ILC-1: зачем миру линейный коллайдер?

Что такое ILC и зачем он нужен, если уже создан и работает LHC?
Новый ускоритель заряженных частиц, о котором мы хотим рассказать в этих онлайн-лекциях, — Международный линейный коллайдер (ILC – International Linear Collider) — разрабатывается разветвленной международной проектной группой (Global Design Effort – GDE), включающей в себя более тысячи научных сотрудников, профессоров, студентов и инженеров.

В первой лекции мы расскажем о том, как работает Международный линейный коллайдер ILC и для чего он нужен. Во второй лекции пойдет речь о том, как работают детекторы ILC, чего ожидает от ILC теоретическая физика, а также обсудим роль ILC в продвижении вперед технологий и смежных областей науки. В заключительной лекции мы расскажем о том, как организована международная проектная группа ILC, какие варианты расположения ILC рассматриваются и когда ожидается решение о его размещении, а также представим вариант расположения вблизи Дубны, разработанный Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ), обсудив также проект НИКА, который может стать шагом к крупнейшему международному проекту.

Читатель, безусловно, знает, что в Европейской организации по ядерным исследованиям CERN в Женеве недавно заработал Большой адронный коллайдер – БАК (LHC – Large Hadron Collider), с которым ученые всего мира связывают надежды на открытие так называемого бозона Хиггса, ответственного за возникновение масс элементарных частиц. Ожидается, что в результате исследований на LHC удастся понять тайны «темной материи», продвинуться в решении проблемы отсутствия антиматерии во Вселенной. Вполне возможно, что на LHC будут открыты принципиально новые частицы и ранее неизвестные взаимодействия. В частности, широко обсуждаются перспективы открытия новой внутренней структуры существующих элементарных частиц, обнаружения скрытых дополнительных размерностей пространства-времени и/или открытие новой симметрии между частицами с разными спинами (то есть моментами импульса частиц), называемой суперсимметрией.

В то время как открытие новых частиц, в частности, открытие бозона или бозонов Хиггса, на LHC возможно, детальное исследование свойств этих частиц будет затруднено.

Коллайдер LHC сталкивает протоны, состоящие из кварков, «склеенных» глюонами, что порождает основные проблемы при анализе экспериментальных данных. Любой продукт столкновения, в принципе, рождается при соударении различных комбинаций частиц, кварков и глюонов, составляющих протон (как показано на иллюстрации). Поскольку энергия сталкивающегося протона распределена между его составляющими, то в случае LHC на рождение новых частиц может приходиться только часть энергии протонов. Поэтому для рождения одних и тех же частиц энергия пучков на LHC должна быть примерно на порядок больше, чем на ILC. Здесь на помощь приходит ILC, который сможет обеспечить детальное изучение новых открытых частиц, позволит с высокой точностью измерить их характеристики и определить квантовые числа, а также, возможно, позволит обнаружить другие новые частицы, не замеченные LHC.

Это обусловлено тем, что коллайдер ILC будет сталкивать электроны с позитронами, которые, в соответствии с настоящими представлениями физики, являются частицами с бесконечно малым размером, не имеющими внутренней структуры. Поэтому начальное состояние частиц перед столкновением очень точно известно. Таким образом, ILC является необходимым дополнительным инструментом по отношению к LHC.

Есть и другие проблемные моменты. Во многих случаях ожидаемые новые частицы, как и уже известные частицы, подобные W- и Z-бозонам или топ-кварку, являются очень короткоживущими. В детекторах регистрируются не сами эти частицы, а достаточно долгоживущие продукты их распадов, например, электроны, позитроны, мюоны, протоны, пи-мезоны и другие барионы. Барионы часто разлетаются под очень малыми друг к другу углами, образуя так называемые струи (jets). Основная проблема состоит в том, что такие же совокупности регистрируемых конечных частиц, называемых сигнатурами событий, получаются не только от желаемого сигнала, связанного с рождением и последующими распадами новых частиц, но и от большого числа фоновых процессов, содержащих только уже известные частицы. Причем на LHC вероятности сигнальных процессов с образованием новых частиц обычно на несколько порядков меньше вероятностей фоновых процессов.

Как правило, вероятности рождения новых частиц на LHC больше, чем на ILC, но отношение сигнала к фону существенно хуже.

