Современная физика элементарных частиц достигла уровня, на котором подтверждение или опровержение существующих теорий требует предельной точности и всё более высоких энергий. Модель, описывающая фундаментальные взаимодействия — Стандартная модель, — успешно объясняет большинство наблюдаемых явлений. Однако множество фундаментальных вопросов остаются без ответа: природа тёмной материи, иерархия масс, структура нейтринного сектора, гравитация на квантовом уровне и многое другое. Именно в этой связи международное научное сообщество разрабатывает ряд масштабных проектов и экспериментов, направленных на расширение экспериментальной базы знаний.
Большой адронный коллайдер (БАК), функционирующий в ЦЕРН, остаётся крупнейшим инструментом физиков высоких энергий. Однако даже с его мощностью многие ключевые процессы остаются вне досягаемости. В связи с этим разрабатываются проекты нового поколения:
Future Circular Collider (FCC) — кольцевой коллайдер диаметром около 100 км, проектируемый в ЦЕРН. Планируется поэтапная реализация: сначала как электрон-позитронный коллайдер (FCC-ee), а затем как протон-протонный (FCC-hh) с энергиями до 100 ТэВ. Его цели включают высокоточное измерение свойств бозона Хиггса, исследование топ-кварка, а также поиск новых частиц за пределами Стандартной модели.
International Linear Collider (ILC) — линейный электрон-позитронный коллайдер, планируемый в Японии. Его основное преимущество — чистота сигнала по сравнению с адронными коллайдерами. ILC сосредоточится на точном изучении взаимодействий бозона Хиггса и калибровочных бозонов.
Compact Linear Collider (CLIC) — альтернативный проект линейного коллайдера, ориентированный на более высокие энергии (до 3 ТэВ). Предполагается использовать инновационные методы ускорения, включая градиенты ускорения на уровне 100 МэВ/м.
Эти установки позволят исследовать тонкие отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могут указывать на существование новой физики, такой как супергравитация, дополнительные измерения или техницветовая динамика.
Одним из центральных вопросов остаётся природа тёмной материи. Её гравитационные эффекты зафиксированы астрономическими наблюдениями, но состав на микроскопическом уровне остаётся неизвестным. Планируемые эксперименты направлены на различные аспекты этой проблемы:
LUX-ZEPLIN (LZ) и XENONnT — прямые детекторы тёмной материи, основанные на сверхчистом жидком ксеноне. Предназначены для регистрации редких столкновений частиц тёмной материи с ядрами обычной материи.
DARWIN — амбициозный проект следующего поколения, в котором объём рабочего тела (ксенон) составит порядка 40 тонн. Чувствительность позволит покрыть значительную часть параметрического пространства слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMPs).
FASER, MATHUSLA, CODEX-b — эксперименты, предлагаемые для установки на периферии БАК. Они ориентированы на поиск длинноживущих частиц (LLPs), которые могли бы быть связаны с тёмной материей, стерильными нейтрино или расширениями Higgs-сектора.
Нейтрино остаются одними из самых загадочных частиц: они слабо взаимодействуют, имеют массу (противореча ранним предсказаниям Стандартной модели), и могут демонстрировать поведение, связанное с нарушением симметрий. На горизонте — ряд экспериментов, способных пролить свет на эти вопросы:
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) — международный проект с базовой станцией в Иллинойсе (Fermilab) и детектором на глубине 1300 км в Южной Дакоте. Позволит изучать CP-нарушение в лептонном секторе, порядок масс нейтрино и возможность распада протона.
Hyper-Kamiokande в Японии — улучшенная версия знаменитого Super-Kamiokande. Детектор объёмом 0.26 млн тонн воды с высоким разрешением и чувствительностью. Основные задачи: солнечные нейтрино, атмосферные нейтрино, ускорительные нейтрино и поиск распада протона.
JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) в Китае — жидкосцинцилляционный детектор для определения иерархии масс нейтрино. Ожидается чрезвычайно высокая энергетическая точность.
Аномалия магнитного момента мюона (g-2) остаётся одним из наиболее устойчивых указаний на возможную новую физику. Недавние данные Fermilab вызывают напряжённое внимание теоретиков и экспериментаторов.
Muon g-2 (Fermilab) продолжает уточнение значения аномального магнитного момента мюона. Незначительное расхождение с теоретическим предсказанием может указывать на участие неизвестных виртуальных частиц.
COMET и Mu2e — эксперименты, направленные на поиск перехода мюона в электрон без испускания нейтрино (μ → e конверсия). Такие процессы запрещены в Стандартной модели, но возможны в ряде теорий с расширенной симметрией.
MEG II — модернизация детектора, направленного на поиск распада μ → eγ. Цель — достичь чувствительности на уровне 6×10⁻¹⁴, что позволит существенно сузить пространство параметров моделей с нарушением лептонной сохранности.
Развитие представлений о структуре нуклонов требует новых типов установок:
Electron-Ion Collider (EIC) — проект в США, предназначенный для исследования внутренней структуры протона, спиновой динамики и глюонного распределения. Коллайдер с регулируемой поляризацией, нацелен на разрешение так называемой «спиновой загадки протона».
AFTER@LHC — предложение использовать существующие пучки LHC для фиксированных целей, что позволит изучать процессы при меньших энергиях, но с высокой точностью и статистикой.
Квантовая хромодинамика (КХД) остаётся фундаментальной теорией сильного взаимодействия, однако её нелинейный характер требует специализированных условий для тестирования.
PANDA (FAIR, Германия) — эксперимент, направленный на изучение адронной спектроскопии, в том числе экзотических состояний, таких как тетракварки, пентакварки и глюболлы.
NICA (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна) — проект по столкновениям тяжёлых ионов для изучения фазового диаграммы КХД, включая переход от адронной материи к кварк-глюонной плазме при умеренных температурах и плотностях.
ALICE Upgrade — модификации в коллаборации ALICE на БАК, направленные на изучение свойств кварк-глюонной плазмы с высокой точностью в новых энергетических режимах.
Многие планируемые эксперименты сопровождаются революцией в методах регистрации и обработки данных:
Планируемые эксперименты выходят за рамки традиционной физики частиц, смыкаясь с задачами астрофизики:
Такое пересечение дисциплин создаёт основу для новой физики на стыке микромира и макрокосмоса.