Hol lehet mozgatni az ütköző fizikáját a következő évtizedben? • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika, gyorsulás és felismerés technológiák, jövőbeli tervek, LHC

Hol lehet mozgatni az ütköző fizikáját a következő évtizedben?

Ábra. 1. Kilátás a völgyre a Jura hegyek és a francia Predalps között. gyűrűk körvonalazza a CERN-gyorsítók körvonalát. A legnagyobb ív – kivetített alagút FCC gyorsító. Fotó: tlep.web.cern.ch

Az elemi részecskék ütközőfizikája keresztirányban. A Large Hadron Collider 2037-ig dolgozik, de senki nem tudja garantálni, hogy megnyitja a régóta várt új fizikát. A következő főbb ütköző különböző projektjeit, amelyek felülmúlják az LHC-t az energiában vagy a látásban, már régóta megvitatásra kerültek, de nem világos előre, hogy melyiket preferálják. Ezenkívül hamarosan el kell fogadni egy, a részecskefizika 2020-2026-ra vonatkozó aktualizált európai stratégiáját, ami felgyorsítja a döntéshozatalt.

Collider dilemma

A tudományos közösség már régóta gondolkodik azon, hogy egy új nagy összeütköző néhány évtized alatt el fog jönni a nagyméretű hadronütköző helyettesítésére. Több lehetőség. Van egy ambiciózus projekt, amellyel egy új hadronütközőt építhetnénk meg 100 TeV ütközési energiával (lásd: A fizikusok megvitatják a 100 TeV ütköztető kilátásait), amelyet már az FCC (Future Circular Collider, 2. ábra) nevezett. Vannak más lehetőségek is, amelyeket sokkal szerényebb energiákra terveztek.Mivel Higgs gyáraként dolgozik, nagy mennyiségben képesek lesznek a Higgs bozont gyártani, és részletesen megismerni a tulajdonságait. Remélhetőleg a Higgs szektor ilyen ultra-precíz mérésein keresztül közvetve juthatunk az új fizikához.

Ábra. 2. A jövőbeli versenyző FCC általános terve. Az erőteljes szinkrotron sugárzás miatt alakja nem szigorúan kerek, hanem egy lekerekített sokszög, amelynek egyenes szakaszaiban 1,4 vagy 2,8 km hosszúságú érzékelők és szervizelemek találhatók. Ábra: M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018. bemutatója. Future Circular Collider Study: Státusz és tervek

A jövőbeli gyalogosok projektjei között sok különbség van. Tehát a Nemzetközi Lineáris Collider ILC esetében a technológiák már régóta készen vannak, az építési helyet (Japán) választották ki, és az egyetlen kérdés az, hogy Japán készen áll-e nagy pénzügyi hozzájárulásra a végrehajtásához. Az FCC 100-tee ütközőt egy új (még nem töltött) 97 km-es kör alakú alagútba kell helyezni a CERN közelében, de olyan technológiákra támaszkodik, amelyek nem léteznek addig, amíg azokat pár évtizedig fejleszteni kell.

Ezek a projektek különböznek tudományos potenciáljukban. És ha néhány évvel ezelőtt volt egy szabványos megfogalmazás"A Hadron Collider egy felfedező gép, és az elektron-pozitron a jó tanulmányozáshoz", most már a hozzáállás kezd változni. Az a tény, hogy a Large Hadron Collider már bizonyította, hogy a hadron gépeken, a "piszkos" proton ütközésekben is megfigyelhetünk olyan finom hatásokat, amelyek eredetileg reménytelennek számítottak. A Higgs bozon bomlási folyamatának példája bkvarkok. Ez a bomlás domináns, valószínűsége 58%. De az itteni idegen folyamatok háttere annyira nagy, hogy 10 évvel ezelőtt nagyon kevés ember remélte regisztrálását. Ha azonban a Higgs bozont nagy keresztirányú lendülettel születik, akkor a háttér élesen esik, majd a fizikusok szeme feltár valamit, ami korábban nem volt látható. 2017-ben az ATLAS Collaboration először jelentett beszámolókat a bomlásról, és ebben az évben végül megerősítette azt. Ez a példa illusztrálja azt az elképzelést, hogy még a vékony Higgs mérésekben is, a jövő 100-tev hadron-ütköző képes lesz meghaladni a lineáris elektron-pozitront.

