Hvor skal man flytte collider fysik i det næste årti? • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, acceleration og detektionsteknologier, fremtidige planer, LHC

Hvor skal man flytte collider fysik i det næste årti?

Fig. 1. Udsigt over dalen mellem Jura bjergene og de franske Predalps. ringe skitserer konturerne for CERN acceleratorer. Største bue – Projiceret tunnel FCC accelerator. Foto fra tlep.web.cern.ch

Collider fysik af elementære partikler ved en korsvej. Large Hadron Collider vil fungere indtil 2037, men ingen kan garantere at den åbner den efterlængte New Physics. Forskellige projekter fra den næste større collider, som kan overgå LHC i energi eller i vision, er længe blevet diskuteret, men det er ikke klart på forhånd, hvilken af ​​dem der foretrækker. Derudover bør der vedtages en opdateret europæisk strategi for partikelfysik for 2020-2026, hvilket yderligere accelererer beslutningstagningen.

Collider dilemma

Det videnskabelige samfund har længe tænkt på, hvad en ny stor collider vil komme om et par årtier for at erstatte Large Hadron Collider. Flere muligheder. Der er et ambitiøst projekt om at bygge fra bunden en ny Hadron Collider med en kollisionsenergi på 100 TeV (se: Fysikere diskuterer udsigterne for en 100 TeV-collider), som allerede er blevet kaldt FCC (Future Circular Collider, Fig. 2). Der er andre muligheder designet til meget mere beskedne energier.Arbejder som Higgs fabrikker, vil de være i stand til at producere Higgs boson i store mængder og studere sine egenskaber i detaljer. Det er håbet at gennem sådanne ultra-præcise målinger af Higgs-sektoren kan vi indirekte komme til New Physics.

Fig. 2. Den generelle ordning for den fremtidige collider FCC. På grund af den kraftige synkrotronstråling er dens form ikke strengt rund, men er en afrundet polygon, i lige sektioner med en længde på 1,4 eller 2,8 km er der lokaliserede detektorer og serviceelementer. Figur fra præsentationen af ​​M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018. Fremtidig cirkulær colliderundersøgelse: Status og planer

Projekter af fremtidige collider har mange forskelle. Så for International Linear Collider ILC har teknologierne længe været klar, byggepladsen (Japan) er valgt, og det eneste spørgsmål er, om Japan er klar til at yde et stort økonomisk bidrag til implementeringen. FCC 100-tes collider er planlagt til at blive placeret i en ny (endnu ikke nedgravet) 97 kilometer lang cirkel tunnel nær CERN, men den er afhængig af teknologier, der ikke eksisterer, før de skal udvikles i et par årtier.

Disse projekter varierer i deres videnskabelige potentiale. Og for nogle få år siden var der en standard formulering"Hadron Collider er en maskine til opdagelse, og elektron-positronen er til fint studie", nu er holdningen begyndt at ændre sig. Faktum er, at Large Hadron Collider allerede har bevist, at på Hadron-maskiner, i "beskidte" protonkollisioner, kan man også studere subtile effekter, som oprindeligt blev betragtet som håbløs. Eksemplet på Higgs bosonens forfald på bkvarker. Dette henfald er dominerende, sandsynligheden er 58%. Men baggrunden for fremmede processer her er så stor, at for få år siden håbede meget få mennesker på sin registrering. Men hvis Higgs boson er født med en stor tværgående momentum, falder baggrunden kraftigt, og så viser fysikernes blik noget, der ikke var synligt før. I 2017 rapporterede ATLAS Collaboration for første gang om hints om dette henfald, og i år har det endelig bekræftet det. Dette eksempel illustrerer ideen om, at selv i nogle tynde Higgs målinger vil den fremtidige 100-tev hadron collider kunne overgå den lineære elektron-positron.

Så hvilket projekt skal du vælge? Hvis Large Hadron Collider åbnet en ny partikel uden for standardmodellen eller pålideligt angav en grundlæggende ny effekt, ville vi vide, hvordan man bygger en collider for at studere dette fænomen. Det ville være et sikret valg.Nu er fysikere tvunget til at foretage et valg næsten blindt og forsøger at finde en mulighed, der ville være optimal med hensyn til tid, finansielle investeringer og det forventede videnskabelige afkast.

