Самые перспективные эксперименты современной физики
Чтобы лучше понять нашу Вселенную и определить роль человека в ней, ученые создают всё более амбициозные инструменты и проводят масштабные эксперименты. Наука давно перешла рубеж, за которым не хватает усилий гениев-одиночек, проводящих опыты в своих частных лабораториях. Сейчас большая наука требует дорогостоящих исследований, годами поддерживаемых научными группами из многих стран.
Чем масштабнее эксперименты, тем более впечатляющие открытия нас ждут. Как определить масштаб? Для этого достаточно знать сумму затрат на строительство, количество персонала и физические размеры самого проекта. Не будем забывать и про научную полезность проекта с точки зрения обычного человека.
БАК
Самый мощный ускоритель на Земле завершил первый цикл своей работы в феврале 2013 года, после того, как решил свою главную задачу — нашел бозон Хиггса. Ученые обнаружили последний недостающий фрагмент взаимодействий всех известных частиц и сил в рамках Стандартной модели.
Вместе с тем, физики испытали разочарование. Многие надеялись, что частица Хиггса окажется не такой, как ее предсказывала теория, либо предположения о существовании бозона вообще оказались бы ошибочны. По крайней мере, ученые надеялись, что свойства бозона Хиггса будут отличаться от тех, которые были предсказаны в рамках Стандартной модели, чтобы ученые перешли к созданию Новой физики.
Отклонения от Стандартной модели (теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц) помогли бы найти другие интересные частицы, доказать существование суперсимметричных частиц — частиц-партнеров для всей Вселенной. К примеру, для фотона — фотино, для кварка — скварк, для хиггса — хиггсино, и так далее.
Вместо этого мы стали сомневаться во всех суперсимметричных теориях. Возможно, что сотни физиков по всему миру десятилетиями тратили свои ресурсы на поиски того, чего нет.
В течение следующих нескольких лет экспериментаторы будут собирать новые данные, которые помогут ответить на вопросы о темной материи, темной энергии, свойствах нейтрино, природе бозона Хиггса и, возможно, о том, как будет выглядеть следующая эпоха в физике.
23 мая в Большом адронном коллайдере прошли первые в 2017 году столкновения протонов. Завершена калибровка детекторов и тысяч подсистем. Ожидается, что до конца 2017 года коллайдер удвоит объем статистики столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт.
HL-LHC и ILC
Концепт ILC.
К 2020 году Европейский Центр ядерных исследований (ЦЕРН) планирует модернизировать БАК. «БАК на высокой светимости» (High-Luminosity LHC) — это название проекта грядущей модернизации, благодаря которой светимость устройства повысится в 10 раз. Светимость — способ измерения производительности ускорителя, характеризующий интенсивность столкновения частиц двух встречных пучков. Чем выше светимость, тем больше данных может быть собрано во время эксперимента.
В результате протоны будут сталкиваться на энергиях до 30 ТэВ или даже выше, что приведет к еще большему количеству столкновений и увеличению количества частиц. Однако в этих условиях работа физиков только усложнится — нужно будет выявлять из массы событий только чрезвычайно редкие явления. Появятся и новые версии детекторов — superCMS и superATLAS.
Кроме исследований на БАК планируется расширить научную работу за счет Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC), который будет превосходить сам БАК. Электрон-позитронный коллайдер будет состоять из двух линейных ускорителей длиной 12 км каждый. Общая длина установки оценивается в 31 км. Впоследствии ускоритель может быть дополнен новыми секциями, вследствие чего длина установки возрастёт до 50 км.
ILC сможет создавать огромное количество бозонов Хиггса, что позволяет ученым точно исследовать свойства частицы. Он также мог бы выявить аномальные события, которые позволили бы исследовать экзотические теории вне Стандартной модели.
В качестве альтернативного варианта рассматривается кольцевой электрон-позитронный коллайдер, который мог бы стать настоящей фабрикой по «добыче» бозонов Хиггса. По светимости в области до 200 ГэВ циклические коллайдеры превосходят линейные. Диапазон энергий нового коллайдера от 45 ГэВ до 175 ГэВ, что позволяет детально изучать свойства Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварков. При этом стоимость проекта ниже ILC.
В 2020 году ЦЕРН планирует определиться со строительством «коллайдера будущего», выбрав из двух перспективных вариантов.
Загадочные нейтрино
Детектор The GERmanium Detector Array (GERDA) ищет нейтрино, контролируя электрическую активность внутри чистых кристаллов германия, изолированных глубоко под горой в Италии. Ученые, которые работают с GERDA, надеются обнаружить очень редкий вид радиоактивного распада.
Нейтрино — одна из самых загадочных частиц во Вселенной. Она имеет крошечную массу — Нобелевская премия по физике в 2016 году была вручена за сам факт «открытия нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». Нейтрино почти никак не взаимодействуют с веществом — сквозь поверхность земли площадью в 1 см² каждую секунду проходит около 6 × 1010 нейтрино, испущенных Солнцем.
