Проекты будущих экспериментов в физике высоких энергий
Одним из ключевых направлений развития физики высоких энергий является строительство ускорителей следующего поколения, способных значительно превзойти возможности БАК по энергии и светимости. Наиболее масштабным проектом в этой области является Будущий круговой коллайдер (FCC), планируемый к строительству в CERN. Его диаметр составит порядка 100 км, а энергия в протон-протонном режиме достигнет до 100 ТэВ. Проект предусматривает несколько фаз: сначала электрон-позитронный коллайдер (FCC-ee) для точных измерений свойств бозона Хиггса и слабых бозонов, затем протон-протонный коллайдер (FCC-hh) для прямого поиска новых частиц.
Параллельно разрабатывается Китайский кольцевой коллайдер (CEPC) — аналогичная по архитектуре машина с фокусом на точные измерения Хиггса и последующим переходом к протонному ускорителю SPPC. Эти установки позволят исследовать редкие распады, измерить отклонения от предсказаний Стандартной модели и проверить гипотезы, выходящие за её рамки.
Одной из важнейших задач остаётся прецизионное исследование бозона Хиггса, особенно в реакциях, свободных от фоновых эффектов сильных взаимодействий. Для этого предлагаются International Linear Collider (ILC) в Японии и Compact Linear Collider (CLIC) в CERN. Эти установки обеспечат коллизии электронов и позитронов с энергией от 250 ГэВ до 3 ТэВ, при этом благодаря линейной геометрии минимизируется потеря энергии на синхротронное излучение.
Основные цели включают:
Физика нейтрино остаётся одним из самых динамично развивающихся направлений. Будущие установки направлены на:
Крупнейший проект — DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) — разрабатывается в США. Он включает в себя источник нейтрино в Fermilab и детекторы в Южной Дакоте на расстоянии 1300 км. DUNE будет использовать жидкоксеноновые TPC с массой в десятки килотонн.
В Японии планируется проект Hyper-Kamiokande, преемник Super-Kamiokande, с увеличенной массой и улучшенной оптической системой. Его задачи включают как изучение нейтринных осцилляций, так и мониторинг сверхновых и поиск распада протона.
Современные эксперименты по поиску темной материи сосредоточены в трёх основных направлениях: прямой поиск (взаимодействие с детекторами), косвенные сигналы (аномалии во вторичных частицах) и коллайдерные исследования.
Наиболее чувствительные будущие прямые детекторы:
Помимо WIMP, разрабатываются проекты по поиску аксионов — лёгких частиц, предложенных как решение проблемы сильного CP-нарушения. К ним относятся:
Проекты будущих экспериментов выходят далеко за пределы лабораторий и ускорителей. Высокоэнергетические космические лучи, приходящие из галактик и активных ядер, исследуются в рамках:
Новая область исследований включает поиски магнитных монополей, топологических дефектов (стринг, доменов) и других проявлений новой физики при ультравысоких энергиях.
Отдельную нишу занимают эксперименты, направленные на поиск крайне редких процессов, не предсказанных или подавленных в рамках Стандартной модели. Такие процессы могут включать:
Будущие установки:
Нарушение CP-инвариантности, особенно в секторе лептонов и тяжёлых мезонов, остаётся приоритетной задачей, поскольку это может объяснить барионную асимметрию Вселенной.
Будущее физики высоких энергий не ограничено традиционными ускорителями. Перспективными направлениями являются:
Фотон-фотонные коллайдеры, получаемые путём обратного комптоновского рассеяния лазеров на релятивистских электронах. Такие установки позволят изучать процессы с участием нейтральных бозонов и не требующие ускорения тяжёлых частиц.
Плазменные ускорители, способные достигать градиентов ускорения в тысячи раз выше традиционных: AWAKE (CERN) — первый эксперимент по ускорению электронов с помощью протонного пучка в плазме.
Квантовые сенсоры, основанные на сверхпроводниках, NV-центрах в алмазе и других эффектах, находят применение в детектировании слабых сигналов от аксионов, тёмных фотонов и других гипотетических частиц.
Большинство предложенных будущих экспериментов можно рассматривать как попытку приблизиться к новой, более фундаментальной теории, объединяющей сильное, электрослабое и гравитационное взаимодействия. В этом контексте:
Фундаментальные ограничения по энергии требуют синергии между экспериментами на коллайдерах, астрофизических наблюдениях и высокоточной лабораторной физике. Вопрос о том, что за горизонтом Стандартной модели, остаётся центральным для XXI века.