Рис. 1. Ход набора данных в детекторах ATLAS и CMS за все время работы коллайдера. График с сайта home.cern
2018 год в физике элементарных частиц обошелся без сенсаций. Это вовсе не означает, что исследования забуксовали. В 2018 году были опубликованы десятки тысяч научных статей по самым разным вопросам физики элементарных частиц, и многие из них оказались по-настоящему важными, даже прорывными, в своих направлениях исследований. В этом обзоре мы постараемся перечислить те результаты, которые привлекали широкое внимание физиков в минувшем году. Эта подборка, неизбежно субъективная, разбита на пять разделов: ситуация на LHC, результаты при низких энергиях, будущие коллайдерные проекты, физика нейтрино, и, наконец, сведения об элементарных частицах, полученные из астрофизических наблюдений (в первой части рассказано о первых трех из них). Достижения чистой теоретической физики частиц мы оставим за кадром; их бегло обозреть не получится.
Очередная веха коллайдера
В 2018 году Большой адронный коллайдер завершил очередной четырехлетний сеанс работы Run 2. В техническом плане этот год был вполне успешным (рис. 1). Хотя по ходу работы возникали непредвиденные препятствия, специалисты находили пути в обход и продолжали набирать статистику ударными темпами. Детекторы ATLAS и CMS накопили в 2018 году по 66 fb−1 каждый, превысив исходный план. Полная интегральная светимость, набранная за весь сеанс Run 2, составила по 150 fb−1 в каждом из них. Теперь экспериментальные коллаборации будут в течение нескольких лет обрабатывать эти данные и регулярно сообщать о новых результатах.
Не лишним будет снова напомнить, что в современной физике элементарных частиц (ФЭЧ) превращение сырых данных в четкие научные результаты длинный, сложный и трудоемкий процесс. Между сеансом набора данных и выходом научных статей проходят уже даже не месяцы, а годы. Большинство публикаций LHC в 2018 году по-прежнему базировались на статистике 2015–2016 годов. И хотя в 2017 и 2018 годах было накоплено втрое больше данных, они будут обрабатываться еще как минимум год-два. Причина такой задержки — постоянно возрастающая сложность вкупе с ограниченными ресурсами. Детекторы стареют, в них добавляются новые элементы, все это приходится заново калибровать, а затем обновлять программы моделирования детектора. Эта работа не только требует человеческих и компьютерных ресурсов, но и не позволяет просто так объединять данные разных лет, ведь инструментальные характеристики меняются год от года. Наконец, данные надо сравнивать с результатами численного моделирования в рамках чистой Стандартной модели, которое приходится проводить снова и снова. Без всего этого невозможно ответственно сказать, видим ли мы в данных что-то новое или нет.
В плане научных результатов Большого адронного коллайдера, кардинального измерения в 2018 году не произошло. Была проведена обширнейшая программа по изучению свойств бозона Хиггса — очень важной, но все еще плохо изученной частицы. После пяти лет измерений наконец-то были надежно открыты все основные каналы рождения и распада этой частицы, причем для этого экспериментаторам приходилось проявлять недюжинную смекалку. Измеренная на LHC интенсивность этих процессов в пределах погрешностей совпадала с ожиданиями Стандартной модели. Иными словами, никаких ярких эффектов Новой физики, за которыми охотится коллайдер, по-прежнему не видно.
Зато можно отметить обострившееся в 2018 году расхождение между тем, как экспериментаторы и теоретики воспринимают эти результаты. Для экспериментаторов такие измерения, как регистрация распада бозона Хиггса на b-анти-b пару (рис. 2) или рождение системы топ-антитоп-Хиггс, стали триумфальным завершением многолетних усилий. В своих сообщениях ЦЕРН и коллаборации не скрывают гордости за полученные результаты. Для теоретиков же они, а точнее — их полное согласие с предсказаниями Стандартной модели, символизировали очередной крах надежд на скорое открытие Новой физики (см. новость Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков).
Рис. 2. Зарегистрированное детектором ATLAS событие-кандидат в рождение пары H и W, в котором бозон Хиггса распадается на b-анти-b пару. Рисунок с сайта home.cern
Ничего экстраординарного не произошло и в других пунктах научной программы коллайдера. Были опубликованы сотни статей с измерениями свойств топ-кварков и других известных частиц, а также отчеты о поисках суперсимметрии, новых частиц, новых взаимодействий, и вообще любых отклонений от предсказаний Стандартной модели. В данных CMS встречались любопытные намеки на такие отклонения при 28 ГэВ и при 95 ГэВ, однако они не вызвали ажиотажа даже среди теоретиков. Можно однозначно сказать, что никаких достоверных проявлений Новой физики пока не выявлено.