Физики в настоящее время пытаются выяснить некоторые свойства нейтрино, которые остаются под вопросом. Ученые знают, что Стандартная модель уже нарушена, отчасти потому, что нейтрино имеют массу, в то время как Стандартная модель говорит, что массы у них быть не должно.
Эксперименты в области двойного бета-распада могли бы объяснить, почему вселенная состоит из материи. Стандартная модель предсказывает, что после Большого Взрыва материя и антиматерия должны были быть созданы в равной пропорции. Но поскольку эти две взаимоотрицающие формы материи аннигилируют друг друга, вселенная должна была бы состоять из ничего.
Бета-распад происходит, когда нейтрон (нейтральная частица в атомном ядре) самопроизвольно превращается в протон и электрон, в процессе испуская антинейтрино. Процесс может также иметь несколько иной путь: нейтрон поглощает нейтрино и превращается в протон и электрон. Двойной бета-распад был бы крайне редкой ситуацией, в которой антинейтрино, появившееся в первом случае, поглощается нейтроном во втором.
Такая вещь может произойти только тогда, когда нейтрино и антинейтрино в основном одинаковы: то есть, если нейтрино является своей собственной античастицей. Никто еще не знает, так ли это, но если да, то при ранних распадах нейтрино Вселенная создала бы немного больше частиц материи, чем антиматерии.
NOVA, T2K и DUNE
Детектор NOνA, Фермилаб.
Проект NOνA (NuMI Off-Axis νe Appearance) объединил несколько сотен ученых и инженеров из 40 институтов из восьми стран. От России в этом эксперименте участвуют Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и Объединенный институт ядерных исследований из Дубны.
В проекте используется пучок нейтрино от генератора NuMI (Neutrinos at the Main Injector). Для реализации эксперимента NOvA построили две лаборатории, находящиеся на удалении 800 километров от источника нейтрино. Поток нейтрино, выйдя из недр генератора NuMI, проходит через толщи земных пород и попадает в огромные датчики, которые находятся по обе стороны маршрута движения частиц. Аналогичный эксперимент в Японии под названием T2K отправляет нейтрино через 295 километров земной поверхности.
Один из датчиков нейтрино в проекте NOνA: 14,3 м длина, 4,2 м высота, 2,9 метра ширина. А самый большой весит 14 тысяч тонн: его длина 78 м, высота 15,6 м, ширина 15,6 м — это самое большое сооружение из пластика на Земле.
Однако NOνA — это еще не предел. Сейчас готовится эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) на базе ускорительного комплекса Фермилаб (Национальной лаборатории имени Ферми, здесь же проходит NOνA) и уже существующего нейтринного детектора LBNE (Long-Baseline Neutrino Facility). Планируется, что генератор частиц NuMI и новый датчик, вмещающий в себя 40 000 литров жидкого аргона, будут расположены на расстоянии 1300 км друг от друга.
Эти исследования помогут проверить гипотезу о том, что материи во Вселенной больше, чем антиматерии. Помимо изучения нейтрино эксперимент ставит перед собой задачу поиска распада протона в нескольких важных режимах распада. Даже если данные исследований не совпадут с ожиданиями ученых, они принесут пользу, так как позволят исключить множество предлагаемых сейчас гипотез.
Daya Bay
Daya Bay — это эксперимент по изучению осцилляций нейтрино (эффекта, обусловленного изменением типа (или флейвора) нейтрино по мере их движения от источника до детектора), проводящийся в Китае. Установка, расположенная в трех подземных залах, состоит из восьми антинейтринных жидкосцинтилляционных детекторов, каждый из которых содержит 20 тонн жидкого сцинтиллятора. Источником антинейтрино являются шесть атомных реакторов (тепловая мощность каждого около 3 ГВт), располагающихся на расстояниях от ~500 до ~1800 метров от детекторов. Ученые из Daya Bay пытаются выяснить два ключевых параметра нейтринной физики — «угол смешивания нейтрино» и «разность квадратов нейтринных масс».
Обнаружение темной материи
Что такое темная материя? Никто пока не знает. Во Вселенной много темной материи — вещества, которое мы не регистрируем напрямую ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, но которое «собирается» в галактиках и их скоплениях. Эта материя должна состоять из частиц нового сорта, которым нет места в Стандартной модели.
Есть много экспериментов, в которых ищут прямые доказательства существования темной материи. Трудность состоит в том, что все они указывают на разные вещи.
Детектор LUX.
Очень чувствительный детектор, названный LUX (Large Underground Xenon), должен был помочь устранить путаницу, но в результате добавил еще больше тайн. LUX расположен в заброшенной золоторудной шахте в штате Южная Дакота. Установка была запущена в середине 2013 года, и с тех пор не обнаружила частиц темной материи.