Tehát melyik projektet választja? Ha a Large Hadron Collider egy új részecskét nyitott a Standard Modellen kívül, vagy megbízhatóan feltüntett néhány alapvetően új hatást, akkor tudnánk, hogyan építhetünk egy ütközőt ennek a jelenségnek a tanulmányozására. Könnyebb választás lenne.Most a fizikusok szinte vakon akarnak választani, megpróbálva megtalálni azt az opciót, amely optimális lenne az idő, a pénzügyi befektetések és a várható tudományos visszatérés szempontjából.

Rövid időre van szükség ahhoz, hogy legalábbis általánosságban eldönthessük, milyen szerepet játszik az ütköző jövőjével kapcsolatban, mivel a közelmúltban a részecskefizikai erőfeszítéseket a "Particle Physics" európai stratégiája (European Particle Physics Strategy, EPPS) koordinálja. Bár a CERN a kezdeményezés hajtóereje, a részecskefizikai erőfeszítések globális összehangolásáról szól. Az európai stratégiát először 2006-ban alakították ki, és az alulról felfelé építkező folyamat megtestesülése lett, amikor a részecskefizika teljes tudományos közössége meghatározta a következő évek prioritásait egy sor különleges eseményen keresztül. 2013-ban a stratégiát frissítették, és most a fizikai közösség felkészül a következő felülvizsgálatra (lásd a 2018-2020-as részecsketanikkal kapcsolatos európai stratégiát). Mielőtt elmondaná, hogy az új stratégia hatással lesz a kapcsolók prioritásaira, leírjuk e folyamat részleteit.

A részecskefizika európai stratégiája felé 2020-2026

Mivel a főbb részecskefizikai központok és az összes kulcsfontosságú ország részt vesz a stratégia elfogadásában, elkerülhetetlenül nehéz lesz kezelni éstúlságosan bürokratikus. A bizottságok összetett hálózatának egyértelművé tétele érdekében röviden vázoljuk fel, hogy mi fog történni a következő két évben (3.

Ábra. 3. Munkaterv a részecskefizika frissített európai stratégiájához. Ábra a 2020-as európai részecskefizika stratégiai frissítés bemutatásából

2017. szeptemberében a CERN-Tanács 186. ülésszakán létrehozták az Európai Stratégiai Csoport (ESG) titkárságát – egy új testület, amely összehangolja az aktualizált európai stratégia kidolgozásának folyamatát. Az Európai Stratégiai Csoport legfontosabb feladata egy végleges programterv kidolgozása, és megfontolás tárgyává tétele a CERN-nek. A CERN-Tanácsnak 2020 májusában el kell fogadnia, majd az elkövetkező hat évben mindent megtesz annak végrehajtása érdekében. A CERN főigazgatója (ma Fabiola Janotti) személyesen felelős a stratégia végrehajtásáért.

Bár az ESG stratégiai csoportja igen jól ismert fizikusokból és a nagy szervezetek képviselőiből áll, természetesen nem döntik el egyedül, hogy milyen részecskefizika fog 2020-2026-ban megtörténni. Az ESG-csoport csak azt a konszenzust rendszerezi, amelyhez a tudományos közösségnek jönnie kell.E célból 2018 márciusában a titkárság felkérést nyújtott be a világ összes olyan egyetemére, kutatóintézetére és laboratóriumára, amelynek munkája a részecskefizikához kapcsolódik, hogy felkészítse és elküldi a tájékozott javaslatokat arra vonatkozóan, hogy a FEC-nek ebben az időszakban hogyan kell mennie. Egy másik bizottság, a fizikai előkészítő csoport (PPG), amely részben átfedi az ESG-t, elfogadja és elemzi a javaslatokat (lásd a bizottságok összetételét).

