У пошуках адказаў на адкрытыя пытанні (напрыклад, якія фундаментальныя часціцы ўтвараюць цёмную матэрыю, чаму матэрыя дамінуе ў Сусвеце і чаму існуе асіметрыя матэрыі і антыматэрыі, што такое сілавая часціца для гравітацыі, цёмная энергія, маса нейтрына і г.д.), на якія Стандартная мадэль не можа адказаць, магчыма, спатрэбіцца выйсці за рамкі Стандартнай мадэлі і даследаваць магчымае існаванне новых, лягчэйшых часціц, якія вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць з часціцамі Стандартнай мадэлі, а таксама даследаваць існаванне новых, цяжэйшых часціц па-за межамі дасяжнасці існуючага ВАК. Прапанаваны будучы кругавы калайдэр (FCC) дазволіць шукаць існаванне такіх фундаментальных часціц па-за межамі Стандартнай мадэлі. Савет ЦЕРН зараз разгледзеў справаздачу аб тэхніка-эканамічным даследаванні FCC. Канчатковае рашэнне аб будаўніцтве FCC чакаецца Саветам ЦЕРН каля 2028 года. У выпадку ўхвалення будаўніцтва FCC можа пачацца ў 2030-х гадах. Яго акружнасць будзе каля 100 км, ён будзе размешчаны прыкладна на глыбіні 200 метраў пад зямлёй, недалёка ад таго ж месца, што і ВАК каля Жэневы. Ён прыйдзе на змену Вялікаму адроннаму калайдэру (ВАК), які павінен завяршыць сваю працу ў 2041 годзе. ВАК будзе рэалізаваны ў два этапы. Першы этап, ВАК-ee, будзе электрон-пазітронных калайдэрам для дакладных вымярэнняў у мэтах пошуку лягчэйшых часціц, які прапануе 15-гадовую даследчую праграму з канца 2040-х гадоў. Пасля завяршэння гэтага этапу ў тым жа тунэлі будзе ўведзена ў эксплуатацыю другая машына, ВАК-hh (высокай энергіі). Другая ступень накіравана на дасягненне энергій сутыкненняў 100 ТэВ (значна вышэй, чым 13 ТэВ ВВА) для пошуку цяжэйшых часціц. Гэты этап пачне працаваць у 2070-х гадах і будзе працаваць да канца 21 стагоддзя.
6-7 лістапада 2025 года Савет ЦЕРН (у склад якога ўваходзяць дэлегаты дзяржаў-членаў і асацыяваных членаў ЦЕРН) разгледзеў вынікі тэхніка-эканамічнага абгрунтавання прапанаванага будучага кругавога калайдэра (FCC).
Раней ЦЕРН правёў даследаванне па ацэнцы магчымасці стварэння будучага кругавога калайдэра (FCC) у супрацоўніцтве з установамі ў дзяржавах-членах і асацыяваных членах ЦЕРН, а таксама за яго межамі. Справаздача была апублікавана 31 сакавіка 2025 года і разгледжана падпарадкаванымі органамі Савета ЦЕРН. Справаздача таксама была разгледжана незалежнымі экспертнымі камітэтамі, якія заявілі, што FCC выглядае тэхнічна магчымым на падставе прадстаўленай дакументацыі.
Дэлегаты Савета ЦЕРН разгледзелі справаздачу аб тэхніка-эканамічным даследаванні FCC 6-7 лістапада 2025 года на спецыяльным пасяджэнні і прыйшлі да высновы, што тэхніка-эканамічнае даследаванне забяспечвае аснову для працягу даследаванняў FCC. Гэта важны крок да магчымага зацвярджэння FCC Саветам ЦЕРН у маі 2026 года, калі ўсе рэкамендацыі будуць прадстаўлены яму на разгляд. Канчатковае рашэнне аб будаўніцтве FCC Саветам ЦЕРН чакаецца прыкладна ў 2028 годзе.
Футуральны кругавы калайдэр (FCC) — адзін з прапанаваных калайдэраў часціц наступнага пакалення ў ЦЕРНе. Чакаецца, што ён прыйдзе на змену Вялікаму адроннаму калайдэру (ВАК), які завершыць сваю працу ў 2041 годзе. У цяперашні час ЦЕРН працуе над вызначэннем наступнага калайдэра, які прыйдзе на змену ВАК, што з'яўляецца бягучай рабочай машынай ЦЕРНа.