Такие сложные фоновые условия не дают возможности столь же точных измерений на LHC, какие, в принципе, достижимы на ILC. Например, рассмотрим рождение Z-бозона на LHC с последующим распадом на пару положительно и отрицательно заряженных мюонов. Этот процесс называется процессом Дрелла-Яна и показан на иллюстрации ниже. При этом, Z-бозон проявляется как пик в распределении по инвариантной массе родившихся мюонов (инвариантная масса двух частиц равна сумме энергий этих двух частиц в системе покоя их центра масс). Но этот пик надо выделить из многочисленных фоновых процессов, когда пара мюонов может рождаться фотонами, либо возникать в распадах различных образовавшихся c- или b-мезонов и т. д. Такие процессы могут быть и на ILC, но их как абсолютная, так и относительная вероятность по отношению к сигналу (в нашем примере это рождение Z-бозона) существенно меньше.

История развития физики элементарных частиц показала, что открытия, сделанные на протон-протонных или протон-антипротонных коллайдерах, необходимо дополнять тщательными исследованиями на электрон-позитронных машинах. Как известно, переносчики электрослабых взаимодействий W- и Z-бозоны были открыты в 1983 году в ЦЕРНе на протон-антипронном коллайдере SPS (Super Proton Synchrotron) с сумарной энергией столкновений 630 ГэВ. Были измерены массы и спины этих векторных бозонов, что и позволило заявить об открытии. Всего год спустя это выдающееся открытие было отмечено присуждением Нобелевской премии. Однако, детальное исследование свойств W- и Z-бозонов стало возможным с запуском электрон-позитронных коллайдеров SLС (SLAC Linear Collider) и LEP (Large Electron-Positron), сначала с энергией около 90 ГэВ (LEP-I ), что соответствует массе Z-бозона, и позволило рождать Z-бозон с максимально возможной вероятностью, как говорят, в резонансе, и затем с энергией в области 160-210 ГэВ (LEP-II), что позволило изучить парное рождение W- и Z-бозонов. В результате проведенных исследований на SLС, LEP-I и LEP-II удалось получить уникальные по точности результаты о массах, так называемых ширинах распадов (которые обратно пропорциональны времени жизни частиц), константах и структуре взаимодействий обнаруженных ранее на SPS бозонов.

Тем самым была подтверждена правильность Стандарной Модели (СМ) — современной основы понимания устройства микромира.

Точность согласования экспериментальных данных и предсказаний СМ с учетом квантовых поправок во многих случаях достигла уровня 0.1-1%.

Ситуация с открытием новых частиц на LHC может быть весьма схожей. Представим себе, что после выделения из фонов в распределении по инвариантной массе двух фотонов обнаруживается статистически достоверный пик на массе, скажем, 120 ГэВ. Анализ угловых распределений и некоторых других характеристик показывает, что обнаруженный новый резонанс является скаляром, то есть имеет спин ноль и положительную четность (пространственная четность — это значение знака волновой функции частицы, плюс или минус, при зеркальном отражении координат). Таким образом, найден прекрасный кандидат в бозоны Хиггса. Но при этом возникают вопросы: а действительно ли это бозон Хиггса, предсказываемый Стандартной Моделью, или же это один из бозонов суперсимметричного расширения СМ. А может быть это какая-то новая составная скалярная частица, существование которой предсказывается в ряде современных моделей за рамками СМ? Чтобы ответить на эти вопросы, потребуется очень детальный анализ свойств новой частицы, измерение соотношений вероятностей распадов по разным каналам, поиск ее рождения в различных возможных модах. И вот здесь окончательные ответы на все вопросы о природе частицы, о структуре и свойствах ее взаимодействий можно будет получить с необходимой точностью лишь с помощью экспериментов на ILC.

С технической точки зрения, кроме разницы в типе сталкивающихся частиц (электрон-позитрон или протон-протон) основным отличием ILC от LHC является то, что ILC – это линейный ускоритель. В LHC протоны разгоняются и сталкиваются в 27 километровом кольцевом тоннеле, многократно, за время их многочасовой жизни в кольце, пролетая как через участки ускорения, так и через участки столкновения.

Коллайдер ILC, именно потому, что он использует относительно легкие электроны, должен быть линейным. Дело в том, что легкие электроны на таких энергия становятся настолько ультра-релятивистскими (то есть их скорость очень близка к скорости света), что при самом малом искривлении их орбиты они излучают и теряют большую часть своей энергии. Поэтому в ILC электроны разгоняются в прямолинейном непрерывном ускорителе и сталкиваются только один раз.