Търсенето на отговори на отворените въпроси (като например кои фундаментални частици образуват тъмната материя, защо материята доминира във Вселената и защо има асиметрия материя-антиматерия, какво е сила-частица за гравитация, тъмна енергия, маса на неутрино и т.н.), на които Стандартният модел не може да отговори, може да се наложи да се погледне отвъд Стандартния модел и да се проучи възможното съществуване на нови, по-леки частици, които взаимодействат много слабо с частиците на Стандартния модел, както и да се проучи съществуването на нови, по-тежки частици извън обсега на съществуващото съоръжение LHC. Предложеният бъдещ кръгов колайдер (FCC) би позволил търсенето на такива фундаментални частици извън Стандартния модел. Съветът на CERN вече е разгледал доклада за проучването за осъществимост на FCC. Окончателно решение за изграждането на FCC от Съвета на CERN се очаква около 2028 г. Ако бъде одобрен, изграждането на FCC може да започне през 2030-те години на миналия век. Той ще бъде с обиколка около 100 км, разположен на около 200 метра под земята, близо до същото място като LHC близо до Женева. Той ще наследи Големия адронен колайдер (LHC), който ще приключи дейността си през 2041 г. FCC ще бъде внедрен на два етапа. Първият етап, FCC-ee, ще бъде електрон-позитронен колайдер за прецизни измервания в търсене на по-леки частици, който ще предложи 15-годишна изследователска програма от края на 2040-те години. След завършването на този етап, в същия тунел ще бъде пусната в експлоатация втора машина, FCC-hh (високоенергийна). Вторият етап има за цел да достигне енергии на сблъсък от 100 TeV (много по-високи от 13 TeV на LHC) за търсене на по-тежки частици. Този етап ще заработи през 2070-те години и ще работи до края на 21-ви век.
На 6-7 ноември 2025 г. Съветът на ЦЕРН (състоящ се от делегати от държавите членки и асоциираните членки на ЦЕРН) разгледа резултатите от проучването за осъществимост на предложения бъдещ кръгов колайдер (FCC).
По-рано ЦЕРН проведе проучване за оценка на осъществимостта на бъдещ кръгов колайдер (FCC) в сътрудничество с институции в държавите членки и асоциираните държави членки на ЦЕРН и извън него. Докладът беше публикуван на 31 март 2025 г. и беше разгледан от подчинените органи на Съвета на ЦЕРН. Докладът беше разгледан и от независимите експертни комисии, които заявиха, че FCC изглежда технически осъществим въз основа на представената документация.
Делегатите на Съвета на ЦЕРН разгледаха доклада от проучването за осъществимост на FCC на 6-7 ноември 2025 г. на специално заседание и заключиха, че проучването за осъществимост предоставя основата за продължаване на проучванията на FCC. Това е важна стъпка към евентуално одобрение на FCC от Съвета на ЦЕРН през май 2026 г., когато всички препоръки ще бъдат представени за разглеждане. Окончателно решение за изграждането на FCC от Съвета на ЦЕРН се очаква около 2028 г.
Бъдещият кръгов колайдер (FCC) е един от предложените ускорители на частици от следващо поколение в ЦЕРН. Очаква се той да наследи Големия адронен колайдер (LHC), който ще приключи дейността си през 2041 г. В момента ЦЕРН работи по идентифицирането на следващия колайдер, който да наследи LHC, който е настоящият работен кон на ЦЕРН.
Пуснат в експлоатация през 2008 г., Големият адронен колайдер (LHC) е кръгъл колайдер с обиколка 27 км и е разположен на 100 м под земята близо до Женева. В момента това е най-големият и най-мощният колайдер в света, който генерира сблъсъци с енергия от 13 тераелектронволта (TeV), което е най-високата енергия, достигната от ускорител досега. Той ускорява адроните до скорост, близка до скоростта на светлината, след което ги сблъсква, имитирайки условията на ранната Вселена.
| Ускорителите/колайдерите на частици са прозорци към много ранната Вселена |
| „Много ранна Вселена“ се отнася до най-ранната фаза на Вселената (първите три минути скоро след Големия взрив), когато тя е била изключително гореща и Вселената е била изцяло доминирана от радиация. Епохата на Планк е първата епоха от радиационната ера, която е продължила от Големия взрив до 10-43 s. С температура 1032 K, Вселената е била свръхгореща през тази епоха. Епохата на Планк е последвана от епохите на Кварките, Лептоните и Ядрените; всички те са краткотрайни, но се характеризират с изключително високи температури, които постепенно намаляват с разширяването на Вселената. Директното изучаване на тази най-ранна фаза на Вселената не е възможно. Това, което може да се направи, е да се пресъздадат условията на тази фаза на Вселената в ускорители на частици. Данните, генерирани от сблъсъци на частици в ускорители/колайдери, предлагат индиректен поглед към много ранната Вселена. Колайдерите са много важни изследователски инструменти във физиката на елементарните частици. Това са кръгови или линейни машини, които ускоряват частиците до много високи скорости, близки до скоростта на светлината, и им позволяват да се сблъскат с друга частица, идваща от противоположната посока, или с цел. Сблъсъците генерират изключително високи температури от порядъка на трилиони Келвини (подобно на условията, присъстващи в най-ранните епохи на радиационната ера). Енергиите на сблъскващите се частици се сумират, следователно енергията на сблъсъка е по-висока. Енергията от сблъсъка се трансформира в материя под формата на частици, които са съществували в много ранната вселена съгласно симетрията маса-енергия. Например, когато субатомните частици електрони се сблъскват със своите антиматерийни партньори позитрони, материята и антиматерията анихилират и се освобождава енергия. Различни видове нови елементарни частици кондензират от освободената енергия. Нови частици биха могли да бъдат бозоните на Хигс или топ-кварките, които са много тежки видове субатомни градивни елементи на материята. Може би също частици тъмна материя и суперсиметрични частици, нещо, което тепърва ще бъде открито. Подобни взаимодействия между високоенергийни частици в условията, които са съществували в много ранната вселена, дават поглед към иначе недостъпния свят от онова време, а анализът на страничните продукти от сблъсъците обогатява нашето разбиране за фундаменталните частици и предлага начин да разберем управляващите закони на физиката. Ускорителите на частици се използват като изследователски инструменти за изучаване на много ранната вселена. Адронните колайдери (особено Големият адронен колайдер LHC на ЦЕРН) и електрон-позитронните колайдери са начело в изследването на много ранната вселена. Експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер (LHC) бяха успешни в откриването на Хигс бозон през 2012 г. (Източник: Ускорители на частици за изследване на „Много ранна вселена“: демонстриран мюонен ускорител) |
Големият адронен колайдер с висока светимост (HL – LHC) на ЦЕРН ще подобри производителността на LHC чрез увеличаване на броя на сблъсъците, за да позволи по-подробно изучаване на известни механизми. Вероятно ще заработи до 2029 г.
