Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 177

В БАК ускорялись тяжёлые заряженные частицы – протоны. Каждый протон состоит из трёх других фундаментальных частиц – кварков. При обычных условиях три кварка (uud) удерживаются вместе за счёт сильного ядерного взаимодействия и ведут себя как одна элементарная частица с положительным зарядом. При столкновении протонов друг с другом и с ионами металлов на скоростях, близких к световым, кварки высвобождаются и порождают новые частицы.

Подбирая условия экспериментов, предпринимались попытки зарегистрировать появление теоретически предсказанных ранее частиц и измерить их энергию-массу. Так был открыти бозон Хиггса – квант поля с нулевым спином, необходимый для понимания природы массы. Его существование постулировал Питер Хиггс ещё в 1964 году, но подтвердить это предположение удалось лишь спустя сорок восемь лет, используя самый совершенный на сегодня ускоритель элементарных частиц.

Помимо наблюдения за результатами столкновения адронов, для развития Стандартной модели и выхода за её пределы требуется проведение экспериментов с другими фундаментальными частицами – лептонами. Они не участвуют в сильном взаимодействии, и их непосредственное изучение с помощью БАК невозможно.

Согласно последним даннымпроекта WMAP, доля «обычного» (адронного, а точнее — барионного) вещества во Вселенной составляет не более 4,6 процента. Гораздо большая часть представлена чем-то другим, получившим рабочие названия «тёмная материя» (24 процента) и «тёмная энергия» (71,4 процента).

Сейчас мы постепенно приближаемся к пониманию того, что такое «тёмная материя», методом исключения. Последовательно предлагаются различные кандидаты на роль этого загадочного вещества, не взаимодействующего с электромагнитным излучением, но проявляющего выраженные гравитационные эффекты. Сегодня главными кандидатами на роль тёмной материи видятся тяжёлые (стерильные) нейтрино, легкие суперсимметричные и нейтральные псевдоскалярные частицы.

Чтобы подтвердить или опровергнуть каждое такое предположение, требуется разработать методику экспериментальной проверки и реализовать весьма специфические условия для регистрации результата. Именно это и будет происходить в тоннеле ILC.

По аналогии с БАК, строящийся ускоритель можно было бы назвать «Большим лептонным коллайдером», так как в нём будут взаимодействовать лептоны первого поколения: электроны и их античастицы – позитроны. В отличие от протонов, они (по имеющимся данным) не имеют внутреннего состава. То есть результаты их столкновения должны быть менее вариабельными и более однозначными в интерпретации. Одной из ключевых задач ILC на первом этапе будет уточнение результатов, полученных на БАК.

Внутри тоннеля будет поддерживаться температура вблизи абсолютного нуля. В ILC будет установлен фотокатод, испускающий электроны под воздействием импульсов лазера длительностью 2 нс. Расчётным методом установлено, что на первичном этапе электроны будут достигать энергии 5 ГэВ. Их дальнейшее ускорение будет выполняться за счёт сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 1,3 ГГц.

Каждый пучок диаметром в доли миллиметра будет содержать около 20 млрд. электронов и позитронов. Высокая концентрация частиц позволит достигнуть числа столкновений около семи тысяч в секунду. Их полная энергия оценивается величиной порядка 500 ГэВ. В планах развития проекта ILC указывается возможность дальнейшего увеличения этого показателя вдвое.

Для сравнения: самый большой из действующих линейных ускорителей сегодня находится в Стэнфорде и характеризуется довольно скромным показателем в 50 ГэВ.

Предполагается, что для фиксации результатов каждого эксперимента на ILC потребуется массив накопителей большей ёмкости, чем используемый сегодня в CERN. Общая совокупность первичных данных может превысить петабайт уже в первый год использования линейного коллайдера.