научная статья по теме БУДУЩИЕ ПРОЕКТЫ ПО ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В АМЕРИКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «БУДУЩИЕ ПРОЕКТЫ ПО ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В АМЕРИКЕ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 630-634

= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

БУДУЩИЕ ПРОЕКТЫ ПО ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В АМЕРИКЕ

© 2015 г. Д. С Денисов*

Национальная ускорительная лаборатория им. Э. Ферми, Батавия, США Поступила в редакцию 19.02.2015 г.

Представлены основные предложения экспериментов для прецизионных измерений параметров стандартной модели и поиска новых частиц, включая темную материю, и будущие ускорительные проекты, рассмотренные Американским физическим обществом летом 2013 г. на следующие 10—20 лет.

DOI: 10.7868/80044002715030034

ВВЕДЕНИЕ

Планирование научных исследований в современной науке имеет большое значение, поскольку большинство проектов требует существенных затрат и срок их осуществления занимает многие годы, иногда десятилетия. В США ученые, работающие в области физики элементарных частиц, каждые 5—10 лет организуют обсуждение будущих проектов, что позволяет выбрать наиболее актуальные направления научных исследований на последующие 10—20 лет. Этот процесс организуется не правительством и финансирующими организациями, а общественной организацией — Американским физическим обществом, что позволяет сосредоточить обсуждение на наиболее актуальных научных направлениях.

Понятие "физика элементарных частиц" включает в себя несколько различные области исследований в разных странах. Например, в США работы по физике тяжелых ионов относятся к ядерной физике, а не к физике элементарных частиц.

Все предложения по будущим проектам и экспериментам, рассмотренные летом 2013 г. (в них принимало участие более 1000 физиков), невозможно описать в короткой статье. Полную информацию можно найти в [1, 2].

В настоящей статье представлен обзор только основных направлений планируемой в США экспериментальной программы. Ссылка, приведенная выше, позволит читателю ознакомиться со всеми проектами.

E-mail: denisovd@fnal.gov

КАК УСТАНАВЛИВАЮТСЯ ПРИОРИТЕТЫ

Процедура выработки решения по приоритетным направлениям исследований в Америке состоит из следующих основных этапов. Все начинается с предложения эксперимента или проекта группой ученых. Все предложения, иногда их сотни, рассматриваются Американским физическим обществом, где ученые задают вопросы по всем деталям предложений — от научных до стоимости и сроков создания. После этого комитет, называемый P5 и состоящий из ^25 ведущих ученых США и других стран, рассматривает все предложения, расставляет приоритеты, исходя из ожидаемого финансирования, и представляет рекомендацию в государственные органы, которые финансируют проекты и эксперименты по физике элементарных частиц. Окончательное решение по финансированию принимается государственными организациями (такими, как Министерство энергетики США) на основании представленных рекомендаций.

Процесс, описанный выше, учитывает научные приоритеты, но в то же время учитывает реальности финансирования.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Для определения наиболее перспективных проектов важно иметь перечень наиболее актуальных научных проблем, стоящих перед физикой частиц. Приведем перечень таких проблем, который был составлен по результатам обсуждений Американским физическим обществом летом 2013 г.

1. Насколько хорошо мы понимаем недавно открытый бозон Хиггса? Какие принципы определяют его константу связи с кварками и лептонами? Сколько всего бозонов Хиггса — один или много?

Рис. 1. Схема сильноточного ускорителя протонов — Project X.

.ale

Рис. 2. Ускоритель ^С, планируемый к созданию в Японии.

Является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей?

2. Какие принципы определяют массы и смешивание кварков и лептонов? Почему смешивание кварков и лептонов различно? Почему фаза СР-нарушения в матрице Кабиббо—Кобаяши— Маскава не равна нулю? Есть ли нарушение СР сохранения в лептонном секторе?

3. Почему нейтрино гораздо легче всех остальных элементарных частиц? Связаны ли малые массы нейтрино с существованием шкалы очень больших масс? Существуют ли новые взаимодействия, которым подвержены только нейтрино?

4. Какой механизм обусловил превышение во Вселенной материи над антиматерией? Почему взаимодействия частиц и античастиц не полностью симметричны?

5. Темная материя составляет основную долю массы Вселенной. Из чего она состоит? Состоит она из одного типа частиц или частиц различных типов? Какой принцип определяет плотность темной материи во Вселенной? Связаны ли частицы темной материи с частицами стандартной модели или они являются частью совершенно нового "темного" сектора?

6. Что из себя представляет темная энергия? Это — статическая энергия на единицу объема вакуума или она динамична и изменяется вместе со Вселенной? Какие принципы определяют величину наблюдаемой темной энергии?

7. Как выглядела Вселенная в свои самые ранние моменты и как она эволюционировала к сегодняшнему состоянию? Модель инфляции Вселенной требует наличия новых полей на ранних этапах развития Вселенной. Каковы источники этих полей

632

ДЕНИСОВ

/

/

m+г

m+

<3$

Collision Hall

m-

Initial

Acceleration

m- v

Compressor H...............„in"' + m-

nlWiii^

V P Target MSg 7}

m^ Collision 4- Hall

m- m+

jr

Recirculating Linear

Linear Accelerator

Fermilab

Рис. 3. Проект мюонного коллайдера с энергией до 10 ТэВ, расположенного на территории Фермилаба.