A pályázatok benyújtásának határideje 2018. december 18. Négy hónappal azelőtt, tehát ez a kulcsfontosságú dátum most iránymutatássá válik számos, a részecskefizika nagymértékű kísérleteire vonatkozó adminisztratív és még politikai folyamatokban. A CERN-Tanács honlapján októbertől kezdődően javaslatokat lehet benyújtani. A javaslatokat már az egyes laboratóriumokból, az egész országból, vagy akár az egyes részek képviselőiből állítják elő az elemi részecskefizikában.

A frissített program kidolgozásának folyamata a CERN-Tanács rendszeres ülésén, 2018. szeptember 27-én indul, és első szakasza fél évig tart. 2019 májusában a PPG megszervezi a nyílt szimpóziumot, ahol bemutatják e folyamat időközi eredményeit.A szimpózium munkáját követően a PPG tudományos beszámolót készít "Briefing book" címmel, amely az ESG alapját képezi majd a végleges stratégia elkészítéséhez (2013-ban, a stratégia utolsó frissítésekor hasonló 220 oldalas dokumentum készült, lásd még az eredeti fordítás orosz fordítását is 2006. dokumentum). A jövőbeni gyorsítók európai bizottsága (ECFA) szintén hozzájárul ehhez a folyamathoz; 2019. július 14-én kerül bemutatásra az EPS HEP részecskefizika következő legnagyobb konferenciáján. Ezt követi majd egy hat hónapos munka, és 2020. január 20-24-én az ESG-csoport összegzi a végeredményt, és kidolgozza a részecskekritika európai stratégiáját. Márciusban bemutatásra kerül a CERN-Tanácsnak, amely várhatóan 2020 májusában kapja meg.

ILC perspektívák

Az ILC International Linear Colliderrel való szituáció már régóta átkerült a tudományos síkon a pénzügyi oldalra. Most már több éve mindent csak a részt vevő országok kormányainak – és mindenekelőtt Japánnak, amelynek területén az összeállító fog épülni – korlátozza, hogy milliárd dollárokat fektessen be a megvalósításba. Ha az LHC egyértelmű bizonyítékot talált az új fizikára vonatkozóan, nem lenne akadály – pl+eEgy 500 GeV ütközési energiával rendelkező ütköző zöld fényt kapna. A jelenlegi helyzetben csak a Higgs bozon szolgálhat az ILC egyetlen garantált célpontjaként. Sokkal mérsékeltebb ütközéses energia, 250 GeV, elegendő ahhoz, hogy megvizsgálja azt, ami csak valamivel magasabb, mint az előző században a CER-collider LEP energiája.

A helyzet leküzdésére 2017 végén több opciót javasoltak az ILC-ütköző szakaszos megépítéséhez (4. Ábra), és a Higgs gyári fázisból indulva, 250 GeV ütközési energiával. Minimális esetben az ütköző költsége 40% -kal csökken. Az ilyen könnyű ütköző tudományos programjának változásait a kísérő jelentésben ismertetjük. 2017 novemberében a Nemzetközi Jövőbeni Gyorsító Bizottság (ICFA) nyilatkozatot adott ki a projekt teljes támogatásáról.