Behovet for kort tid til at bestemme, i det mindste generelt set med collider-fremtiden, er også forbundet med den kendsgerning, at indsatsen inden for elementærfysik er koordineret af den europæiske strategi for partikelfysik (EPPS). Selv om CERN er drivkraften bag dette initiativ, drejer det sig om den globale koordinering af indsatsen i elementær partikelfysik. For første gang blev den europæiske strategi formuleret i 2006 og blev udformningen af ​​bottom-up-processen, da hele det videnskabelige samfund i partikelfysik fastlagde prioriteter for de kommende år gennem en række særlige begivenheder. I 2013 blev strategien opdateret, og nu forbereder det fysiske samfund sig på sin næste gennemgang (se europæisk strategi for partikelfysikopdatering 2018-2020). Før vi fortæller hvordan den nye strategi vil påvirke colliderprioriteringerne, beskriver vi detaljerne i denne proces.

Mod en europæisk strategi for partikelfysik i 2020-2026

Da alle større partikelfysikcentre og alle nøglelande er involveret i strategiprocessen, bliver det uundgåeligt svært at håndtere ogalt for bureaukratisk. For at skabe klarhed om komplekse sammensmeltning af udvalgene beskriver vi kortfattet, hvad der vil ske i de næste to år (figur 3).

Fig. 3. Arbejdsplan for en opdateret europæisk strategi inden for partikelfysik. Figur fra præsentationen af ​​The European Particle Physics Strategy Update 2020

I september 2017 blev CERN-rådets 186. samling oprettet sekretariatet for Den Europæiske Strategiske Gruppe (ESG) – et nyt organ til at koordinere processen med at forberede den opdaterede europæiske strategi. Den europæiske strategiske gruppes hovedopgave er at udarbejde en endelig programplan og forelægge den til behandling for CERN. CERN-rådet skal acceptere det i maj 2020 og derefter i de næste seks år gøre alt for at gennemføre den. CERNs generaldirektør (nu Fabiola Janotti) anses for personligt ansvarlig for gennemførelsen af ​​strategien.

Selv om ESG's strategiske gruppe består af meget kendte fysikere og repræsentanter for de største organisationer, vil de selvfølgelig ikke selv bestemme, hvad partikelfysikken vil tage i 2020-2026. ESG-gruppen systematiserer kun den konsensus, som det videnskabelige fællesskab skal komme til.Til dette formål fremsatte sekretariatet i marts 2018 en appel til alle universiteter, forskningsinstitutter og laboratorier i verden, hvis arbejde er relateret til partikelfysik, for at forberede og sende deres informerede forslag om, hvor FEC skal gå i denne periode. Et andet udvalg, Fysikforberedende Gruppe (PPG), der delvis overlapper ESG, vil acceptere og analysere forslag (se udvalgets detaljerede sammensætning).

Fristen for indsendelse af forslag er 18. december 2018. Det er fire måneder før det, så denne nøgledato er nu ved at blive en retningslinje for mange administrative og endda politiske processer vedrørende fremtidige større eksperimenter i partikelfysik. Det vil være muligt at indsende forslag på CERN Rådets hjemmeside, der starter i oktober. Forslag er allerede ved at blive udarbejdet fra individuelle laboratorier, fra hele lande eller endog fra repræsentanter for enkelte sektioner i elementær partikelfysik.

Processen med at arbejde på det opdaterede program vil blive lanceret på CERN Rådets faste møde den 27. september 2018, og dets første fase vil vare et halvt år. I maj 2019 arrangerer PPG et åbent symposium, hvor foreløbige resultater af denne proces vil blive præsenteret.Efter symposiets arbejde udarbejder PPG en videnskabelig rapport "Briefing Book", som skal danne grundlag for ESG til at udarbejde den endelige strategi (i 2013 blev der i den seneste opdatering af strategien udarbejdet et lignende 220-siders dokument, se også den russiske oversættelse af originalen dokument 2006.). Den Europæiske Komité for Fremtidige Acceleratorer (ECFA) vil også bidrage til denne proces; Den vil blive præsenteret den 14. juli 2019 på den næststørste konference om partikelfysik EPS HEP. Dette vil blive fulgt op af yderligere seks måneders arbejde, og den 20. januar – 20. Januar 2020 vil ESG-gruppen opsummere det endelige resultat og udarbejde en plan for den europæiske strategi inden for partikelfysik. I marts vil han blive præsenteret for CERN Council, som forventes at modtage ham i maj 2020.

