ILC: зачем ученым второй Большой Коллайдер?

a) Предвосхищая некоторые возгласы трудящихся о чрезмерных упрощениях в данной статье: если ваши знания позволяют вам понять описанное глубже, вряд ли вам вообще интересна данная статья. Давайте обсудим все ваши вопросы в ЛС.
б) Прошу прощения за большое количество отсылок к зарубежным статьям, перевод всех этих статей займет у меня слишком много времени.

Прошел месяц с того момента, как специальным комитетом окончательно было выбрано место для строительства Международного Линейного Коллайдера (International Linear Collider). ILC будет построен рядом с горным хребтом Kitakami в окрестности одноименного города префектуры Iwate. К слову, данная префектура соседствует с префектурой Miyagi, в которой в 2011 году произошло сильнейшее землетрясение. Однако беспокоиться по поводу выбора места не следует: в течение 2013 года комитет собирался 60 раз, что соответствует более 300 часам обсуждений. В пресс-релизе также кратко описаны причины данного выбора.
В дополнение стоит упомянуть, что Объединенный Институт Ядерных Исследований в г. Дубна несколько лет назад рассматривался в качестве потенциального кандидата на место для строительства ILC, но был отклонен позднее.

К своему удивлению я обнаружил, что в рунете достаточно мало информации, описывающей этот грандиозный проект. Безусловно, пресса примется за обсуждение «Второго Коллайдера, Который Обязательно Извергнет Черную Дыру, Которая Обязательно Поглотит Землю» (на самом деле нет), но только ближе к началу (и, наверняка, окончанию) его строительства. А пока давайте разберемся, что это за коллайдер, зачем он нужен ученым, и чем их не устраивает существующий Большой Адронный Коллайдер.

Итак, Международный Линейный Коллайдер — крупнейший проект ускорителя частиц, сравнимый по масштабам с Большим Адронным Коллайдером. В отличие от LHC, новый коллайдер будет не кольцевым, а линейным. Кроме того, ускоряемыми частицами будут электроны и позитроны, в отличие от LHC, который является протон-протонным коллайдером. Также ILC имеет во много раз меньшую энергию сталкиваемых частиц.

Каковы преимущества такого решения?

• Столкновения электронов и позитронов — более «чистые». Вспомним, что протоны гораздо массивнее электронов, следовательно, при их столкновении образуется очень много побочных частиц. Электроны и позитроны, в отличие от протонов, гораздо меньше, что позволяет более подробно изучать процессы, происходящие при их столкновении, не мучаясь отсевом шумов (шумы — это основное, что регистрируют детекторы на LHC).
• Несмотря на меньшую энергию частиц на ILC и меньшую энергию столкновений (и, соответственно, меньшую вероятность зарождения бозона Хиггса), каждое событие рождения и распада бозона Хиггса на ILC будет надежно регистрироваться, и научная ценность таких данных будет выше, чем данных, полученных на LHC (на котором, повторюсь, полезный сигнал сильно зашумлен). Именно поэтому более низкая энергия частиц на Международном Линейном Коллайдере (порядка 500 ГэВ) по сравнению с Большим Адронным Коллайдером (около 14000 ГэВ) не столь важна.
• Из школьного курса физики известно, что при неравномерном движении заряженных частиц они становятся источником электромагнитного излучения. Поэтому при ускорении электронов циклическим ускорителем на высоких энергиях движение по окружности будет являться причиной огромных энергетических потерь в виде жесткого электромагнитного излучения (так называемого синхротронного излучения). Более простым языком — КПД циклического ускорителя будет меньше, чем линейного.
• При ускорении частиц в линейном коллайдере не предусматриваются сложные системы для стабилизации пучков и нет необходимости в повторной фокусировке нестолкнувшихся частиц (иными словами, не нужно «держать» пучки после столкновения в устойчивом состоянии). Это позволяет несколько упростить конструкцию линейного коллайдера по сравнению с кольцевым и точнее сфокусировать пучки перед столкновением (к слову, фокусировка пучков перед столкновением — очень сложная задача).
• Ну, и наконец, после многолетних исследований хорошо проработана высокоэффективная методика ускорения частиц, основанная на принципе радиочастотного ускорения. Это позволяет достичь высокого ускоряющего градиента (и построить ускоритель длиной не в сотни, а десятки километров).

Почему нельзя обойтись существующим коллайдером LHC? Как уже было сказано, на LHC сталкиваются пучки тяжелых протонов. Образующиеся «мусорные» столкновения существенно мешают процессу обработки результатов. Открытый же год назад бозон Хиггса заставляет ученых вплотную заняться исследованием этой частицы, и здесь Большой Адронный Коллайдер бессилен. Мало того, что рождение бозона Хиггса — очень редкое событие, так на LHC его еще нужно отделять от фонового шума «мусорных» столкновений. Международный Линейный Коллайдер как раз и планируется использовать в качестве инструмента для экспериментального изучения свойств бозона Хиггса.

Далее давайте вкратце пробежимся по общему принципу действия и основным элементам проекта нового коллайдера. Поможет нам в этом первый том технической спецификации ILC.

• В качестве источника электронов выступает электронная пушка с фотокатодом внутри. Облучаться фотокатод будет импульсами интенсивного лазерного излучения.
• Источником позитронов является ондулятор, через который пропускается часть пучка электронов, где они, периодически ускоряясь и замедляясь, излучают рентгеновские лучи. Данные лучи направляются на титановую мишень и выбивают из нее электрон-позитронные пары.
• Электронные и позитронные демпфирующие кольца длиной 3,2 км будут расположены в общем тоннеле. Данные кольца необходимы для «успокоения» пучка, полученного от источника и накопления необходимого количества частиц для начала их столкновений.
• Двухступенчатые компрессоры электронного и позитронного пучков предназначены для сжатия пучков электронов и позитронов с 6 мм до 0,15 мм в длину, и до десятков нанометров в высоту и ширину. Данные компрессоры по сути являются гигантскими магнитными «линзами», фокусирующими пучок электронов так же, как оптические линзы фокусируют лучи света.
• Ну, и наконец, сердце ILC — два линака (от «linac» = «linear accelerator») по 11 км в длину. Их действие основано на радиочастотном принципе ускорения заряженных частиц, огромными усилиями разрабатываемого в последние десятилетия. Основным элементом данных линаков являются ниобиевые резонаторы, охлажденные до температуры 1,8 К в огромных криогенных «чехлах» — криомодулях. Пропуская через резонаторы переменный электрический ток (для ILC — частотой 1,3 ГГц), можно создать во внутренней полости резонаторов такую конфигурацию электрического поля, которая позволяла бы ускорять заряженные частицы на протяжении всей длины резонатора.

Текущая конфигурация ILC предусматривает два сценария для дальнейшего апгрейда ускорителя после его строительства: увеличение светимости (интенсивности столкновения частиц) путем увеличения количества «сгустков» частиц в каждом пучке, либо увеличение энергии соударяемых частиц. Каждый из сценариев развития имеет свои преимущества и недостатки, какой из них будет выбран пока неясно.

Sources:
http://www.linearcollider.org/ILC/What-is-the-ILC/Facts-and-figures
http://ilc-str.jp/topics/2013/08281826/
http://www.quantumdiaries.org/2013/08/23/ilc-more-than-just-a-higgs-factory/
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1306/1306.6327.pdf
http://thescience.ru/2013/09/23/why-the-scientists-need-the-second-large-collider/