Ábra. 4. A lineáris ütköző ILC végrehajtásának lehetőségei. top: kezdeti projekt 500 GeV ütközési energiával, középen: a legkisebb hasznos opció 250 GeV energiával, alsó: közbenső opciók. Ábra L. Evans, S. Michizono, 2017. A Nemzetközi Linear Collider Machine Stage Report 2017

Vajon ez a javaslat befolyásolja-e a japán kormány álláspontját, vagy sem?de a japán felekkel folytatott tárgyalások folyamata a világ vezető laboratóriumai, a japán információs kampány, valamint a japán kormány folyamatai bátorítóak. Az ICFA képviselője az ICHEP 2018 konferencián közzétett jelentése szerint a japán kormány ígéri, hogy befejezi az ILC projekt felülvizsgálatát, és végleges döntést hoz a 2018. december 18-a előtt. Az ILC létrehozásának vagy elhagyásának megkezdése a 2020-2026-ra vonatkozó aktualizált európai stratégia egyik kulcsfontosságú pontja, és ezt a kérdést hamarosan meg kell oldani.

FCC kilátások

Ha az ILC esetében kritikus döntést kell hozni az elkövetkező hónapokban, akkor egy jövőbeni FCC-ütköző esetén a helyzet teljesen más. A projekt munkája csak néhány évvel ezelőtt kezdődött, és eddig csak az új ütköző tudományos lehetőségeinek felülvizsgálata állt elő (arXiv: 1710.06353). A szakértők még nem készítenek részletes technikai projektet az ütközőről és detektorokról, és felvázolják, hogy milyen technológiákat kell fejleszteni és megvalósítani a következő néhány évtizedben. Mindezek a kérdések intenzív munkát végeznek, de ebben az évben nem várnak kritikus döntéseket. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az FCC közössége nyugodt módban dolgozik.2019 márciusáig tervezik előkészíteni az első nagyméretű műszaki dokumentumot – az ütköző teljes tervét (Conceptual Design Report, CDR), és annak rövid verzióját 2018 novemberében kiadják az aktualizált európai stratégiára vonatkozó javaslatok határidejéig. Ez a projekt lesz az alapja annak, hogy részletesebb munkát tervezzen a projekt valamennyi technikai vonatkozásában.

Ha megnézzük a következő három évtized várható munkatervét (5. Ábra), láthatjuk, hogy a részecskefizika európai stratégiájának előkészítése, amely nem lesz legközelebb, de amely 2026-ban lép életbe, a legfontosabb. Addig a szakértők gondosan elkészítik a végső műszaki tervet (Technical Design Report, TDR), és továbbra is dolgoznak 16 Tesla szupravezető mágnes prototípusán. Amint az 1. ábrából látható. 5, ennek a technológiának a kifejlesztése és végrehajtása a legegyszerûbb szakasz az ütközés végrehajtásában. A technikusok a jelenlegi fejleményeket extrapolálva várják el az első teljes méretű prototípus mágnesek gyártását a 2030 körül, és a 2040-es évek elején befejezik tömegtermelésüket.

Ábra. 5. Az FCC munkatervének lehetőségei a következő 25 évben. Ábra M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018 bemutatásából.Future Circular Collider Study: Státusz és tervek

Az erős mágnesek gyártása mellett a szakembereknek egy másik technikai problémát is meg kell oldaniuk: hogyan védjük meg az ütközőt a protonsugár erőteljes szinkrotron sugárzásától. Általában a szinkrotron sugárzás problémát jelent az elektron-pozitron ciklikus gyűrűkben, és a nagy tömegük miatt a protonok kevéssé tanulmányozottak. Még az LHC csúcs teljesítményénél is a keringő sugár néhány kilowattot bocsát ki. Ezt a sugárzást a 27 kilométeres vákuumkamra falai abszorbeálják, és a hőt a kriogén rendszer biztonságosan eltávolítja. Az FCC-nál a szinkrotron sugárzási teljesítmény majdnem ezer alkalommal nő, több megawattot elérve. Ez soha nem látott hőterhelést eredményez a vákuumkamrában, és a modern kriogén nem fog megbirkózni ezzel a helyzetgel. Szerencsére a szinkrotron sugárzás a gyűrű síkjában helyezkedik el, és a gyorsítók remélik, hogy megoldják ezt a problémát a vákuumkamra összetett szerkezete és különleges hőpajzsok segítségével (6.