Предложеният бъдещ кръгов колайдер (FCC) ще бъде ускорител на частици с по-висока производителност в сравнение с Големия хидронен колайдер. Проектиран да изследва съществуването на нови, по-тежки частици, извън обсега на Големия адронен колайдер (LHC), и съществуването на по-леки частици, които взаимодействат много слабо с частиците от Стандартния модел, FCC ще бъде с обиколка около 100 км, разположен на около 200 метра под земята, близо до същото място като LHC. Ако бъде одобрен, изграждането на FCC може да започне през 2030-те години на миналия век.
FCC ще бъде реализиран на два етапа. Първият етап, FCC-ee, ще бъде електрон-позитронен колайдер за прецизни измервания. Той ще предлага 15-годишна изследователска програма от края на 2040-те години. След завършването на този етап, в същия тунел ще бъде пусната в експлоатация втора машина, FCC-hh (високоенергийна). Целта е да се достигнат енергии на сблъсък от 100 TeV на сблъскващи се хадрони (протони) и тежки йони. FCC-hh ще заработи през 2070-те години и ще работи до края на 21-ви век.
Защо е необходима FCC? Каква е целта ѝ?
Цялата наблюдаема вселена, включително цялата барионна обикновена материя, от която всички сме съставени, съставлява само 4.9% от масовото енергийно съдържание на Вселената. Невидимата тъмна материя съставлява цели 26.8% (докато останалите 68.3% от масовото енергийно съдържание на Вселената е тъмна енергия). Не е известно какво всъщност представлява тъмната материя. Стандартният модел (SM) на физиката на елементарните частици няма фундаментални частици със свойства, необходими за да бъде тъмна материя. Смята се, че може би „суперсиметрични частици“, които са партньори на частиците в Стандартния модел, създават тъмната материя. Или може би има паралелен свят на тъмната материя. WIMP (слабо взаимодействащи масивни частици), аксиони или стерилни неутрино са хипотетични частици „отвъд Стандартния модел“ (BSM), които са водещи кандидати. Все още обаче няма успех в откриването на такива частици. Има много други открити въпроси (като асиметрията материя-антиматерия, гравитацията, тъмната енергия, неутриномасата и др.), на които Стандартният модел не може да отговори. Също така, ролята на полето на Хигс в еволюцията на Вселената започна да се обсъжда след откриването на бозона на Хигс през 2012 г. от експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер (LHC).
Възможните отговори на горните отворени въпроси са отвъд Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Може да се наложи да се проучи съществуването на нови, по-леки частици, които взаимодействат много слабо с частиците от Стандартния модел. Това ще изисква голямо количество събиране на данни и много висока чувствителност към сигналите за производство на такива частици, което е в обхвата на първия етап на FCC, а именно FCC-ee (прецизно измерване). Също така е наложително да се проучи съществуването на нови, по-тежки частици, които ще изискват високоенергийни съоръжения. FCC-hh (висока енергия), вторият етап на FCC, има за цел да достигне енергии на сблъсък от 100 TeV (което е много по-високо от 13 TeV на LHC). Що се отнася до формата на електрон-позитронния (e+e-) колайдер от първия етап, кръглата форма е предпочитана (спрямо линейната), защото кръглата форма позволява по-висока светимост, до четири експеримента и предлага инфраструктурата за последващия високоенергиен адронен колайдер от втората фаза.
***
Литература:
- ЦЕРН. Прессъобщение – Съветът на ЦЕРН разглежда проучване за осъществимост на колайдер от следващо поколение. 10 ноември 2025 г. Достъпно на https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- ЦЕРН. Прессъобщение – ЦЕРН публикува доклад за осъществимостта на евентуален бъдещ кръгов колайдер. 31 март 2025 г. Достъпно на https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Проучването за осъществимост на бъдещия кръгов колайдер вече е финализирано https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Бъдещ кръгов колайдер https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: казусът от физиката. 27 март 2024 г. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
Още по темата:
- Ускорители на частици за изследване на „Много ранна вселена“: демонстриран мюонен ускорител (31 октомври 2024)
- CERN празнува 70 години научно пътуване във физиката (2 февруари 2024)
- От какво в крайна сметка сме съставени? Кои са фундаменталните градивни елементи на Вселената? (8 ноември 2021 г.)
***
Някои образователни видеоклипове за 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}