Future Circular Collider

Future Circular Collider (FCC) — проект международного исследовательского центра ЦЕРН (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям) по созданию нового ускорителя заряженных частиц, который должен стать преемником Большого адронного коллайдера (БАК). FCC представляет собой кольцевой коллайдер с длиной окружности около 90–100 км (против 27 км у БАК), способный сталкивать протоны, электроны и ионы с энергией в несколько раз выше достигнутой на БАК. Проект находится на стадии технико-экономического обоснования и концептуального проектирования; строительство планируется начать в 2040-х годах.

История

Идея создания коллайдера следующего поколения возникла в ЦЕРНе в начале 2010-х годов, когда стало ясно, что БАК, хотя и принёс ряд фундаментальных открытий (включая обнаружение бозона Хиггса в 2012 году), не сможет ответить на многие вопросы физики высоких энергий — например, природу тёмной материи, нарушение CP-симметрии, массу нейтрино и возможное существование суперсимметричных частиц.

В 2014 году ЦЕРН начал предварительные исследования возможных конфигураций будущего коллайдера. В 2019 году была опубликована концептуальная записка (FCC Conceptual Design Report), в которой описывались три основных этапа: FCC-ee (электрон-позитронный коллайдер), FCC-hh (протон-протонный коллайдер) и FCC-eh (электрон-протонный коллайдер). В 2020 году Европейская стратегия по физике элементарных частиц рекомендовала ЦЕРНу начать технико-экономическое обоснование FCC как приоритетного проекта.

В 2023 году ЦЕРН завершил технико-экономическое обоснование и представил его на рассмотрение стран-участниц. Окончательное решение о строительстве ожидается не ранее 2028 года.

Устройство и характеристики

Основные параметры

• Длина кольца: 90–100 км (точное значение уточняется; предполагается, что туннель будет проложен на глубине 100–200 м под землёй в районе Женевы, Швейцария, и прилегающих территориях Франции).
• Энергия столкновений:
• FCC-ee: до 365 ГэВ (для электрон-позитронных столкновений).
• FCC-hh: до 100 ТэВ (для протон-протонных столкновений; БАК достигает 13 ТэВ).
• Светимость (интенсивность пучков): на порядок выше, чем у БАК, что позволит набирать статистику в сотни раз быстрее.
• Магнитная система: для FCC-hh потребуются сверхпроводящие магниты с полем 16 Тл (против 8,3 Тл у БАК). Разработка таких магнитов ведётся в рамках программы High Field Magnets.

Структура

Коллайдер состоит из основного кольца, инжекторов (цепочки предварительных ускорителей, частично заимствованных от БАК), а также детекторов, размещённых в нескольких точках пересечения пучков. Планируется четыре основных детектора, аналогичных ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, но с улучшенными характеристиками.

Этапы реализации

Проект разделён на три последовательных этапа:

1. FCC-ee (электрон-позитронный коллайдер) — первый этап, который должен начать работу в 2048–2050 годах. Он предназначен для прецизионного изучения бозона Хиггса, W- и Z-бозонов, а также поиска редких распадов и новых частиц с массами до 365 ГэВ. FCC-ee будет работать на энергиях от 90 до 365 ГэВ.
2. FCC-hh (протон-протонный коллайдер) — второй этап, запуск которого планируется в 2070-х годах. Он будет сталкивать протоны с энергией до 100 ТэВ, что позволит напрямую рождать частицы с массами до 30–40 ТэВ и исследовать физику за пределами Стандартной модели.
3. FCC-eh (электрон-протонный коллайдер) — третий этап, который может быть реализован как опция для изучения структуры протона и процессов с участием электронов и протонов.

Научные задачи

Основные цели FCC:

• Изучение бозона Хиггса: определение его свойств (массы, ширины, констант связи) с высокой точностью, поиск отклонений от предсказаний Стандартной модели.
• Поиск новой физики: обнаружение частиц-кандидатов в тёмную материю, суперсимметричных партнёров, дополнительных калибровочных бозонов, а также изучение возможных механизмов нарушения лептонной и барионной симметрии.
• Исследование сильного взаимодействия: изучение кварк-глюонной плазмы, структуры протона и ядер при высоких энергиях.
• Проверка Стандартной модели: прецизионные измерения параметров электрослабых взаимодействий, поиск редких распадов.

Критика и сложности

Проект FCC вызывает дискуссии в научном сообществе и обществе:

• Высокая стоимость: предварительная оценка составляет около 15–20 миллиардов швейцарских франков (около 16–22 миллиардов долларов США) для первого этапа. Критики указывают, что эти средства могли бы быть направлены на другие проекты в физике (например, линейные коллайдеры или нейтринные обсерватории) или на другие области науки.
• Технические риски: создание магнитов с полем 16 Тл и системы охлаждения для FCC-hh требует прорывных технологий, которые пока не реализованы в промышленных масштабах.
• Экологические последствия: строительство туннеля длиной 100 км потребует изъятия земель, выемки больших объёмов грунта, а также энергопотребления, сопоставимого с потреблением небольшого города (порядка 200–300 МВт).
• Конкуренция с другими проектами: в Китае разрабатывается аналогичный проект — Circular Electron Positron Collider (CEPC) с длиной кольца 100 км, который может быть запущен раньше FCC. В Японии и США также обсуждаются альтернативные линейные коллайдеры.

Международное сотрудничество

FCC — проект ЦЕРНа, в котором участвуют более 100 институтов из 30 стран. Россия до 2022 года была одним из участников ЦЕРНа и вносила вклад в разработку магнитов и детекторов для FCC. После начала конфликта на Украине сотрудничество с российскими организациями было приостановлено, что может повлиять на сроки реализации проекта. Китай, Индия, Япония и США также участвуют в предварительных исследованиях.

Перспективы

Если решение о строительстве будет принято, FCC станет самым мощным ускорителем в истории. Его научная программа рассчитана на 30–40 лет работы. В случае успеха он может подтвердить или опровергнуть многие гипотезы современной физики, включая существование суперсимметрии, тёмной материи и дополнительных измерений. Однако из-за длительных сроков и высокой стоимости некоторые учёные предлагают альтернативные подходы — например, создание линейного коллайдера на основе плазменного ускорения, который может быть компактнее и дешевле.

Источники

• CERN. «Future Circular Collider Conceptual Design Report». 2019.
• European Strategy for Particle Physics. «Update 2020». CERN, 2020.
• CERN. «FCC Feasibility Study Report». 2023.
• The FCC Collaboration. «FCC Physics Opportunities». European Physical Journal C, 2019.
• «Future Circular Collider: A New Era for Particle Physics». Nature Reviews Physics, 2021.