В поисках ответов на открытые вопросы (например, какие фундаментальные частицы составляют темную материю, почему материя доминирует во Вселенной и почему существует асимметрия между материей и антиматерией, что такое сила, определяющая гравитацию, темная энергия, масса нейтрино и т. д.), которые Стандартная модель не может решить, возможно, потребуется выйти за рамки Стандартной модели и исследовать возможное существование новых, более легких частиц, которые очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, а также исследовать существование новых, более тяжелых частиц, недоступных существующей установке LHC. Предлагаемый будущий кольцевой коллайдер (FCC) позволит искать существование таких фундаментальных частиц за пределами Стандартной модели. Совет ЦЕРН в настоящее время рассмотрел отчет об исследовании осуществимости FCC. Окончательное решение о строительстве FCC Советом ЦЕРН ожидается около 2028 года. В случае одобрения строительство FCC может начаться в 2030-х годах. Он будет иметь окружность около 100 км и будет расположен на глубине около 200 метров под землей, недалеко от того же места, что и LHC, недалеко от Женевы. Он придёт на смену Большому адронному коллайдеру (БАК), который должен завершить свою работу в 2041 году. FCC будет реализован в два этапа. Первый этап, FCC-ee, будет представлять собой электрон-позитронный коллайдер для прецизионных измерений в целях поиска более лёгких частиц, который обеспечит 15-летнюю исследовательскую программу с конца 2040-х годов. После завершения этого этапа в том же туннеле будет запущен второй ускоритель, FCC-hh (высокие энергии). Цель второго этапа — достичь энергий столкновения 100 ТэВ (значительно выше, чем 13 ТэВ БАК) для поиска более тяжёлых частиц. Этот этап будет запущен в эксплуатацию в 2070-х годах и продлится до конца XXI века.
6–7 ноября 2025 года Совет ЦЕРН (состоящий из делегатов государств-членов и ассоциированных членов ЦЕРН) рассмотрел результаты технико-экономического обоснования предлагаемого будущего кольцевого коллайдера (FCC).
Ранее ЦЕРН провел исследование для оценки возможности создания будущего кольцевого коллайдера (FCC) в сотрудничестве с организациями государств-членов и ассоциированных членов ЦЕРН, а также других стран. Отчет был опубликован 31 марта 2025 года и рассмотрен вспомогательными органами Совета ЦЕРН. Отчет также был рассмотрен независимыми экспертными комитетами, которые пришли к выводу, что FCC представляется технически осуществимым, исходя из представленной документации.
Делегаты Совета ЦЕРН рассмотрели отчёт о технико-экономическом обосновании строительства FCC, проведённый 6–7 ноября 2025 года на специальном заседании, и пришли к выводу, что технико-экономическое обоснование закладывает основу для продолжения исследований FCC. Это важный шаг на пути к возможному одобрению FCC Советом ЦЕРН в мае 2026 года, когда все рекомендации будут представлены на его рассмотрение. Ожидается, что окончательное решение о строительстве FCC Совет ЦЕРН примет около 2028 года.
Будущий кольцевой коллайдер (FCC) — один из предлагаемых ЦЕРН коллайдеров частиц следующего поколения. Ожидается, что он сменит Большой адронный коллайдер (БАК), который завершит свою работу в 2041 году. В настоящее время ЦЕРН работает над поиском коллайдера, который придёт на смену БАК, являющемуся его основной рабочей лошадкой.
Большой адронный коллайдер (БАК), введенный в эксплуатацию в 2008 году, представляет собой кольцевой коллайдер длиной 27 км, расположенный на глубине 100 м под землей недалеко от Женевы. В настоящее время это крупнейший и самый мощный коллайдер в мире, генерирующий столкновения частиц с энергией 13 тераэлектронвольт (ТэВ), что является наивысшей энергией, достигнутой ускорителем на сегодняшний день. Он разгоняет адроны до скорости, близкой к скорости света, а затем сталкивает их, имитируя условия ранней Вселенной.
| Ускорители частиц/коллайдеры — окна в очень раннюю Вселенную |
| «Очень ранняя Вселенная» относится к самой ранней фазе развития Вселенной (первые три минуты вскоре после Большого взрыва), когда она была чрезвычайно горячей, и во Вселенной полностью доминировало излучение. Планковская эпоха — это первая эпоха радиационной эры, которая длилась от Большого взрыва до 10 лет.-43 с. При температуре 1032 K, Вселенная в эту эпоху была сверхгорячей. За планковской эпохой последовали кварковая, лептонная и ядерная эпохи; все они были кратковременными, но характеризовались чрезвычайно высокими температурами, которые постепенно снижались по мере расширения Вселенной. Прямое изучение этой самой ранней фазы Вселенной невозможно. Можно лишь воссоздать условия этой фазы Вселенной в ускорителях частиц. Данные, полученные в результате столкновений частиц в ускорителях/коллайдерах, открывают косвенный путь к очень ранней Вселенной. Коллайдеры — важнейшие инструменты для исследований в физике элементарных частиц. Это кольцевые или линейные машины, которые разгоняют частицы до очень высоких скоростей, близких к скорости света, и позволяют им сталкиваться с другими частицами, летящими с противоположного направления, или с мишенью. Столкновения создают чрезвычайно высокие температуры, порядка триллионов кельвинов (аналогичные условиям, существовавшим в самые ранние эпохи радиации). Энергии сталкивающихся частиц складываются, поэтому энергия столкновения выше. Энергия столкновений преобразуется в материю в виде частиц, существовавших в очень ранней Вселенной в соответствии с симметрией массы и энергии. Например, когда субатомные частицы электроны сталкиваются со своими партнёрами по антиматерии – позитронами, материя и антиматерия аннигилируют, высвобождая энергию. Из высвобождающейся энергии конденсируются различные типы новых элементарных частиц. Новые частицы могут быть бозонами Хиггса или топ-кварками – очень тяжёлыми субатомными строительными блоками материи. Возможно, также частицы тёмной материи и суперсимметричные частицы, что ещё предстоит открыть. Подобные взаимодействия между частицами высоких энергий в условиях, существовавших на ранней стадии развития Вселенной, открывают окна в недоступный иным образом мир того времени, а анализ побочных продуктов столкновений обогащает наше понимание фундаментальных частиц и открывает путь к пониманию основных законов физики. Ускорители частиц используются в качестве исследовательских инструментов для изучения ранней Вселенной. Адронные коллайдеры (в частности, Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе) и электрон-позитронные коллайдеры играют ведущую роль в исследовании ранней Вселенной. Эксперименты ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) привели к успешному открытию бозона Хиггса в 2012 году. (Источник: Коллайдеры частиц для изучения «Очень ранней Вселенной»: продемонстрирован мюонный коллайдер) |
Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC) ЦЕРН повысит производительность LHC за счёт увеличения числа столкновений, что позволит более детально изучать известные механизмы. Ожидается, что он будет запущен в эксплуатацию к 2029 году.
