Fyzikové v CERN představili projekt obrovského rozbíječe částic s obvodem 100 km, který by sloužil ke studiu Higgsova bosonu v dosud nevídaných detailech a také k hledání nové fyziky. Dnes byla zveřejněna zpráva o koncepčním návrhu budoucího kruhového urychlovače (Future Circular Collider, FCC) – podzemního urychlovače částic, který by byl propojen se stávajícím Velkým hadronovým urychlovačem (Large Hadron Collider, LHC) nedaleko Ženevy.
Od prvního zapnutí LHC v roce 2008 urychlovač částic s obvodem 27 km rozbíjí protony při energiích až 13 TeV v rámci hledání nových částic. V roce 2012 fyzikové oznámili, že objevili Higgsův boson o hmotnosti 125 GeV. Díky tomu získali François Englert a Peter Higgs v roce 2013 Nobelovu cenu za fyziku za teoretické předpovědi této částice. Od té doby však nebyly nalezeny žádné částice mimo standardní model, například supersymetričtí partneři.
Ačkoli LHC bude ještě několik desetiletí pracovat, než bude definitivně vypnut, již více než tři desetiletí provádějí fyzikové R&D na lineárních urychlovačích, které by jednou mohly být nástupcem LHC. Jedním z předních projektů je Mezinárodní lineární urychlovač (ILC), který by urychloval elektrony a pozitrony pomocí supravodivých dutin. Vzhledem k tomu, že elektrony a pozitrony jsou základní částice, jsou jejich srážky čistší než srážky protonů a protonů na LHC, takže jsou ideální pro detailní studium částic.
Japonsko je jedinou zemí, která projevila zájem o umístění ILC, ale japonská vláda otálela s rozhodnutím, zda stroj umístit. To donutilo fyziky, aby nedávno snížili svůj návrh ILC z 500 GeV na 250 GeV, přičemž se očekává, že japonská vláda vydá konečné rozhodnutí o hostování ILC v březnu.
Fyzikové částic však stále vidí výhody v zachování velkých kruhových urychlovačů, a to i proto, že s jejich stavbou mají bohaté zkušenosti. Například v letech 1989 až 2000 provozoval CERN Velký urychlovač elektronů a pozitronů (LEP), který se nacházel ve stejném tunelu, v němž je nyní umístěn LHC, a prováděl přesná měření bosonů Z a W. V roce 2000 se v CERNu uskutečnilo několik měření. A vzhledem k relativně nízké hmotnosti Higgsova bosonu by kruhový urychlovač byl schopen produkovat vyšší luminosity, aniž by trpěl obrovskými ztrátami ze synchrotronového záření, které by postihly urychlovač pracující při vyšších energiích 500 GeV.
Přesné studie
Projekt FCC byl iniciován v roce 2013 evropskou komunitou částicové fyziky, přičemž následující rok se v Ženevě konalo setkání, na kterém byla zahájena práce na zprávě. Nová, čtyřsvazková zpráva o koncepčním návrhu se zabývá proveditelností stavby kruhového urychlovače o průměru 100 km a zkoumá fyziku, kterou by takový potenciální stroj mohl provádět. Nejprve vyzývá k výstavbě 100 km dlouhého podzemního tunelu, v němž by byl umístěn urychlovač elektronů a pozitronů (FCC-ee). Tento stroj by se skládal z 80 km ohybových magnetů pro urychlování svazku a také z kvadrupólových magnetů, které by svazek soustředily před jeho srážkou ve dvou bodech prstence.
Zpráva o koncepčním návrhu FCC je pozoruhodným počinem. Ukazuje obrovský potenciál FCC pro zlepšení našich znalostí v oblasti základní fyziky a pro rozvoj mnoha technologií s širokým dopadem na společnost
Fabiola Gianotti
FCC-ee – jehož náklady se odhadují na přibližně 9 miliard dolarů, z nichž 5 miliard by bylo použito na výstavbu tunelu – by měl pracovat při čtyřech energiích po dobu 15 let. Srážeč by začínal s energií 91 GeV a produkoval by přibližně 1013 bosonů Z po dobu čtyř let, poté by pracoval s energií 160 GeV a produkoval 108 částic W+ a W- po dobu dvou let. Zatímco částice W a Z již byly měřeny urychlovačem LEP, odhaduje se, že zařízení FCC-ee by tato měření řádově zlepšilo.
Poté by FCC-ee pracoval při 240 GeV po dobu tří let a zaměřil by se na vytvoření milionu Higgsových částic. To by fyzikům umožnilo studovat vlastnosti Higgsova bosonu s přesností o řád lepší, než jakou dnes umožňuje LHC. Nakonec by byl urychlovač na rok odstaven, aby se připravil na provoz při energii přibližně 360 GeV a během pěti let vytvořil milion top a antitop párů. Přesnější měření takových částic by mohla ukázat odchylky od předpovědí standardního modelu, které by mohly poukázat na novou fyziku.
Po dokončení fyzikálního programu pro FCC-ee by pak mohl být stejný tunel využit pro umístění proton-protonového urychlovače (FCC-hh) podobně jako LEP uvolnil místo pro LHC. „FCC by mohl být akční odpovědí na LEP a LHC,“ říká teoretik John Ellis z Kings College London. „Proton-protonový urychlovač by nabídl nejlepší šanci na objevení nových částic“.