На смену LUX уже готовится следующий сверхчувствительный детектор LZ. Одновременно коллаборация DARWIN готовит 25-тонный ксеноновый детектор — для сравнения, в LUX всего 370 кг ксенона.
Проблема в том, что у ученых нет консенсуса в отношении того, как искать темную материю. Есть разные проекты, и никто не может предсказать, какой из них даст положительный эффект. А ведь каждый проект съедает огромное количество ресурсов научного сообщества.
Наблюдение за темной энергией
Согласно данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 68,3% из темной энергии (26,8% занимает темная материя, а всё остальное — что-то еще). При этом физики до сих пор не знают, что такое темная энергия, как она вызывает расширение Вселенной (и вызывает ли). Темная энергия — это просто условный термин для того, что кажется очень большой космической загадкой. Но ученые не оставляют попыток «пролить свет» на эту тайну.
Проект Dark Energy Survey (DES) до 2019 года будет изучать ночное небо. Главный инструмент DES — 570-мегапиксельная камера (одна из самых мощных в мире), интегрированная в корпус четырехметрового телескопа Victor M. Blanco, расположенного в чилийских Андах. Оптическая система камеры состоит из пяти линз строго определенной формы. Диаметр самой крупной из них составляет 90 сантиметров.
DES способна запечатлеть свет, исходящий от сотен тысяч звезд, удалённых на 8 миллиардов световых лет от Земли. Саму энергию увидеть нельзя, однако, если составить полную карту распределения темной материи, ученые смогут измерить, с какой скоростью происходит относительное смещение этих масс темной материи. Эти данные помогут лучше понять энергию, ответственную за расширение Вселенной.
Конечно, сама темная материя тоже невидима, но ее присутствие можно обнаружить по гравитационным искажениям света дальних астрономических объектов. Астрофизики ищут на получаемых с DES цифровых изображениях вполне определенный тип искажений — так называемые гравитационные линзы.
Сравнивая степень сближения известных нам масс темной материи в различные этапы развития Вселенной на основе анализа изображений астрономических объектов, удаленных от нас на различные расстояния, космологи смогут оценить скорость и динамику расширения. А это, в свою очередь, может дать ответ о природе темной энергии, либо докажет полную несостоятельность теории.
Обсерватория NEPTUNE
Этот эксперимент касается другого космоса, который находится у наших ног. Океаны покрывают почти три четверти поверхности Земли и содержат 90% всей жизни, но они слабо изучены. Океаническая обсерватория NEPTUNE (the North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment — Северо-восточная тихоокеанская подводная экспериментальная сеть без временных перебоев) состоит из сотен километров кабелей и 130 приборов с 400 датчиками, и осуществляет первый крупномасштабный круглосуточный мониторинг океанской системы.
Датчики «Нептуна» собирают химические и физические анализы, чтобы определить, как океанографические данные изменяются с течением времени. Гидрофоны, расположенные на морском дне, записывают дельфинов и китов для отслеживания их численности и маршрутов миграции. Есть системы, распознающие цунами для сейсмических исследований, и датчики, измеряющие количества парниковых газов в экосистеме океана. Дистанционно управляемый робот ездит по морскому дну, чтобы контролировать подводные отложения метана.
NIF и ITER
National Ignition Facility (NIF, Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) — научный комплекс для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ICF) с помощью лазеров. На возведение ушло 12 лет и примерно 4 млрд долларов. Комплекс состоит из 192 мощных лазеров, импульсы от которых, после многокаскадного усиления, одновременно направляются на миллиметровую мишень с термоядерным топливом. Мощность лазерной установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз — в результате давление внутри будет как в ядре газового гиганта.
Когда 192 отдельных луча сходятся на мишени, содержащей атомы дейтерия (водород с одним нейтроном) и тритием (водород с двумя нейтронами), ядра атомов сливаются и создают всплеск энергии. В 2013 году на установке была зажжена термоядерная реакция, в ходе которой впервые в мире энергия, выделенная в ходе реакции, превысила энергию, поглощенную мишенью.
Гигантская строительная площадка комплекса ITER площадью в 180 га.
Проект, который затмит NIF — это ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), крупнейший в мире термоядерный реактор массой 23 000 тонн, который должен доказать коммерческую выгоду использования термоядерной энергии. Фактически ITER строят уже десять лет, а концептуальная проработка термоядерного реактора была завершена еще в 1989 году.
Работают над реактором всем миром — Россия, Индия, Япония, Китай, Южная Корея и США, а также весь Евросоюз. Что не удивительно с учетом бюджета — 19 миллиардов евро. Это один из самых дорогостоящих экспериментов в истории человечества (для сравнения, БАК стоил «всего» 4,4 млрд долларов).
Проект, в котором дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более ста миллионов градусов Цельсия, будет запущен не раньше 2025 года. Если все пройдет успешно, человечество получит самую перспективную альтернативу нефти и газу.
