Международный коллектив, занимающийся проектом Международного линейного электрон-позитронного коллайдера ILC, представил результат своего многолетнего труда – технический отчет, в котором дано полное описание будущего ускорителя.

Долгожданное открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) бозона Хиггса сразу же  подняло среди специалистов вопрос: а что делать дальше? Какова должна быть дальнейшая стратегия научного исследования в области высоких энергий? В первую очередь, как дальше исследовать сам бозон Хиггса?

Визуализация ускорительного туннеля ILC.

Сверхпроводящий ускорительный резонатор (TESLA).

Линейный ускоритель SLC в Стэнфорде (фото Peter Kaminski).

Дело в том, что бозон Хиггса – не просто еще одна элементарная частица, это объект, на котором сходятся многие ключевые вопросы физики частиц. С одной стороны, его открытие завершает современную теорию элементарных частиц – Стандартную модель. С другой стороны, физики уже давно полагают, что должна быть более общая  теория строения микромира, за пределами Стандартной модели, которую нередко называют «новая физика». Важным инструментом создания «новой физики»  и должно стать всестороннее изучение бозона Хиггса – как он рождается, взаимодействует с другими частицами, распадается, является ли составной частицей?

БАК способен порождать большое количество бозонов Хиггса, но не удобен для их исследования, поскольку в нем производится столкновение протонов, состоящих из кварков и «склеивающих» их глюонов. В результате происходит рождение большого числа новых частиц – адронов. Они представляют сильную помеху, которая мешает обнаружить очень редко рождающийся и распадающийся бозон Хиггса и провести точные измерения. Физики называют это «грязным» экспериментом. Кроме того, в  соударении участвует только часть частиц, составляющих протон, следовательно, большая часть энергии не используется.

Поэтому необходим ускоритель, оптимизированный под получение и точное исследование бозонов Хиггса – «хиггсовская фабрика». Очевидно, что сталкивать в нем надо частицы, не имеющие внутренней структуры, при столкновении которых не рождается много лишних частиц. На эту роль подходит  электрон-позитронный коллайдер (ЭПК). И хотя на нем бозоны Хиггса будут рождаться в 10-100 раз реже, чем на БАК, эксперименты будут «чистыми», что позволит надежно их регистрировать.
До настоящего времени все ЭПК,  кроме SLC в Стэнфорде (США), были циклическими. В циклических ускорителях электронные и позитронные пучки могут долго двигаться по кругу, накапливая частицы и разгоняясь, а затем много раз сталкиваться в местах пересечения пучков. Это позволяет очень эффективно с ними экспериментировать. Однако релятивистские электроны и позитроны, двигающиеся по кривой линии, быстро теряют энергию за счет синхротронного излучения. Эти потери, сравнимые с энергопотреблением средней величины города, надо непрерывно восполнять. Но проблема не только в этом. Излучение приводит к нагреву стенок сверхпроводящих систем, нарушая их работу, и к выделению из них газов в вакуумные камеры ускорителей.

Поэтому физики склоняются к необходимости построения линейного ЭПК. В нем электронные и позитронные пучки ускоряются на двух встречных прямолинейных участках и однократно сталкиваются. При этом потери на излучение невелики, что и позволяет сильно поднять энергию частиц. Недостаток линейного коллайдера в однократном использовании пучка, при котором взаимодействует лишь малая доля частиц.

Главным препятствием на пути построения линейных ускорителей до последнего времени была проблема отсутствия оборудования, способного разогнать частицы до нужной энергии на дистанции приемлемого размера. Использование обычных ускорительных секций требовало установок длиной не одну сотню километров. Разработка в последние десятилетия сверхпроводящего ускорителя позволила решить эту проблему, и основные разгонные участки будущего ЭПК будут иметь длину «всего» 11 км. 

Первоначально проекты линейных ЭПК разрабатывались независимо в нескольких странах. Но из-за их большой стоимости, недоступной одной стране, в 2004 году проекты NLC (США), GLC (Япония) и TESLA (Германия)  были объединены в один, получивший название Международный линейный коллайдер (International Linear Collider, ILC).  В его создании участвуют почти 2000 человек из 300 лабораторий и университетов по всему миру, в том числе  и из России.

Будущий ускоритель представляет собой гигантское сооружение стоимостью 7,8 млрд долларов в ценах 2012 года, длиной почти 31 км и с потребляемой мощностью порядка 230 МВт. Он рассчитан на энергию 500 ГэВ  с возможностью расширения до 1ТэВ (на первом этапе планируется работа на 250 ГэВ). В оптимальном режиме сгустки электронов и  позитронов из 20 миллиардов частиц будут сталкиваться примерно 14 000 раз в секунду. Это даст потенциально 1,3 х 1014 (130 трлн.) электрон-позитронных столкновений в секунду.

Для реализации проекта осталось определиться с местом и финансированием. К настоящему времени из реальных кандидатов осталась только Япония, которая готова разместить у себя коллайдер и покрыть 50% расходов на строительство. По оптимистичным планам строительство может быть начато в 2016 году, а введение ускорителя в эксплуатацию произойдет в 2026 году.  

Возможности ILC уходят далеко за рамки исследования бозона Хиггса. Дополняя БАК, ILC позволит значительно расширить поиски новой физики. Ожидается, что ILC займется исследованием топ кварков, поисками кандидатов на роль частиц темной материи, проверкой теории суперсимметрии и ее связи с темной материей. Есть идеи поиска других измерений и исследований возможности при достаточно высоких энергиях объединения слабых, электромагнитных, сильных и гравитационных сил, в одну единую универсальную силу.