Вялікі адронны калайдэр (ВАК), уведзены ў эксплуатацыю ў 2008 годзе, — гэта круглы калайдэр з акружнасцю 27 км, размешчаны на глыбіні 100 м пад зямлёй недалёка ад Жэневы. У цяперашні час гэта найбуйнейшы і наймагутнейшы калайдэр у свеце, які генеруе сутыкненні з энергіяй 13 тэраэлектронвольт (ТэВ), што з'яўляецца найвышэйшай энергіяй, дасягнутай паскаральнікам да гэтага часу. Ён паскарае адроны да хуткасці, блізкай да хуткасці святла, а затым сутыкае іх, імітуючы ўмовы ранняга Сусвету.
| Паскаральнікі/калайдэры часціц — гэта вокны ў вельмі ранні Сусвет |
| «Вельмі ранні Сусвет» адносіцца да самай ранняй фазы Сусвету (першыя тры хвіліны адразу пасля Вялікага выбуху), калі ён быў надзвычай гарачым, і Сусвет цалкам знаходзіўся пад уплывам выпраменьвання. Эпоха Планка — гэта першая эпоха радыяцыйнай эры, якая працягвалася ад Вялікага выбуху да 1043- с. Пры тэмпературы 1032 К, Сусвет у гэтую эпоху быў звышгарачым. За эпохай Планка рушылі ўслед кваркавая, лептонная і ядзерная эпохі; усе яны былі кароткачасовымі, але характарызаваліся надзвычай высокімі тэмпературамі, якія паступова зніжаліся па меры пашырэння Сусвету. Непасрэднае вывучэнне гэтай ранняй фазы Сусвету немагчыма. Што можна зрабіць, дык гэта ўзнавіць умовы гэтай фазы Сусвету ў паскаральніках часціц. Дадзеныя, атрыманыя ў выніку сутыкненняў часціц у паскаральніках/калайдэрах, даюць ускосны погляд на вельмі ранні Сусвет. Калайдэры — вельмі важныя даследчыя інструменты ў фізіцы элементарных часціц. Гэта кругавыя або лінейныя машыны, якія паскараюць часціцы да вельмі высокіх хуткасцей, блізкіх да хуткасці святла, і дазваляюць ім сутыкацца з іншай часціцай, якая паступае з процілеглага кірунку, або з мішэнню. Сутыкненні генеруюць надзвычай высокія тэмпературы парадку трыльёнаў Кельвінаў (падобныя да ўмоў, якія існавалі ў самыя раннія эпохі радыяцыйнай эры). Энергіі часціц, якія сутыкаюцца, складаюцца, таму энергія сутыкнення вышэйшая. Энергія сутыкнення пераўтвараецца ў матэрыю ў выглядзе часціц, якія існавалі ў самым раннім Сусвеце ў адпаведнасці з сіметрыяй маса-энергія. Напрыклад, калі субатамныя часціцы электроны сутыкаюцца са сваімі партнёрамі-антыматэрыямі — пазітронамі, матэрыя і антыматэрыя анігілююць, і вызваляецца энергія. З вызваленай энергіі кандэнсуюцца розныя тыпы новых элементарных часціц. Новымі часціцамі могуць быць базоны Хігса або топ-кваркі, якія з'яўляюцца вельмі цяжкімі тыпамі субатамных будаўнічых блокаў матэрыі. Магчыма, таксама часціцы цёмнай матэрыі і суперсіметрычныя часціцы, што яшчэ трэба адкрыць. Такія ўзаемадзеянні паміж высокаэнергетычнымі часціцамі ва ўмовах, якія існавалі ў самым раннім Сусвеце, адкрываюць вокны ў інакш недаступны свет таго часу, а аналіз пабочных прадуктаў сутыкненняў узбагачае наша разуменне фундаментальных часціц і прапануе спосаб зразумець асноўныя законы фізікі. Паскаральнікі часціц выкарыстоўваюцца ў якасці даследчых інструментаў для вывучэння вельмі ранняга Сусвету. Адронныя калайдэры (асабліва Вялікі адронны калайдэр ЦЕРН) і электрон-пазітронные калайдэры знаходзяцца на пярэднім краі ў даследаванні вельмі ранняга Сусвету. Эксперыменты ATLAS і CMS на Вялікім адронным калайдэры (ВАК) паспяхова адкрылі базон Хігса ў 2012 годзе. (Крыніца: Калайдэр часціц для вывучэння «Вельмі ранняга Сусвету»: прадэманстраваны мюонны калайдэр) |
Вялікі адронны калайдэр высокай свяцільнасці (ВСК) ЦЕРН палепшыць прадукцыйнасць ВСК за кошт павелічэння колькасці сутыкненняў, што дазволіць больш падрабязна вывучаць вядомыя механізмы. Верагодна, ён пачне працаваць да 2029 года.
Прапанаваны будучы кругавы калайдэр (FCC) будзе больш прадукцыйным калайдэрам часціц у параўнанні з Вялікім гідронскім калайдэрам. Распрацаваны для вывучэння існавання новых, цяжэйшых часціц, якія знаходзяцца па-за дасяжнасцю Вялікага адроннага калайдэра (ВАК), і існавання лягчэйшых часціц, якія вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць з часціцамі Стандартнай мадэлі, FCC будзе мець акружнасць каля 100 км і будзе размешчаны прыкладна на глыбіні 200 метраў пад зямлёй, недалёка ад таго ж месца, што і ВАК. Калі праект будзе ўхвалены, будаўніцтва FCC можа пачацца ў 2030-х гадах.