Ábra. 6. Az FCC-vákuumos kamrában lévő vákuumkamra belső szerkezete optimalizálható az erős szinkrotron sugárzás biztonságos eltávolításáért a protonnyalábból és az elektronfelhők elnyomásáért. Ábra M. Benedikt, F. bemutatójábólZimmermann, 2018. Future Circular Collider Study: Státusz és tervek

Ugyanaz a szinkrotron sugárzás miatt a gyorsítógyűrű általános alakja nem kör, hanem kerek sokszög (2. A sugárzás a kerekeken történik, amikor a gerendát forgatják, és egyenes szakaszokban – relatív biztonságban – detektorok, gyorsító rész, kollimátorok, gerenda dump rendszerek kerülnek telepítésre.

Ha 2026-ban a tudományos közösség és mindenekelőtt a CERN készen áll arra, hogy megkezdje az FCC építését, akkor majdnem azonnal meg kell kezdeni egy új 97 kilométeres alagút átadását. A CERN átmegy, de pontos helyét még nem határozták meg. Geológiai tanulmányokat már elvégeztünk, de az új gyűrű pályája attól is függ, hogy az aktuális gyorsítók közül melyik fog működni az FCC befecskendezőjeként: az LHC vagy a frissített SPS gyorsító (7.

Ábra. 7. Lehetőségek az LHC vagy az SPS injekciós alkalmazására az FCC injektoraként. Ábra: D. Shulte, 2018. bemutatása. FCC-hh koncepcionális géptervezés: CDR státusz

Várható, hogy 2026-ig eldönti, hogy a 2030-2050 közötti három út közül melyik. A lehetőségek a következők:

  • FCC-hh: azonnal hajtson a 100-tev proton-ütközőre FCC-hh-ra. Ez a legambiciózusabb projekt, de a legnehezebb megvalósítani.Még akkor is, ha minden döntés időben történik, és nincsenek pénzügyi és politikai akadályok, legfeljebb 2043-ban kereshet.
  • FCC-ee: telepítse az új alagútba egy elektron-pozitron ütközőt 250-360 GeV energiával, hogy tanulmányozza a Higgs bozont és a felső kvarkokat. Költsége kevesebb lehet, de a fizikai feladatok sokkal szerényebb tartománya lesz. Ez az ütköző 2039-ben fog működni. Mindenesetre az FCC-ee opciót csak egy gazdaságosabb közbenső időszaknak tekinti 15 év, mielőtt egy 100 TeV hadron ütközőre költözött volna.
  • HE-LHC, Az LHC 27 TeV megnövelt energiájában. Feltételezzük, hogy a 2034-es Run 5. munkamenet végén az új 16 Tesla mágnesek beépülnek a meglévő LHC gyűrűbe. Annak ellenére, hogy az alagút régi, valójában egy új ütköző építése lesz. Nem kevesebbet keres, mint 2040-ben.

Melyik lehetőség lenne előnyös az LHC eredményétől függ. Ha a Run 3-as munkamenet befejezése után kiderül, hogy a B mezonok bomlásában az új fizikában meglévő utalások erősebbek, ez erős érv lesz a közbülső opció – vagy az FCC-ee vagy a HE-LHC javára.Ha 2026-ig nem jelent meg jelentős fizikai jelek az új fizikáról, a fizikusok valószínűleg szisztematikusan felkészülnek egy új gázpedálra, azonnal 100 TeV-vel.

