Эксперты: Мюонный коллайдер решит фундаментальные загадки физики
О развитии концепции мюонного коллайдера и ее превращении из «невозможной мечты» в реальный проект рассказывает New Scientist.
В 2022 году физик Това Холмс и ее коллеги приехали на стратегическую встречу Snowmass в футболках с надписью BUILD, продвигая идею новой установки. «Мы хотели найти способ, чтобы люди наглядно показывали, как их вдохновляет идея мюонного коллайдера», – рассказала Холмс.
Сторонники проекта считают, что именно столкновения мюонов способны дать рывок в изучении загадочного бозона Хиггса и фундаментальных законов мироздания, тогда как Большой адронный коллайдер давно не приносит действительно новых открытий.
Мюон тяжелее электрона примерно в 200 раз, но является элементарной частицей, поэтому его столкновения обещают быть одновременно «чистыми» и сверхэнергичными. По расчетам американской Muon Collider Collaboration, такая установка сможет превзойти нынешний энергетический предел 13,6 TeV примерно в четыре раза, оставаясь сопоставимой по размеру с LHC.
Главная трудность в том, что мюоны живут всего 2,2 микросекунды и должны сначала рождаться при столкновении протонов с мишенью, образуя хаотичный «шар» частиц. Прорывом стала демонстрация в 2020 году эксперимента Muon Ionization Cooling Experiment, где применили ионизационное охлаждение: пучок пропускали через материал и затем ускоряли, превращая широкое облако в плотный сгусток. Дополнительное преимущество дает теория относительности Эйнштейна: на энергиях около 10 TeV и выше мюоны движутся почти со скоростью света и с точки зрения наблюдателя живут до одной десятой секунды, что примерно в 45 000 раз дольше обычного.
Параллельно эксперименты вроде Muon g-2 в Fermilab дали ученым практический опыт обращения с большими потоками мюонов.
По данным New Scientist, к 2022 году мюонный коллайдер вошел в число ключевых вариантов для следующего поколения ускорителей, а в Европе создана International Muon Collider Collaboration при поддержке CERN. В США многие исследователи хотели бы разместить будущую установку в Fermilab, тогда как европейцы обсуждают возможность строительства на площадке CERN.
Главная научная цель машины – беспрецедентное изучение бозона Хиггса, чья масса в 125 GeV выглядит подозрительно «тонко настроенной» с точки зрения квантовой теории поля. Физики не исключают наличие нескольких бозонов Хиггса или составной природы частицы, а также нестабильности самого хиггсовского поля и сценария распада вакуума. По словам Холмс, отпечатки этих сценариев можно будет искать в том, как Хиггс взаимодействует с другими частицами и сам с собой на высочайших энергиях, где мюонный коллайдер выигрывает у электрон-позитронных «фабрик Хиггса».
Прежде чем строить полноценную установку, ученым предстоит доказать осуществимость ключевых технологий на демонстраторе.
Как пишет New Scientist, IMCC разрабатывает проект тестового комплекса на базе CERN, а американская Muon Collider Collaboration совместно с коллегами изучает аналогичный вариант для Fermilab. Планируется подготовить детальные технические проекты к 2030 году и, при одобрении правительств, запустить демонстратор в начале 2030-х, а сам мощный коллайдер, по оценке Холмс, сможет появиться к середине века при условии «очень серьезного» финансирования.
Как писала газета ВЗГЛЯД, ученые Института ядерной физики СО РАН в подмосковном Протвино предложили создать новый электрон-позитронный коллайдер «Z-фабрика», который должен превзойти установки ЦЕРН по производительности.
Строительство коллайдера с высокой светимостью в Сарове перенесли на период после 2030 года.
Российские физики из ИЯФ СО РАН и Новосибирского госуниверситета разработали модель движения частиц для будущего электрон-позитронного коллайдера нового поколения «Супер С-тау фабрика».