Физика высоких энергий на протяжении последних десятилетий достигла значительных успехов в исследовании структуры материи, однако границы познания всё ещё далеки от окончательного понимания фундаментальных взаимодействий. Экспериментальные результаты, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК), подтвердили существование бозона Хиггса, но оставили открытыми вопросы о природе тёмной материи, механизмах нейтринных масс и возможности существования новой физики за пределами Стандартной модели.
Новые ускорительные комплексы проектируются с целью:
ILC задуман как линейный электрон-позитронный коллайдер с энергией столкновений порядка 250–500 ГэВ, с возможностью повышения до 1 ТэВ. В отличие от протонных машин, где доминирует сложная динамика кварков и глюонов, электрон-позитронные столкновения дают “чистую” среду для точных измерений.
Ключевые цели ILC:
Проект предполагает использование технологии сверхпроводящих радиочастотных (RF) резонаторов, позволяющих эффективно разгонять пучки до требуемых энергий.
Китайский проект CEPC и европейский FCC-ee имеют схожую концепцию: это кольцевые электрон-позитронные коллайдеры с периметром порядка 80–100 км. Их основная задача — работа в качестве «фабрик Хиггса», способных генерировать десятки миллионов бозонов Хиггса для статистически значимых исследований.
Особенности:
Продолжение традиции, начатой БАК, связано с созданием протонных машин с энергией соударений порядка 100 ТэВ. Среди ключевых проектов выделяются FCC-hh в Европе и SPPC в Китае.
Главные научные задачи:
Развитие таких ускорителей требует принципиальных технологических новшеств: магнитов с полем свыше 16 тесла на основе сверхпроводников Nb3Sn и усовершенствованных систем криогенного обеспечения.
Альтернативное направление связано с разработкой муонных коллайдеров. Муоны обладают массой, в 200 раз большей массы электрона, что значительно снижает радиационные потери при движении по криволинейной траектории. Это позволяет создавать компактные кольцевые ускорители с энергиями в десятки ТэВ.
Основные преимущества:
Трудности реализации:
В случае успеха муонные коллайдеры могут объединить достоинства как адронных, так и лептонных установок.
Одним из наиболее инновационных направлений остаются плазменные ускорители, использующие высокоинтенсивные лазеры или пучки частиц для возбуждения плазменных волн, на которых происходит ускорение. Теоретически такие установки способны обеспечивать градиенты ускорения на порядок выше традиционных (до сотен ГэВ/м).
Перспективы применения:
На текущем этапе реализованы ускорения до десятков ГэВ, что открывает дорогу к созданию прототипов компактных коллайдеров. Однако остаются нерешёнными проблемы стабильности пучка, качества фазового пространства и повторяемости экспериментов.
Будущие ускорительные проекты требуют десятилетий разработки, колоссальных инвестиций и международного сотрудничества. Европейская стратегия по физике частиц, обновлённая в 2020 году, выделяет приоритетные направления:
В Японии активно обсуждается возможное размещение ILC, в Китае — строительство CEPC/SPPC, а CERN сосредоточен на проектах FCC. Международное сотрудничество является обязательным условием реализации, так как масштаб задач выходит за рамки возможностей отдельных стран.
Каждый из будущих ускорителей решает уникальные задачи: от высокоточных измерений до экстремальных исследований новой физики. Их совместное развитие создаёт последовательную экспериментальную программу на десятилетия вперёд. Это позволит постепенно раскрыть фундаментальные законы микромира и приблизиться к формированию единой теории взаимодействий.