и как они могут быть обнаружены в современной Вселенной?

Приведенные выше проблемы затрагивают не только физику элементарных частиц, но и вопросы, стоящие перед наукой в целом.

6. Можно ли построить ускоритель, который будет в 10 раз дешевле существующих на 1 ТэВ энергии или на 1 МВт мощности?

Среди проектов ускорителей, активно обсуждавшихся летом 2013 г., были следующие. Project X — сильноточный линейный ускоритель протонов на энергию 1 —8 ГэВ и мощность 1 МВт при энергии 1 ГэВ. Такой ускоритель обеспечит пучками частиц большое количество экспериментов при низких энергиях и сможет служить источником протонов для будущих ускорителей, таких, как мюонный коллайдер. Схема Project X представлена на рис. 1.

Участие в проекте International Linear Collider (ILC) широко поддерживается в Америке. Этот проект планируется в Японии с энергией столкновения электронов и позитронов в 500 ГэВ и светимостью около 1034 см-2 с-1. Такой ускоритель позволит изучать все известные частицы стандартной модели, включая бозон Хиггса и топ-кварк, с уникальной точностью. Схема ускорителя ILC приведена на рис. 2.

Интересный проект, активно разрабатываемый в США, — это коллайдер на основе мюонов. Кольцевой ускоритель мюонов не имеет проблем син-хротронного излучения, характерных для электронных ускорителей такого типа. Основная проблема — это быстрое производство и "охлаждение" (создание пучков с малым фазовым объемом) мюо-нов, поскольку их время жизни в покое составляет всего 2 мкс. Коллайдеры мюонов на энергию до 10 ТэВ считаются реалистичными, и один из предлагаемых вариантов представлен на рис. 3.

БУДУЩИЕ УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ

Многие из перечисленных выше вопросов требуют для ответа создания новых мощных ускорителей элементарных частиц. Такие ускорители могут быть на очень большие энергии или очень большие интенсивности, в зависимости от того, какая задача изучается. Вот перечень наиболее актуальных вопросов для ученых, занимающихся разработкой современных ускорителей.

1. Как построить протон-протонный коллайдер на энергию 100 ТэВ?

2. Как построить лептонный коллайдер на энергию более 1 ТэВ?

3. Как получить протонный пучок низкой энергии с мощностью 100 МВт?

4. Можно ли изготовить мишени для пучков с мощностью много мегаватт? Как долго такие мишени смогут работать?

5. Смогут ли ускорители, основанные на плазме, быть полезными для физики элементарных частиц?

ВЫСОКИЕ ЭНЕРГИИ И ИНТЕНСИВНОСТИ И АСТРОФИЗИКА

Основные предлагаемые проекты (с началом в ближайшие примерно 10 лет) были разбиты на направления: высокие энергии, интенсивные пучки частиц и астрофизика. В области супервысоких энергий рассматривались следующие проекты:

1. LHC со светимостью до 5 х 1034 см-2 с-1. Такой ускоритель позволит изучить бозон Хиггса, произвести прямой поиск частиц с массами до 5 ТэВ, изучить рассеяние векторных бозонов, а также выполнить ряд других интересных исследований.

2. Линейный электрон-позитронный коллайдер с энергией 500 ГэВ. Такой коллайдер позволит определить связи бозона Хиггса со всеми частицами стандартной модели с очень высокой точностью и прецизионно изучить все частицы стандартной модели, включая самую тяжелую частицу — топ-кварк.

3. Мюонный коллайдер на энергию 3—10 ТэВ имеет задачи, аналогичные электрон-позитронному

Рис. 4. Схема эксперимента LBNE по изучению осцилляций нейтрино.

10

10

10

10

10

10

39

41

43

-45

-47

49

'1 I S

■2

SuperCDMS Soudan CDMS-lite

SuperCDMS Soudan Low Threshold ' XENON 10S2 (2013) ' rCDMS-II Ge Low Threshold (2011)

ACKG

a I

DEAP3600

% 93

Л00

«с1

i.0*«1

;G»e4SP

10

10-

10-

1-3

10

10

-9

11

100

101

102

WIMP Mass, GeV/c2

10

103 104

V background: Billard, Strigari, Figueroa-Feliciano (2013)

-13

Рис.5. Обзор результатов по поиску темной материи и возможности будущих экспериментов (затемненные области).

коллайдеру, с возможностью рождать частицы с более высокими массами. Потенциально он менее дорогой.

В области экспериментов, требующих пучки частиц с высокой интенсивностью, наиболее широко обсуждались три эксперимента. Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE) — эксперимент для

изучения осцилляций нейтрино, включая определение иерархии масс нейтрино и наблюдение СР-нарушения в лептонном секторе. Схема такого эксперимента с базой пролета нейтрино 1300 км показана на рис. 4. Эксперимент по поиску нарушения сохранения лептонного числа при распаде мюона на электрон и фотон позволит улучшить ограниче-

634

ДЕНИСОВ

ния на вероятность такого распада на 4 порядка величины или обнаружить его. Такой эксперимент планируется в Фермилабе под названием Ми2е. Измерение с высокой точностью величины g-2 мюона позволит понять, справедливы ли предыдущие указания на отличие экспериментального значения g-2 от предсказа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»