Здесь, впрочем, необходимо вновь напомнить, что на сегодняшний день обработана лишь небольшая часть всей статистики сеанса Run 2. Никто не может исключить, что через год-два обнаружится какая-то новая аномалия в данных Run 2 или окрепнет старая. Так, до сих пор не обновлены данные LHCb по загадочным отклонениям в распадах B-мезонов (две проблемы с лептонной универсальностью и настойчивое расхождение теории и эксперимента в редких распадах). Для очень многих теоретиков эти отклонения сейчас — самая большая надежда на Новую физику. К тому же, в 2018 году стартовал обновленный эксперимент Belle II на японском электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB, который тоже поможет подтвердить или опровергнуть эти аномалии. Так что в ближайшие год-два к этим двум экспериментам будет приковано пристальное внимание.
Результаты при низких энергиях
Хотя поиск Новой физики остается ключевой задачей ФЭЧ, внутри Стандартной модели по-прежнему остается множество сложных нерешенных вопросов. Прежде всего, это касается устройства адронов. Напомним, что в формулировке Стандартной модели адроны вообще не фигурируют. Там есть кварки и есть сильное взаимодействие. Но в реальных экспериментах мы регистрируем не кварки, а их комбинации — адроны, которые возникают за счет явления конфайнмента. Почему конфайнмент сильного взаимодействия вообще происходит — до сих пор не объяснено со всей математической строгостью; это одна из знаменитых задач тысячелетия. Но он есть, и из-за него многие характеристики адронов вовсе не проистекают из свойств кварков, а образуются динамически.
Изучение свойств адронов, в том числе недавно открытых многокварковых, остается горячей темой исследований. Публикаций на эту тему — многие сотни, но выделить какой-то один по-настоящему яркий результат 2018 года затруднительно. Скажем так: тут идет обычный рабочий процесс накопления и кристаллизации знаний.
Пожалуй, самый симпатичный результат, опубликованный в мае в журнале Nature и освещенный во многих СМИ, — это измерение давления внутри протона (рис. 3). В самом центре протона, по оценкам авторов, кварки испытывают давление порядка 1035 Па — больше, чем даже внутри нейтронных звезд. Научная ценность этого результата не в самом по себе числе, а в том, что сейчас, анализируя данные по глубоко-виртуальному комптоновскому рассеянию, физики научились извлекать из данных и такие тонкие эффекты (см. подробности здесь).
Рис. 3. Давление, испытываемое кварками внутри протона. Положительное давление отвечает отталкиванию из центра, отрицательное — притяжению на периферии протона, не дающее кваркам вылететь наружу. Рисунок из статьи V. D. Burkert et al., 2018. The pressure distribution inside the proton
Впрочем, столкновения частиц на рекордно больших энергиях — не единственный способ открывать новые законы мира элементарных частиц. Можно работать и при низких энергиях, но выполнять измерения исключительно точно. Если теоретические предсказания для измеренной величины столь же точны, то даже небольшое расхождение будет иметь огромные последствия для физики частиц.
Знаменитый пример такого измерения — магнитный момент мюона g. Эта величина показывает, насколько хорошо мюон чувствует внешнее магнитное поле. И теоретические расчеты, и экспериментальные измерения выполнены с безумной точностью: они дают величину g = 2,00233184… и начинают различаться только в следующих десятичных знаках. Однако различие это довольно существенное — 3–4σ. Этого хватает, чтобы вызывать неугасающий интерес теоретиков, но недостаточно для громкого заявления об открытии Новой физики. И поскольку последнее экспериментальное измерение датируется аж 2004 годом, это (недо)расхождение, словно заноза, не дает физикам покоя уже почти 20 лет.
В 2017 году, после нескольких лет подготовки, в Фермилабе наконец-то стартовал новый эксперимент по измерению магнитного момента мюона, Muon g-2. Он должен уменьшить экспериментальную погрешность примерно в 4 раза (рис. 4). Если отклонение сохранится — это станет серьезной заявкой на самое громкое открытие в физике частиц за последние годы. Первый сеанс набора данных прошел с марта по май 2018 года, предварительные результаты были обнародованы в середине года (см. доклад коллаборации на летней конференции ICHEP 2018). Точность измерений в таком коротком сеансе работы пока не дотягивает до результатов 2004 года, но в целом все идет по плану. В 2019 году ожидается первая научная публикация на статистике, сравнимой с 2004 годом, и вот тогда мы узнаем, подтверждается аномалия или нет. К концу 2021 года объем данных превзойдет статистику 2004 года уже в 20 раз, и мучившая физиков загадка получит то или иное разрешение.