ILC perspektiver

Situationen med ILC International Linear Collider er længe blevet overført fra det videnskabelige plan til det økonomiske. I flere år har alt kun været begrænset af vilje fra de deltagende landes regeringer – og frem for alt Japan, på hvis territorium colliderne skal bygges – for at investere milliarder dollars i gennemførelsen. Hvis LHC fandt tydelige beviser for New Physics, ville der ikke være nogen hindringer – e+eEn collider med en kollisionsenergi på 500 GeV ville have fået et grønt lys. I den nuværende situation kan kun Higgs boson tjene som det eneste garanterede "mål" for ILC. En meget mere beskeden kollisionsenergi, 250 GeV, er tilstrækkelig til at studere den, hvilket kun er lidt højere end CER-collider LEP's energi fra det foregående århundrede.

For at bevæge situationen væk fra jorden, blev der i slutningen af ​​2017 foreslået flere muligheder for den fasede konstruktion af ILC-collideren (figur 4), og den starter fra "Higgs Factory" -fasen med en kollisionsenergi på 250 GeV. I det mindste tilfælde reduceres omkostningerne til collider med 40%. Ændringer i det videnskabelige program af en sådan lette collider er beskrevet i den tilhørende rapport. I november 2017 udstedte Den Internationale Komité for Fremtidige Acceleratorer ICFA en erklæring om fuld støtte til dette projekt.

Fig. 4. Alternativer til implementering af den lineære collider ILC. top: første projekt med en kollisionsenergi på 500 GeV, i midten: den mindste anvendelige mulighed med en energi på 250 GeV, bund: mellemliggende muligheder. Billede fra artiklen L. Evans, S. Michizono, 2017. Den internationale Linear Collider Machine Staging Report 2017

Har dette forslag påvirket den japanske regerings stilling eller ej?men forløbet af forhandlingerne om den japanske side med verdens førende laboratorier, informationskampagnen i Japan selv og processerne i den japanske regering er opmuntrende. I rapporten fra ICFA-repræsentanten på konferencen ICHEP 2018 hedder det, at den japanske regering lover at gennemføre revisionen af ​​ILC-projektet og træffe en endelig beslutning inden den 18. december 2018. At starte opførelsen af ​​ILC eller opgive det vil være et af hovedpunkterne i den opdaterede europæiske strategi i 2020-2026, og dette problem skal løses snart.

FCC udsigter

Hvis der i tilfælde af ILC skal foretages en kritisk beslutning i de kommende måneder, er situationen for den fremtidige FCC-collider helt anderledes. Arbejdet med projektet begyndte kun for få år siden, og hidtil er kun en gennemgang af den nye collideres videnskabelige kapacitet klar (ArXiv: 1710.06353). Eksperter har endnu ikke udarbejdet et detaljeret teknisk projekt af collider og detektorer og skitserer hvilke teknologier der skal udvikles og implementeres i de næste par årtier. Alle disse problemer er under intensivt arbejde, men der forventes ingen kritiske beslutninger i år. Dette betyder dog ikke, at FCC-fællesskabet arbejder i en afslappet tilstand.I marts 2019 planlægges det at udarbejde det første store tekniske dokument – det samlede projekt af collider (Conceptual Design Report, CDR) og den korte version vil blive offentliggjort i november 2018 inden fristen for forslag til en opdateret europæisk strategi. Dette projekt vil danne grundlag for planlægning af mere detaljeret arbejde på alle tekniske aspekter af projektet.

Hvis du kigger på den forventede arbejdsplan i de næste tre årtier (figur 5), kan du se, at forberedelsen af ​​den europæiske strategi for partikelfysik, som ikke finder sted næste, men som træder i kraft i 2026, bliver det centrale punkt. Indtil da vil specialister forsigtigt forberede det endelige tekniske design (Technical Design Report, TDR) og fortsætte med at arbejde på prototyper af 16 Tesla superledende magneter. Som det fremgår af fig. 5, udvikling og implementering af denne teknologi er det sværeste stadium i implementeringen af ​​collider. Ekstrapolerer det nuværende fremskridt, at teknikerne forventer at begynde at producere de første fuldstørrelses prototype magneter i bedste fald omkring 2030 og færdiggøre deres masseproduktion i begyndelsen af ​​2040'erne.

