Физики добились значительного прогресса в проектировании будущего кольцевого коллайдера (FCC), планируемого преемника Большого адронного коллайдера (БАК). Этот новый ускоритель, получивший прозвище “дробилка атомов”, превзойдет БАК как по размерам, так и по мощности. Его главной задачей станет исследование фундаментальной физики при гораздо более высоких энергиях, что позволит изучить такие загадки, как темная энергия и темная материя.
Изучение поведения материи в экстремальных условиях
Ускорители частиц — это исследовательские установки, которые разгоняют субатомные частицы, такие как протоны или электроны, до скоростей, близких к скорости света. Затем эти ускоренные частицы направляются на цели или сталкиваются друг с другом. Цель состоит в том, чтобы изучить взаимодействие между этими частицами при высоких энергиях, что позволит ученым лучше понять фундаментальную структуру материи.
Для работы ускорители используют электрические и магнитные поля, чтобы ускорить частицы. Сначала частицы производятся, обычно из таких источников, как атомы или молекулы газа. В случае БАК и FCC ускоряемыми частицами являются протоны. Затем эти частицы вводятся в последовательность ускорителей, обычно называемых кольцом, где они подвергаются последовательному ускорению при каждом проходе.
Сверхпроводящие магниты являются важнейшими компонентами этих ускорителей. Они генерируют интенсивные магнитные поля, необходимые для изменения траектории движения заряженных частиц. Сверхпроводимость позволяет магнитам работать без электрического сопротивления, что сводит к минимуму потери энергии и позволяет достигать более высоких энергий.
Когда частицы достигают достаточно высоких энергий, их направляют на детекторы или заставляют сталкиваться друг с другом. Детекторы регистрируют результаты этих столкновений, предоставляя ценные данные о частицах и процессах, происходящих при экстремальных энергиях.
Будущий монстр физики
БАК и его преемник, FCC, работают по одному и тому же принципу, но FCC будет гораздо мощнее. Его теоретическая мощность в 100 ТэВ по сравнению с 13 ТэВ БАК означает, что частицы будут ускоряться до гораздо более высоких энергий, что позволит исследовать еще неизвестные явления в физике частиц с большей разрешающей способностью.
Хотя революционные открытия БАК, такие как подтверждение бозона Хиггса, помогли укрепить Стандартную модель физики частиц, некоторые выходы за рамки этой модели, такие как темная материя и темная энергия, остаются сложными загадками.
95 % Вселенной ускользает от нас
Напомним, что темная материя — это форма материи, которая не излучает, не поглощает и не испускает свет. Другими словами, она не взаимодействует с электромагнитным излучением, что делает ее невидимой и необнаруживаемой традиционными методами астрономических наблюдений. Однако космологические наблюдения показывают, что темная материя составляет большую часть общей массы Вселенной. О ее существовании можно судить по ее гравитационному воздействию на видимую материю, например, по вращению галактик и образованию крупномасштабных структур.
Темная энергия, с другой стороны, представляет собой гипотетическую форму энергии, которая заполняет пространство и оказывает отрицательное давление, что приводит к ускорению расширения Вселенной. В отличие от темной материи, темная энергия не имеет материальных компонентов. Она ассоциируется с вакуумной энергией самого пространства.
Другими словами, темная материя — это форма невидимой материи, которая влияет на гравитационную динамику, а темная энергия – это форма энергии, которая, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной. И то, и другое составляет значительную часть Вселенной. На темную энергию приходится около 68 % ее энергии и материи, а на темную материю — около 27 %. Это означает, что 95% того, что составляет Вселенную, полностью ускользает от нашего внимания. FCC призван исследовать эти вопросы, предлагая столкновения при гораздо более высоких энергиях.
Отметим, что хотя строительство FCC планируется в два этапа (FCC-ee и FCC-hh), весь проект представляет собой значительные инвестиции.
Стоимость первой очереди FCC-ee оценивается примерно в семнадцать миллиардов долларов. Окончательное решение о строительстве FCC будет принято в 2028 году, после завершения технико-экономического обоснования в 2025 году. Если решение будет принято, строительство FCC должно начаться в середине 2030-х годов, а первый этап эксплуатации запланирован на 2045 год.