Рис. 4. Результаты теоретического расчета (три верхние метки) и измерений 2004 года (нижняя зеленая метка) аномального магнитного момента мюона aμ = (g − 2)/2. Налицо существенное расхождение, которое станет намного более суровым, когда заработает новый эксперимент Muon g-2. Его результат для иллюстрации отмечен там же, что и в данных 2004 года; что он покажет на самом деле, пока никто не знает. Рисунок из статьи A. Chapelain, 2017. The Muon g-2 experiment at Fermilab
А вот другая характеристика элементарных частиц — электрический дипольный момент d, — несмотря на похожее название, имеет совсем иной статус. Эта характеристика не может просто так возникать у фундаментальных частиц, например, у электрона. Она появляется только в результате CP-нарушения и потому оказывается исключительно малой (см. подробный рассказ в новости Первые результаты эксперимента ACME: электрический дипольный момент электрона по-прежнему нулевой). В рамках чистой Стандартной модели электрический дипольный момент электрона предсказывается настолько малым, что измерить его просто нереально. Поэтому если какой-то эксперимент получит любое значение, достоверно отличное от нуля, это тоже станет сенсацией.
Рис. 5. Логотип эксперимента ACME, который ставит рекорд за рекордом в попытке найти ненулевой электрический дипольный момент электрона. Рисунок с сайта electronedm.info
Впрочем, до сих пор все эксперименты устанавливали лишь ограничение сверху на величину d. В 2011 году оно составило 10,5·10−28 e·см. В 2013 году эксперимент ACME усилил ограничение на порядок, до 8,7·10−29 e·см (та работа была описана в нашей новости). И вот недавно, в октябре 2018 года, та же коллаборация ACME улучшила свой же результат еще почти на один порядок: теперь ограничение сверху составляет 1,1·10−29 e·см. Это ограничение накладывает серьезные ограничения на различные теории за пределами Стандартной модели. Если в природе существуют новые частицы, которые взаимодействуют с электроном и нарушают CP-симметрию, то они должны быть тяжелее нескольких ТэВ, — иначе эффект от виртуальных частиц уже проявился бы в виде электрического дипольного момента электрона.
Если речь заходит про CP-нарушение в распадах мезонов, то здесь фигурирует еще одна важная величина, для которой физики почему-то не хотят придумывать отдельную букву, а обозначают загадочным выражением ε’/ε. Это отношение характеризует ту роль, которую играет прямое CP-нарушение, то есть нарушение CP-симметрии прямо в момент распада мезона, без промежуточного превращения разных мезонов друг в друга. Этот вклад в CP-нарушение невелик, но он существует и был обнаружен в распадах K-мезонов в 80–90-х годах. Измерения экспериментов NA48 и KTeV дали значение ε’/ε = (16,6 ± 2,3)·10−4.
Теоретические предсказания для этой величины долгое время получить не удавалось, поскольку они зависят от внутренней структуры K-мезонов. Только несколько лет назад, благодаря зубодробительным численным методам (Квантовая хромодинамика на решетке, см. Lattice QCD) стали появляться примерные теоретические оценки. Практически все они давали поразительно малые значения: (1–6)·10−4, что в несколько раз меньше экспериментального результата! А поскольку Новая физика вполне может стать новым источником CP-нарушения, возникшая аномалия привлекла в 2018 году внимание десятков, если не сотен теоретиков. Более того, признанные мэтры этой области заговорили о ренессансе физики каонов, которая была модной этак с полвека назад.
Рис. 6. Теоретические расчеты (цветные точки) и экспериментальные измерения (черные точки) для параметра ε’/ε в распадах каонов по состоянию на конец 2018 года. Рисунок из статьи T. Kitahara, 2018. Recent developments on direct CP violation in the kaon system and connection to K→πνν measurements
Как часто бывает в теоретической физике частиц, не все исследователи согласились с этими оценками. Так, теоретики из Валенсии на основании своих расчетов предсказывают намного большую величину, (15 ± 7)·10−4, что отлично согласуется с экспериментом (нижняя сиреневая точка на рис. 6). Однако они находятся в меньшинстве, и в появившемся в середине декабря обзорном докладе arXiv:1812.06102 эта оценка подвергается критике. В целом ситуация вокруг величины ε’/ε остается подвешенной. Теоретические расчеты, хотя и намекают на существенное расхождение с экспериментом, остаются пока не слишком надежными и не позволяют прийти к определенному выводу. Но работа кипит, и через год-два ситуация должна проясниться, а может быть, и обостриться.