Fig. 5. Valg til en arbejdsplan for FCC i de næste 25 år. Figur fra præsentationen af ​​M. Benedikt, F. Zimmermann, 2018.Fremtidige cirkulære colliderundersøgelse: Status og planer

Udover fremstilling af stærke magneter skal specialister løse et andet teknisk problem: hvordan man beskytter collideren fra protonstrålens kraftige synkrotronstråling. Normalt betragtes synkrotronstråling som et problem for elektron-positron-cykliske collider, og protoner er på grund af deres store masse små undersøgt. Selv ved LHC ved højeste ydeevne udsender den cirkulerende stråle et par kilowatt. Denne stråling absorberes af væggene i det 27 km lange vakuumkammer, og varmen fjernes sikkert af det kryogene system. På FCC vil synkrotronstrømmen øges næsten tusind gange og nå op til flere megawatt. Dette vil skabe en hidtil uset varmelast på vakuumkammeret, og moderne kryogenikere vil ikke klare denne situation. Heldigvis er synkrotronstråling lokaliseret i ringplanet, og acceleratorer håber at overvinde dette problem ved hjælp af den komplekse struktur af vakuumkammeret og specielle varmeskærme (figur 6).

Fig. 6. Den interne struktur af vakuumkammeret i FCC-collideren vil blive optimeret til sikker fjernelse af kraftig synkrotronstråling fra protonstrålen og til undertrykning af elektronmoln. Figur fra præsentationen af ​​M. Benedikt, F.Zimmermann, 2018. Fremtidige cirkulære colliderundersøgelse: Status og planer

På grund af den samme synkrotronstråling vil den samlede form af acceleratorringen ikke være en cirkel, men en afrundet polygon (figur 2). Stråling vil blive udsendt på afrundinger, når strålen roteres, og i lige sektioner – i relative sikkerhedsdetektorer, vil der blive installeret en accelerator sektion, kollimatorer, stråledumpningssystemer.

Hvis det videnskabelige samfund og først og fremmest CERN vil være klar til at begynde at bygge FCC i 2026, så er det nødvendigt at starte en ny 97 kilometer tunnel næsten umiddelbart. Den vil passere gennem CERN, men dens nøjagtige placering er endnu ikke blevet bestemt. Geologiske undersøgelser er allerede gennemført, men banebrydelserne for den nye ring afhænger også af hvilken af ​​de nuværende acceleratorer der vil fungere som en injektor til FCC: LHC eller en opdateret SPS accelerator (figur 7).

Fig. 7. Valg til brug af LHC eller SPS som en injektor til FCC. Figur fra præsentationen af ​​D. Shulte, 2018. FCC-hh konceptuelt maskindesign: CDR-status

Det forventes, at i 2026 vil det også blive besluttet, hvilken af ​​de tre stier der skal tages i 2030-2050'erne. Indstillingerne er som følger:

  • FCC-hh: satse på 100-tev proton collider FCC-hh med det samme. Dette er det mest ambitiøse projekt, men også det sværeste at gennemføre.Selvom alle beslutninger træffes i tide og der ikke er økonomiske og politiske hindringer, kan han tjene ikke tidligere end 2043.
  • FCC-ee: Installer i den nye tunnel en elektron-positron-kollider med en energi på 250-360 GeV for at studere Higgs boson og top quarks. Hans omkostninger skal være mindre, men han vil have et langt mere beskedent udvalg af fysiske opgaver. Denne collider vil kunne begynde at arbejde i 2039. Under alle omstændigheder betragtes FCC-ee-optionen udelukkende som en mere økonomisk mellemliggende periode på 15 år, før den flyttes til en 100 TeV Hadron Collider.
  • HE-LHC, LHC ved en øget energi på 27 TeV. Det antages, at i slutningen af ​​Run 5-sessionen i 2034 vil de nye 16 Tesla magneter blive installeret i den eksisterende LHC-ring. På trods af at tunnelen er gammel, vil det faktisk være opførelsen af ​​en ny collider. Han tjener ikke tidligere end 2040.

Hvilken mulighed ville være at foretrække vil afhænge af resultaterne af LHC. Hvis det ved slutningen af ​​Run 3-sessionen viser sig, at de eksisterende tips på New Physics i decays af B mesons er stærkere, vil dette være et stærkt argument til fordel for den mellemliggende løsning – enten FCC-ee eller HE-LHC.Hvis der i 2026 ikke er sket nogen signifikante tegn på ny fysik, vil fysikerne højst sandsynligt systematisk forberede sig til en ny accelerator sprøjte, straks med 100 TeV.

