Недавнее обнаружение тяжёлой частицы с массой в ~125 ГэВ открыло множество новых проблем. Перспективы её исследования европейские специалисты обозначат на симпозиуме European Strategy for Particle Physics,

 который состоится в Кракове на следующей неделе, а их американские коллеги проведут аналогичную конференцию чуть позже — в июне 2013-го.

Одним из основных результатов встречи в Польше должны стать более или менее точные оценки того, насколько далеко Большой адронный коллайдер (БАК) сможет продвинуться в изучении новой частицы за всё время своей работы. Согласно плану, в ближайшие три года энергию циркулирующих на БАКе пучков протонов доведут до проектных семи тераэлектронвольт, а примерно через десять лет ускоритель, вероятно, ожидает модернизация с увеличением светимости — меры частоты столкновений частиц из встречных пучков. Если всё это удастся реализовать, эксперименты с протонами на коллайдере будут продолжаться и через двадцать лет.

По словам генерального директора Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) Рольфа Хойера (Rolf Heuer), столь длительные исследования на БАКе позволят однозначно определить спин открытой частицы и выяснить, соответствует ли он величине «0», заложенной в Стандартную модель. Сейчас учёные с уверенностью говорят лишь о том, что спин этот выражается целым числом и отличен от единицы (оба вывода следуют из наблюдений за распадами на пары фотонов), а выбрать между значениями «0» и «2» пока не представляется возможным.

Разобраться с другими характеристиками найденного бозона адронному коллайдеру будет гораздо труднее. Теория предсказывает, что хиггсовский бозон обладает исключительным свойством — сильнее «цепляется» к тяжёлым частицам и, соответственно, распадается преимущественно на самые тяжёлые частицы, разрешённые законом сохранения энергии. Измерения на БАКе дают информацию по нескольким каналам распада (в первую очередь — по распадам на пары W- или Z-бозонов и уже упомянутые пары фотонов), однако погрешности сейчас настолько велики, что экспериментальные данные с одинаковой лёгкостью как помещаются в рамки общепринятой физики, так и выводятся за пределы Стандартной модели. На прошлой неделе мы, к примеру, рассматривали предположение теоретиков о регистрации на БАКе и «Теватроне» сразу двух хиггсовских бозонов из суперсимметричной модели NMSSM, и оно кажется вполне разумным.

В 2017 году БАК должен приблизиться к интегральной (умноженной на время работы) светимости в 300 обратных фемтобарнов на полной энергии столкновений в 13 ТэВ. При анализе такого объёма данных, многократно превосходящего нынешнюю статистику в ~10 обратных фемтобарнов на энергиях в 7 и 8 ТэВ, погрешности измерений во всех каналах распада снизятся. Это даст возможность отбросить кое-какие гипотезы вроде той, о которой мы вспоминали выше, но дальнейший рост точности будет сдерживаться систематическими погрешностями, свойственными протонным столкновениям. Протоны, так сказать, «недостаточно элементарны», и при столкновениях их кварк-глюонная внутренняя структура осложняет задачу экспериментатора.

Чтобы получить действительно надёжные оценки параметров бозона, потребуется, очевидно, новый ускоритель, приспособленный для работы с истинно элементарными частицами. Разные проекты этой установки также будут представлены на конференциях в Польше и США.

Первый — и наименее сложный — проект носит название LEP3. Коллайдер разместится в тоннелях БАКа и использует его же детекторы ATLAS и CMS, но сталкивать будет уже не адроны, а лептоны (частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии) — электроны и позитроны. По сути, LEP3 будет представлять собой модернизированный вариант заслуженного электрон-позитронного коллайдера LEP с повышенной до 240 ГэВ энергией столкновений и многократно увеличенной светимостью, доходящей до 1034 см–2•с–1.

Переход от адронов к лептонам, по мнению физиков, сделает измерения параметров нового бозона и давно известных менее массивных W- и Z-бозонов намного более точными. К явным преимуществам LEP3 также относятся низкая стоимость, которую хотят довести до 1–2 млрд долларов за счёт повторного использования криогенных установок и детекторов, наличие подготовленной площадки с развитой инфраструктурой и системами энергообеспечения, гибкость проекта (LEP3 может, скажем, некоторое время работать совместно с БАКом, а после остановки последнего — перейти в автономный режим).

С другой стороны, возможности LEP3 строго ограничены потерями на синхротронное излучение, испускаемое заряженными частицами, которые движутся по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями. Тщательный расчёт этих потерь и сопоставление с требованиями к потребляемой коллайдером мощности и приводят к выбору энергии столкновений в 240 ГэВ, что не позволяет надеяться на исследование частиц, по массе значительно превосходящих 125-гигаэлектронвольтовую хиггсовскую. Если таковые будут обнаружены в опытах на БАКе, LEP3 окажется далеко не самым перспективным вариантом.

Поскольку потери на синхротронное излучение ослабевают по мере увеличения массы частиц, альтернативой LEP3 может стать кольцевой коллайдер, оперирующий на два порядка более тяжёлыми лептонами — мюонами. Такой ускоритель будет относительно компактным и позволит изучать бозон Хиггса уже при энергии столкновений в 125 ГэВ.

Однако проект мюонного коллайдера чрезвычайно сложен в технологическом плане. Если физики захотят его реализовать, им понадобится технология охлаждения (грубо говоря, сведения в аккуратный монохроматичный пучок) и ускорения мюонов, подходящая для работы с этими нестабильными частицами, которые очень быстро распадаются на электроны, нейтрино и антинейтрино. Разработкой и обкаткой подобной методики занимаются участники международного эксперимента MICE: он проводится в британской Лаборатории Резерфорда — Эплтона и должен завершиться к 2016 году.

Хотя результат MICE неясен, многие специалисты относятся к самóй идее охлаждения скептически. «Сомневаюсь, что мне доведётся увидеть действующий мюонный коллайдер, — говорит сотрудник Оксфордского университета Брайан Фостер (Brian Foster). — Мы более десяти лет пытались охлаждать мюоны и поняли лишь то, что это необычайно трудно».