FCC будзе рэалізаваны ў два этапы. Першы этап, FCC-ee, будзе ўяўляць сабой электрон-пазітронный калайдэр для дакладных вымярэнняў. Ён прапануе 15-гадовую даследчую праграму, пачынаючы з канца 2040-х гадоў. Пасля завяршэння гэтага этапу ў тым жа тунэлі будзе ўведзена ў эксплуатацыю другая машына, FCC-hh (высокай энергіі). Яна накіравана на дасягненне энергій сутыкненняў 100 ТэВ пры сутыкненні адронаў (пратонаў) і цяжкіх іонаў. FCC-hh пачне працаваць у 2070-х гадах і будзе працаваць да канца 21 стагоддзя.
Навошта патрэбна FCC? Якой мэце яна будзе служыць?
Увесь назіраемы Сусвет, уключаючы ўсю барыённую звычайную матэрыю, з якой мы ўсе складаемся, складае толькі 4.9% ад масы энергіі Сусвету. Нябачная цёмная матэрыя складае цэлых 26.8% (у той час як астатнія 68.3% масы энергіі Сусвету - гэта цёмная энергія). Невядома, што такое цёмная матэрыя на самой справе. Стандартная мадэль (СМ) фізікі элементарных часціц не мае фундаментальных часціц з уласцівасцямі, неабходнымі для таго, каб быць цёмнай матэрыяй. Лічыцца, што, магчыма, цёмную матэрыю ствараюць «суперсіметрычныя часціцы», якія з'яўляюцца партнёрамі часціц у Стандартнай мадэлі. Або, магчыма, існуе паралельны свет цёмнай матэрыі. WIMP (слаба ўзаемадзейныя масіўныя часціцы), аксіёны або стэрыльныя нейтрына - гэта гіпотэтычныя часціцы «па-за Стандартнай мадэллю» (СМ), якія з'яўляюцца вядучымі кандыдатамі. Аднак пакуль няма поспеху ў выяўленні такіх часціц. Ёсць шмат іншых адкрытых пытанняў (напрыклад, асіметрыя матэрыі і антыматэрыі, гравітацыя, цёмная энергія, нейтрынамаса і г.д.), на якія Стандартная мадэль не можа адказаць. Акрамя таго, роля поля Хігса ў эвалюцыі Сусвету пачала абмяркоўвацца пасля адкрыцця базона Хігса ў 2012 годзе ў эксперыментах ATLAS і CMS на Вялікім адронным калайдэры (ВАК).
Магчымыя адказы на вышэйзгаданыя адкрытыя пытанні выходзяць за рамкі Стандартнай мадэлі фізікі элементарных часціц. Магчыма, спатрэбіцца даследаваць існаванне новых, лягчэйшых часціц, якія вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць з часціцамі Стандартнай мадэлі. Гэта запатрабуе вялікай колькасці збору дадзеных і вельмі высокай адчувальнасці да сігналаў утварэння такіх часціц, што ўваходзіць у аб'ём першага этапу FCC, а менавіта FCC-ee (дакладныя вымярэнні). Таксама неабходна даследаваць існаванне новых, цяжэйшых часціц, для чаго спатрэбіцца высокаэнергетычнае абсталяванне. FCC-hh (высокія энергіі), другі этап FCC, імкнецца дасягнуць энергій сутыкненняў 100 ТэВ (што значна вышэй за 13 ТэВ LHC). Што тычыцца формы электрон-пазітроннага (e+e-) калайдэра першай ступені, то перавага аддаецца круглай форме (у параўнанні з лінейнай), таму што круглая форма забяспечвае больш высокую свяцільнасць, да чатырох эксперыментаў і прапануе інфраструктуру для наступнага другога этапу высокаэнергетычнага адроннага калайдэра.
***
Спасылкі:
- ЦЕРН. Прэс-рэліз – Савет ЦЕРН разглядае тэхніка-эканамічнае абгрунтаванне калайдэра наступнага пакалення. 10 лістапада 2025 г. Даступна па адрасе https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- ЦЕРН. Прэс-рэліз – ЦЕРН публікуе справаздачу аб магчымасці стварэння будучага кругавога калайдэра. 31 сакавіка 2025 г. Даступна па адрасе https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Тэхніка-эканамічнае абгрунтаванне будучага кругавога калайдэра завершана https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Будучы кругавы калайдэр https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: выпадак з фізікі. 27 сакавіка 2024 г. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
Артыкулы па тэме:
- Калайдэр часціц для вывучэння «Вельмі ранняга Сусвету»: прадэманстраваны мюонны калайдэр (31 Кастрычніцкай 2024)
- CERN адзначае 70-годдзе навуковага падарожжа ў фізіцы (2 лютага 2024)
- З чаго мы ў канчатковым рахунку складаецца? Якія фундаментальныя будаўнічыя блокі Сусвету? (8 лістапада 2021 г.)
***
Некалькі адукацыйных відэа пра FCC:
***
 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}