Hvad angår omkostningerne ved FCC i en af ​​disse muligheder, er der ikke noget nøjagtigt skøn (det vises inden for et år efter færdiggørelsen af ​​CDR), men det er klart, at dette koster omkring 10 milliarder euro. Omkostningerne vil primært henføres til CERN og dermed gennem de deltagende lande. Observatørlandene, især USA og Rusland, vil også bidrage i form af materialer og udstyr. På spørgsmålet om finansiering er FCC nysgerrig om dette øjeblik. Mere end 70% af CERNs nuværende budget (ca. 1 mia. EUR om året) er omkostningerne ved driften af ​​LHC. Det er klart, at disse omkostninger ikke vil gå overalt. Derfor vil den kun kunne begynde at opbygge CERN FCC ved at tage et betydeligt lån fra europæiske banker i en periode på ca. 30-40 år. Dette er ikke første gang, der er opstået et sådant behov, og der er ikke nogen betydelige problemer planlagt her, men omfanget af planlægningen er imponerende.

Endelig er det umuligt at omgå et sådant kantspørgsmål. Hvis det på tidspunktet for afgørelsen i 2026 viser sig, at LHC ikke har opdaget nogen ny fysik, vil ikke det næste kolossale projekt som FCC være et unødvendigt spild af penge? Ingen argumenterer for, at grundlæggende videnskab og især elementær partikelfysik er nødvendig.Men måske med at fokusere på mindre eksperimenter? For eksempel i de samme B-fabrikker, studerer forsigtigt B-mesons forfald – i virkeligheden er det i dem, at de stærkeste afvigelser fra SM-forudsigelserne findes. Eller endda udvikle andre, ikke-colliderede tilgange til partikelfysik. Til sidst er der på samme CERN initiativet Fysik Beyond Colliders. Eller måske er det bedre at vente til slutningen af ​​HL-LHC's arbejde, se på resultaterne, og i 2040-området beslutter, hvor skal man gå hen?

Svaret, som CERN giver, og som deles af en betydelig del af fysikere: nej, ikke bedre. Der er to grunde, videnskab og teknik. I en overskuelig fremtid kan der ikke ses noget alternativ, der kan skubbe vores forståelse af microworlden så langt som den ambitiøse 100 TeV-collider. Selvom B-fabrikker bevises med fuldstændig overbevisning om at ja, afvigelser i henfald er en ubetinget henvisning til den nye fysik, vil vi ikke kunne roe os, før vi åbner den direkte! Hvis du efter en lang søgning med en metaldetektor har fundet en skat begravet i jorden, så vil du ikke overveje at gerningen er færdig, før du har gennemset den. Så det er her: at være et skridt væk fra den direkte offentliggørelse af naturens hemmeligheder, vil fysikere ikke stoppe.

Den anden grund er behovet for løbende at overføre teknisk viden og færdigheder. Afvisning af det globale colliderprojekt i 20-30 år vil bryde denne kæde. Hvis en ny generation af acceleratorfysikere ikke er uddannet til at sætte og nå globale tekniske mål, vil denne færdighed være meget svært at genoprette alene. For eksempel er allerede inden for rammerne af FCC-projektet lanceret et pædagogisk netværk af skoler, træninger og andre arrangementer for bachelor- og kandidatstuderende med speciale i superledende og magtfulde magnetfelter. Vi kan ikke løse de opgaver, der er fastsat før FCC lige nu, for det har vi brug for nye mennesker, nye ideer og udviklinger. Men efter 20 år, når teknologien vil blive udviklet, vil ikke kun nye acceleratorer blive skabt på basis af det, men også en række andre højteknologiske applikationer. Og det er en side, men ikke mindre vigtig offentlig gavn af de ambitiøse videnskabelige projekter.

kilder:
1) Proceedings af FCC Week 2018 konferencen, april 9-13, 2018
2) M. Mangano. FCC-rapport ved 5. samarbejdsgruppemøde i 5. Korea, den 20. april 2018
3) H. Abramovicz. Den europæiske partikelfysikstrategi opdatering 2020 – Rapport 14 december 2017

Se også:
Mod en europæisk strategi for elementær partikelfysik: En kort gennemgang, 2006-version.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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