Az FCC költségét illetően bármelyik ilyen opció esetében még nincs pontos becslés (egy éven belül megjelenik a CDR befejezése után), de nyilvánvaló, hogy ez körülbelül 10 milliárd eurót tesz ki. A költségek elsősorban a CERN-en, és ezen keresztül a résztvevő országokra esnek. A megfigyelő országok, különösen az USA és Oroszország, szintén hozzájárulnak anyagok és berendezések formájában. Az FCC finanszírozásának kérdésében ebben a pillanatban kíváncsiak. A CERN jelenlegi költségvetésének több mint 70% -a (évente körülbelül 1 milliárd euró) az LHC működtetésének költsége. Világos, hogy ezek a költségek nem megyek sehova. Ezért csak akkor lehet megkezdeni a CERN FCC építését, ha az európai bankok jelentős kölcsönöket vesz igénybe mintegy 30-40 évre. Nem ez az első alkalom, hogy ilyen igény merült fel, és itt nincsenek jelentős problémák, de a tervezési lépték nagyon lenyűgöző.

Végül lehetetlenné válik egy ilyen él kérdés. Ha a 2026-os döntés meghozatala után kiderül, hogy az LHC nem fedezett fel új fizikát, akkor a következő óriási projekt, mint az FCC, nem lenne szükségtelen pénzpazarlás? Senki sem vitatja, hogy az alapvető tudomány és különösen az elemi részecskefizika szükséges.De talán kisebb kísérletekre összpontosítva? Például ugyanabban a B-gyárakban, alaposan tanulmányozva a B-mezonok bomlását – valójában ott van a legerősebb eltérés a SM előrejelzéseitől. Vagy még a részecskefizika más, nem összefűző megközelítéseit is kifejleszteni. Végül ugyanabban a CERN-ben létezik a Physics Beyond Colliders kezdeményezés. Vagy talán jobb lenne várni a HL-LHC munkájának befejezéséig, megnézni az elért eredményeket, és a 2040-es területen eldönteni, hová menjen tovább?

A CERN által adott válasz, amelyet a fizikusok jelentős része oszt meg: nem, nem jobb. Két ok van, tudományos és mérnöki. A belátható jövőben nincs olyan alternatíva, amely a mikrovilág megértését a ambiciózus 100 TeV-ütközőig terjedhet. Még ha a B-gyárak teljes meggyőződéssel bizonyítják, hogy igen, a bomlások eltérése feltétel nélküli utalás az új fizikára, nem leszünk képesek nyugodni, amíg közvetlenül nem nyitjuk meg! Ha egy fémdetektorral végzett hosszú keresés után megtalálta a kincset a földbe temették, akkor nem fogja úgy gondolni, hogy a tett megtörtént, amíg meg nem találta. Tehát itt van: egy lépéssel a természet titkainak közvetlen felfedésével, a fizikusok nem fognak megállni.

A második ok a technikai tudás és készségek folyamatos átadásának szükségessége. A globális ütköző projekt 20-30 évre történő visszautasítása megszakítja ezt a láncot. Ha a gyorsító fizikusok új generációját nem képzik arra, hogy globális mérnöki célokat állítsanak fel és érjenek el, akkor ezt a képességet nagyon nehéz visszaállítani önmagukban. Például már most, az FCC projekt keretében iskolák, tréningek és egyéb események oktatási hálózata indult az egyetemi és a posztgraduális hallgatók számára, akik szupravezetésre és erőteljes mágneses mezőkre szakosodtak. Az FCC előtt nem tudjuk megoldani a feladatokat, mert ehhez szükségünk van új emberekre, új ötletekre és fejlesztésekre. De 20 év elteltével, amikor a technológiát fejlesztik, nemcsak új gyorsítók fognak létrehozni, hanem számos más high-tech alkalmazás is. És ez egy oldal, de nem kevésbé fontos közhasznú a grandiózus tudományos projekteknél.

forrás:
1) Az FCC Week 2018 konferencia folyóiratai, 2018. április 9-13
2) M. Mangano. FCC jelentés az 5. Koreai Future Collider Study Group Találkozón, 2018. április 20
3) H. Abramovicz. Az európai részecskefizika stratégia frissítése 2020 – 2017. december 14-i jelentés

Lásd még:
Az európai részleges részleges fizika stratégia felé: rövid áttekintés, 2006. évi változat.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: