удерживать в кольце размером всего в сотни метров.

Но разумеется, и этот вариант не обходится без технологических трудностей. Прежде всего, мюоны нестабильны, их среднее время жизни в покое составляет всего 2 микросекунды, поэтому их надо получать и разгонять очень быстро. Конечно, с ростом энергии время жизни сильно удлиняется, но первые шаги должны делаться очень оперативно. И тут главная проблема, как оказывается, состоит в достаточно эффективном охлаждении мюонного пучка. Мюоны рождаются с большим разбросом по скоростям, и этот разброс надо уменьшить на несколько порядков перед тем, как впрыскивать мюоны в ускоритель.

Конечно, специалисты давно и усиленно работают над этой задачей, но современные возможности пока что далеки от поставленных целей. Поэтому хиггсовская фабрика в виде мюонного коллайдера тоже требует заметных временных и финансовых вложений в разработку технологий.

Выводы

Прошедшая конференция не ставила перед собой цель сделать выбор в пользу того или иного варианта. Специалисты пока обсуждали лишь научные и технические аспекты проектов. Пока что остается много открытых вопросов, и окончательный выбор, на чем следует сфокусироваться международному сообществу (а это безусловно будет международный проект), последует еще нескоро.

Например, пока еще рано говорить, в какие точно сроки может быть реализован тот или иной проект; это зависит от слишком многих факторов. Для совсем грубых оценок можно считать, что e+e–-варианты могу быть запущены примерно через 20 лет, а остальные варианты — чуть позже. Для ориентировки, LHC должен проработать (с учетом нескольких сеансов модернизации) до 2030 года, после чего возможно его полное обновление с существенным увеличением энергии.

Еще менее ясна финансовая сторона дела. Понятно, что каждый из описанных вариантов станет «гигапроектом» по финансовым затратам (несколько миллиардов долларов). Но какой из них будет оптимальнее, пока сказать трудно. Имеются предварительные соображение, что вариант с линейным e+e–-коллайдером будет самым дорогим, но реалистичной оценки бюджета для всех вариантов пока нет. Подчеркнем, что все эти проекты рассчитывают на то, что требуемые (но пока нереализованные!) технологии появятся в обозримом будущем; однако как сложится их развитие, никто предсказать не может.

Наконец, разные ускорители отличаются не только своими техническими параметрами, но и своей научной отдачей — тем, что именно и с какой точностью на них можно будет измерить. Вот на вопрос, какой из вариантов будет удобнее с этой точки зрения, физики, видимо, смогут ответить в ближайшее время.

Источник: http://elementy.ru/news/431978