В завершение этого раздела можно упомянуть спектроскопические исследования антиводорода в эксперименте ALPHA в ЦЕРНе (см. две статьи в журнале Nature по переходами 1S-2S и 1S-2P). Антиводород состоит из антипротона и позитрона, античастиц для протона и электрона. Теоретическая физика говорит, что все уровни энергии в атомах и антиатомах одинаковы, но экспериментаторы, разумеется, стремятся проверить эти заявления. Пока что все согласуется с предсказаниями. А что касается новых проверок того, как гравитация влияет на антивещество, то на той же «фабрике антиматерии» в ЦЕРНе в конце года стартовали два эксперимента, ALPHA-g и GBAR, которые в ближайшие годы выполнят эти измерения с рекордной точностью.
Рис. 7. В сердце эксперимента ALPHA — магнитная ловушка, в которой накапливаются атомы антиводорода. Фото с сайта home.cern
Коллайдерное будущее
Трендом года можно назвать работу над проектами будущих грандиозных экспериментов в физике частиц. У Большого адронного коллайдера есть в запасе пара десятилетий: расписание работы LHC, а точнее, его реинкарнации с высокой светимостью HL-LHC, простирается до 2037 года. Однако физики уже давно приступили к обсуждению того, какие коллайдеры придут ему на смену. Существует несколько проектов разной степени амбициозности и на разном этапе готовности технологий. В каждом есть свои плюсы и минусы, и научное сообщество тщательно их взвешивает перед принятием решений. Ситуация усугубляется тем, что, в отсутствие гарантированных открытий далеко не все финансирующие организации считают целесообразным тратить миллиарды долларов на новый коллайдер.
В этой ситуации ЦЕРН и другие крупные исследовательские центры запустили максимально открытую и прозрачную кампанию по определению приоритетов развития ФЭЧ в ближайшие годы (см. подробности в новости Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?). Обновленная Европейская стратегия по физике частиц задаст вектор развития этого раздела физики на 2020–2026 годы. Но уже сейчас ясно, что результаты, полученные в этот шестилетний период, скажутся на развитии ФЭЧ и 2030-е и даже 2040-е годы.
Дедлайн для внесения предложений по формированию обновленной Стратегии прошел 18 декабря. Сразу несколько групп, работающих над будущими коллайдерами, опубликовали свои планы и проекты. В сентябре и ноябре вышли два тома предварительного проекта китайского циклического электрон-позитронного коллайдера CEPC (arXiv:1809.00285 и arXiv:1811.10545). Технологии для его создания практически готовы, и, если Китай возьмется за его реализацию, CEPC заработает в начале 2030-х годов.
Рис. 8. 100-километровый китайский циклический электрон-позитронный коллайдер CEPC может стать грандиозный вкладом Китая в развитие физики элементарных частиц. Рисунок с сайта cerncourier.com
Перспективы FCC, грандиозного протонного коллайдера на 100 ТэВ, который тоже будет базироваться в ЦЕРНе, остаются довольно туманными, хотя работа над этим проектом идет уже несколько лет. 700-страничная сводка научных задач FCC появилась еще год назад (arXiv:1710.06353), однако до полноценного технического проекта тут еще далеко. Его предварительная версия вместе с оценкой стоимости должна быть обнародована в январе 2019 года. В любом случае, реализация FCC потребует существенного развития технологий изготовления сверхпроводящих магнитов с нужными параметрами, и этот этап растянется как минимум до начала 2030-х годов. Если все пойдет без задержек, FCC заработает не раннее 2043 года. Проект LHC на повышенной энергии, HE-LHC, рассматривается сейчас как «облегченный» вариант FCC. Он потребует тех же технологий, но сможет разместиться в нынешнем кольце LHC, а не в новом 98-километровом туннеле. Но даже этот коллайдер сможет вступить в строй самое раннее в 2040 году. Научная программа HE-LHC, впрочем, уже интенсивно разрабатывается, см. два недавних отчета — arXiv:1812.07638 (по распадам мезонов) и arXiv:1812.07831 (по поискам Новой физики).