Предлагаемый будущий кольцевой коллайдер (FCC) будет представлять собой более производительный коллайдер частиц по сравнению с Большим гидронным коллайдером. FCC, предназначенный для исследования новых, более тяжёлых частиц, недоступных Большому адронному коллайдеру (LHC), а также более лёгких частиц, которые очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, будет иметь окружность около 100 км и располагаться на глубине около 200 метров под землёй, недалеко от того же места, где находится LHC. В случае одобрения строительство FCC может начаться в 2030-х годах.
Проект FCC будет реализован в два этапа. Первый этап, FCC-ee, будет представлять собой электрон-позитронный коллайдер для прецизионных измерений. Он будет предлагать 15-летнюю исследовательскую программу с конца 2040-х годов. По завершении этого этапа в том же туннеле будет введен в эксплуатацию второй ускоритель, FCC-hh (высокие энергии). Его цель – достичь энергий столкновения адронов (протонов) и тяжелых ионов 100 ТэВ. FCC-hh будет введен в эксплуатацию в 2070-х годах и проработает до конца XXI века.
Зачем нужна комиссия FCC? Какую цель она преследует?
Вся наблюдаемая Вселенная, включая всю барионную материю, из которой мы все состоим, составляет всего 4.9% от массы и энергии Вселенной. Невидимая темная материя составляет целых 26.8% (тогда как оставшиеся 68.3% от массы и энергии Вселенной приходится на темную энергию). Что такое темная материя на самом деле, неизвестно. Стандартная модель (СМ) физики элементарных частиц не содержит фундаментальных частиц со свойствами, необходимыми для темной материи. Предполагается, что, возможно, «суперсимметричные частицы», являющиеся партнерами частиц Стандартной модели, образуют темную материю. Или, возможно, существует параллельный мир темной материи. Вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы), аксионы или стерильные нейтрино – это гипотетические частицы «за пределами Стандартной модели» (СММ), которые являются основными кандидатами. Однако пока не удалось обнаружить ни одной из таких частиц. Существует множество других открытых вопросов (таких как асимметрия материи-антиматерии, гравитация, темная энергия, нейтринная масса и т. д.), на которые Стандартная модель не может ответить. Кроме того, роль поля Хиггса в эволюции Вселенной начала обсуждаться после открытия бозона Хиггса в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC).
Возможные ответы на вышеупомянутые открытые вопросы лежат за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Возможно, потребуется исследовать существование новых, более лёгких частиц, которые очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Это потребует сбора большого объёма данных и очень высокой чувствительности к сигналам рождения таких частиц, что входит в сферу деятельности первой стадии FCC, а именно FCC-ee (прецизионные измерения). Также крайне важно исследовать существование новых, более тяжёлых частиц, что потребует высокоэнергетических установок. FCC-hh (высокие энергии), вторая стадия FCC, направлена на достижение энергий столкновения 100 ТэВ (что значительно выше 13 ТэВ LHC). Что касается формы электрон-позитронного (e+e-) коллайдера первой стадии, то круглая форма была предпочтительнее (по сравнению с линейной), поскольку круговая форма обеспечивает более высокую светимость, до четырёх экспериментов, и предоставляет инфраструктуру для последующего второго этапа высокоэнергетического адронного коллайдера.
Ссылки:
- ЦЕРН. Пресс-релиз – Совет ЦЕРН рассматривает технико-экономическое обоснование проекта коллайдера следующего поколения. 10 ноября 2025 г. Доступно по адресу https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- ЦЕРН. Пресс-релиз – ЦЕРН публикует отчёт о возможности создания будущего кольцевого коллайдера. 31 марта 2025 г. Доступно по адресу https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Технико-экономическое обоснование будущего кольцевого коллайдера завершено https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Будущий Круговой Коллайдер https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: физическая сторона вопроса. 27 марта 2024 г. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
Статьи по теме:
- Коллайдеры частиц для изучения «Очень ранней Вселенной»: продемонстрирован мюонный коллайдер (31, октябрь 2024)
- ЦЕРН отмечает 70-летие научного путешествия в физике (2 февраля 2024)
- Из чего мы в конечном итоге состоим? Каковы фундаментальные строительные блоки Вселенной? (8 ноября 2021 г.)
Некоторые обучающие видеоролики о 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}