«Мюонний постріл» спрямований на вивчення основних сил космосу. Але мізерні федеральні бюджети можуть обмежити його амбіції.
Фізики елементарних частинок повинні почати закладати основу для революційного колайдера елементарних частинок, який можна було б побудувати на американській землі, написав комітет вчених у проєкті звіту про майбутнє фізики елементарних частинок, опублікованому в четвер. Машина зіткнеться з крихітними точковими частинками, званими мюонами, які нагадують електрони, але є більш масивними. Мюони дають більше грошей, ніж протони, які використовуються у Великому адронному колайдері в CERN, і підштовхнуть пошук нових сил і частинок глибше, ніж будь-коли, у невідоме.
Розміщення такого проєкту, можливо, у Національній прискорювальній лабораторії імені Фермі в Іллінойсі, відновило б американську фізику елементарних частинок на першість, яка була передана Європі в 1993 році, коли Конгрес скасував гігантський надпровідний суперколлайдер. Але знадобиться щонайменше 10 років , щоб продемонструвати, що мюонний колайдер може працювати і скільки це буде коштувати.
«Це наш мюонний знімок», — сказав комітет, якому доручено окреслити бачення наступного десятиліття американської фізики елементарних частинок, у проєкті звіту під назвою «Дослідження квантового Всесвіту: шляхи до інновацій і відкриттів у фізиці елементарних частинок».
Проєкт представлено та обговорено на зустрічі у Вашингтоні, округ Колумбія, у четвер і п’ятницю, а також у Fermilab наступного тижня.
У проєкті доповіді також підкреслюється необхідність інвестувати в експерименти наступного покоління, що досліджують природу субатомних частинок, які називаються нейтрино; космічний мікрохвильовий фон, реліктове випромінювання Великого вибуху; і темна матерія, гравітаційний клей, що утримує галактики разом. Група також рекомендувала взяти участь у майбутньому об’єкті в Європі чи Японії, присвяченому вивченню бозона Хіггса, відкриття якого в 2012 році стало ключовим для розуміння того, як інші частинки отримують свою масу.
«Розмір Всесвіту, який ми зараз бачимо як 14 мільярдів світлових років у поперечнику, насправді був меншим за розмір ядра» на початку космічного часу, сказав Хітоші Мураяма, фізик з Каліфорнійського університету в Берклі, який очолив комітет. «Тож наша галузь насправді не просто шукає фундаментальні складові, але й отримує ширшу картину того, як працює Всесвіт як ціле».
Міністерство енергетики США та Національний науковий фонд доручили комітету, офіційно відомому як Група пріоритетів проєктів фізики елементарних частинок, або P5, розробити дорожню карту майбутнього галузі.
Трирічний процес розпочався із звернення до спільноти фізиків елементарних частинок загалом, а остаточний звіт слугуватиме рекомендацією щодо того, чому національні агентства мають віддати пріоритет протягом наступного десятиліття.
Останній звіт P5 «Будівництво для відкриттів: стратегічний план для фізики елементарних частинок США в глобальному контексті» був опублікований у 2014 році після відкриття Бозона Хіггза. Це був надзвичайний успіх для Стандартної моделі, набору квантових рівнянь, який пояснює все, що вчені знають і перевіряють у лабораторії про сили та частинки в природі, і який отримав численні Нобелівські премії для своїх творців.
Але Стандартна модель не має нічого сказати про гравітацію, а отже, про чорні діри чи «темну енергію», яка розштовхує Всесвіт. Це також не пояснює темної матерії, невидимої матерії, що огортає галактики. Крім того, це не пояснює Хіггза.
За останнє десятиліття фізики мало просунулися на цих фронтах. Їм не вдалося ідентифікувати темну матерію, і деякі з їхніх найпопулярніших гіпотез, зокрема поняття під назвою суперсиметрія, на межі виключення.
Рекомендації комітету P5 враховували два сценарії бюджету, надані їм Міністерством енергетики США.
В одному «базовому» випадку очікується, що бюджет департаменту буде зростати на 3 відсотки на рік, в основному не відставаючи від інфляції. У цьому сценарії комітет наголошував на реалізації великих проєктів, таких як система телескопів у Чилі та Антарктиді для вивчення космічного мікрохвильового фону, реалізація офшорної фабрики Хіггза та збільшена версія IceCube, обсерваторії, вмерзлої в лід. Південний полюс, який вловлює нейтрино з екзотичних джерел у Всесвіті.
За такого бюджетного сценарію також буде місце для підтримки бачення створення колайдера частинок у Сполучених Штатах.
Коллайдери частинок, такі як машина CERN, отримали свою перевагу завдяки відкриттю Ейнштейна про те, що енергія та маса взаємозамінні. Чим більше енергії виділяється під час зіткнення, тим масивніші частинки можна створити. Оскільки протони є безладними мішками з менших частинок, відомих як кварки та глюони, їх збивання разом вивільняє лише частку від загальної енергії протона. Мюони, навпаки, елементарні; без внутрішніх компонентів (наскільки відомо вченим), їхні зіткнення дають більш енергійні результати.
Мюонний колайдер є одним із трьох варіантів, які розглядаються як наступник Великого адронного колайдера CERN, який наразі є найбільшим у світі колайдером і, як очікується, буде домінувати у фізиці елементарних частинок протягом наступного десятиліття. Китай і ЦЕРН досліджували можливість створення нового колайдера діаметром 60 миль або близько того, який досягав би енергії зіткнення в 100 трильйонів електронвольт порівняно з 14 трильйонами Великого адронного колайдера, відкриваючи перспективи енергії та часу.
Оскільки терміни реалізації цих проєктів охоплюють десятиліття, комітет наголосив на підтримці вчених-початківців, які згодом візьмуть на себе керівництво проєктами.
«Вони — майбутнє», — сказав доктор Мураяма.
Консультативна група з фізики високих енергій Міністерства енергетики проголосує за проєкт звіту в п’ятницю вдень. Якщо звіт буде прийнято, комітет зосередиться на тому, щоб заручитися підтримкою плану як у фізичній спільноті, так і за її межами. Зокрема, доктор Мураяма сподівався, що це приверне увагу співробітників, які спілкуються з членами Конгресу про те, як голосувати за бюджет департаменту.