А вот с Международным линейным коллайдером ILC, который должен быть построен в Японии, ситуация совершенно иная. Технологии давно готовы, и научное сообщество вот уже несколько лет ждет, когда японское правительство решится на его строительство. Но это подразумевает, что Япония возьмет на себя значительную часть расходов по реализации и работе ILC. Правительство Японии настроено позитивно, но оно хочет быть уверенным, что эти расходы оправданы, что они принесут в конечном итоге научную, образовательную, и даже экономическую выгоду стране. Кроме того, оно ожидает от других стран и от крупнейших исследовательских центров гарантии, что они разделят с Японией финансовое бремя. Другие страны и финансирующие организации отвечают, что они будут рады вложиться, но они вначале хотят услышать официальное согласие Японии строить ILC.
Рис. 9. Строительство Международного линейного коллайдера, с которым физики связывали большие надежды, находится сейчас под большим вопросом. Рисунок с сайта iwate-ilc.jp
Ясно, что такая ситуация не может продолжаться вечно. В 2018 году резко активизировались переговоры как внутри Японии, так и на международной арене. Была надежда, что правительство Японии даст окончательный ответ к 18 декабря, однако решение так и не было принято. Более того, 19 декабря появилось сообщение, что Научный совет Японии, играющий роль консультанта Министерства науки Японии, не поддержал строительство ILC. Официальное сообщение от координаторов проекта ILC в Японии звучит куда более сдержанно. В нем высказывается надежда, что решение японского правительства будет озвучено к началу марта 2019 года, когда в Токио пройдет 83-я встреча ICFA, Международного комитета по будущим ускорителям. Подробности о текущем статусе проекта можно найти в специальном выпуске ILC Newsline за 21 декабря 2018 года.
Пока суть да дело, ЦЕРН продолжает развивать свой проект линейного электрон-позитронного коллайдера CLIC. В его основе лежит иной, более эффективный механизм ускорения электронов и позитронов, что позволит уменьшить размеры ускорителя, а в перспективе позволит повысить энергию столкновений до 3 ТэВ, что лежит совершенно за пределами возможностей ILC. Предварительный технический отчет был опубликован еще в 2012 году, и сейчас CLIC сейчас можно воспринимать как «план B» научного сообщества на тот случай, если Япония откажется от строительства ILC. В декабре 2018 года вышло сразу несколько отчетов, посвященных разным аспектам проекта: физике на CLIC (arXiv:1812.02093), техническим подробностям ускорителя (arXiv:1812.06018) и детектора (arXiv:1812.07337). Краткая сводка этих отчетов, подготовленная для Европейской стратегии по физике частиц, приведена в публикациях arXiv:1812.07986 и arXiv:1812.07987. Если проекту CLIC будет дан зеленый свет, его строительство может начаться в 2026 году, и первый сеанс работы с энергией столкновений 380 ГэВ стартует в районе 2035 года.
Рис. 10. Варианты размещения будущего линейного коллайдера CLIC в ЦЕРНе. Рисунок с сайта cds.cern.ch
В целом, если не случится ничего экстраординарного, можно рассчитывать на новый крупный электрон-позитронный ускоритель в 2030-х годах и на новый адронный коллайдер в 2040-х. Но если речь зашла о таком отдаленном будущем, но нельзя сбрасывать со счетов и прорывные технологии ускорения частиц, которые могут стать основой совершенно новых коллайдеров. Для одной такой технологии — кильватерного ускорения электронов — 2018 год стал прорывным. В церновском эксперименте AWAKE была продемонстрирована принципиальная возможность кильватерного ускорения внутри плазменной ячейки на масштабах в несколько метров, против сущих сантиметров во всех предыдущих установках (см. новость В эксперименте AWAKE испытана новая схема ускорения электронов).
Рис. 11. Кильватерное ускорение электронов в длинной плазменной ячейке, реализованное недавно в эксперименте AWAKE, может стать основой коллайдеров нового типа. Фото с сайта home.cern
В ближайшие годы коллаборация AWAKE будет экспериментировать с параметрами установки и постарается подобрать такой режим, который можно будет масштабировать на километровые размеры. Если это удастся, то можно будет думать и о строительстве полноценного коллайдера на этом принципе. В недавней публикации arXiv:1812.11164 были обрисованы научные перспективы электрон-протонного коллайдера с энергией несколько ТэВ, для которого протоны будет поставлять LHC, а электроны будут разгоняться кильватерным способом с помощью тех же самых протонов из LHC.
См. также:
Физика элементарных частиц в 2018 году. Часть 2, «Элементы», 09.01.2019.
Игорь Иванов