Čína odhalila plán obrovské podzemní „Higgsovy továrny“
FCC-hh by využíval LHC a jeho předřadníkové urychlovače k napájení urychlovače, který by mohl dosáhnout maximální energie 100 TeV – sedmkrát větší než LHC. Přesto by k dosažení takových energií srážek bylo zapotřebí vyvinout nové magnety, které by pracovaly s vyššími magnetickými poli a usměrňovaly svazek kolem srážeče. LHC v současné době pracuje se supravodivými magnety o teplotě 8 T vyrobenými ze slitin niobu a titanu (NbTi). Supravodivé magnety se používají proto, že umožňují průchod vysokých proudů bez rozptylu energie v důsledku elektrického odporu. FCC-hh se svazky o energii 50 GeV by však místo toho vyžadoval magnety o kapacitě 16 T vyrobené ze supravodiče niobu a cínu (Nb3Sn).
V současné době probíhá dvouletá odstávka urychlovače LHC s cílem zlepšit jeho svítivost – měřítko rychlosti srážek částic – desetinásobně. Projekt nazvaný High-Luminosity LHC (HL-LHC) si klade za cíl vyzkoušet tento materiál pomocí supravodivých dipólových magnetů Nb3Sn s teplotou 11 T. Přesto je třeba provést další R&D, než budou moci být použity při 16 T. Vzhledem k potřebě R&D i vysokým nákladům na konstrukci magnetů by odhadované náklady na FCC-hh činily přibližně 15 miliard dolarů, zatímco celkové náklady na LHC jsou přibližně 13 miliard dolarů.
Provozovat toto úsilí jako globální spolupráci je skutečně důležité. To otevírá možnost značných věcných příspěvků
Michael Benedikt
FCC-hh by měl celkovou integrovanou luminositu přibližně 15-20 ab-1 – což je o 5-10krát více než luminosita produkovaná na HL-LHC – a odpovídá to produkci 1010 Higgsových bosonů. Byl by také využit k hledání nových částic s vyššími hmotnostmi, než je možné na LHC, a také k objevení nebo vyloučení existence tepelných částic temné hmoty známých jako WIMP. Stejně jako LHC by mohl být FCC-hh využit také jako urychlovač těžkých iontů, který by rozbíjel olověné ionty při 39 TeV a studoval efekty, jako je kvark-gluonové plazma. Odhaduje se, že srážeč by byl v provozu nejméně 25 let, aby „poskytoval výzkumný nástroj až do konce 21. století“.
„Zpráva o koncepčním návrhu FCC je pozoruhodným úspěchem. Ukazuje obrovský potenciál FCC pro zlepšení našich znalostí v oblasti základní fyziky a pro rozvoj mnoha technologií s širokým dopadem na společnost,“ říká generální ředitelka CERN Fabiola Gianottiová. „FCC sice představuje nové, skličující výzvy, ale zároveň by měl velký přínos pro odborné znalosti, komplex urychlovačů a infrastrukturu CERN, které se vyvíjely více než půl století.“
Ukažte mi peníze
Vzhledem k obrovským nákladům na vybudování FCC by potřeboval širokou podporu společnosti, a tak se představitelé CERN v posledních letech věnovali budování spolupráce, kterou nyní tvoří 135 institucí z 34 zemí. „Provozovat toto úsilí jako globální spolupráci je skutečně důležité,“ říká fyzik z CERNu Michael Benedikt, který projekt FCC vede. „Otevírá se tím možnost významných věcných příspěvků od stran, které jsou odborníky na stavbu částí takového stroje.“
I když fyzici získají finanční podporu na stavbu FCC, je tu otázka, kdy začít stroj stavět. Jednou z možností je začít zdvojnásobením energie LHC na přibližně 30 TeV pomocí vysokoenergetického vylepšení (HE-LHC). Benedikt se však domnívá, že by bylo možné HE-LHC obejít a přejít rovnou k FCC. V takovém případě by program HL-LHC probíhal souběžně s výstavbou tunelu FCC a zastavil by se kolem roku 2037. FCC-ee by pak zahájil provoz kolem roku 2040.
Stavba dalšího urychlovače
CERN však není jediný, kdo vyvíjí nové projekty kruhových urychlovačů. V listopadu představili fyzici v Číně koncepční návrh vlastního 100 km dlouhého tunelu, v němž by byl nejprve umístěn elektron-pozitronový stroj a teprve poté by v něm byl umístěn proton-protonový urychlovač pracující při 100 TeV. Ačkoli výstavba čínského urychlovače by mohla začít dříve než FCC, Benedikt říká, že mezi oběma návrhy existuje mnoho podobností. „To je dobře,“ dodává Benedikt. „Značné úsilí Číny potvrzuje, že jde o platnou možnost a že o takový stroj je široký zájem.“
Analýza:
Je to celkem jednoduchá otázka, ale odpověď se ukazuje jako poněkud složitá: je pro přesná měření Higgsova bosonu nejlepší kruhový, nebo lineární srážeč?
Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu sice od objevu částice v roce 2012 produkuje hojné množství Higgsových bosonů, ale proton-protonové srážky nejsou nejlepším způsobem, jak studovat přesné vlastnosti částice. Je to proto, že protony nejsou elementární částice, a tak při jejich srážkách vznikají úlomky, které ovlivňují přesnost měření.
To však neplatí při srážkách elektronů s pozitrony, a proto chtějí částicoví fyzici postavit takový stroj, který by studoval Higgsův boson a snažil se odhalit všechny drobné odchylky, které by mohly napovědět o fyzice mimo standardní model.
Fyzici již léta navrhují lineární srážeče, které by pracovaly na škále TeV. Jedním z takových předních návrhů je Mezinárodní lineární urychlovač (ILC), o jehož hostování projevilo zájem Japonsko, i když v levnější inkarnaci pracující při energii 250 GeV.
Vzhledem k nutnosti překonat ztráty energie ze synchrotronového záření při urychlování elektronů kolem prstence nabízejí lineární urychlovače vyšší svítivost – měřítko rychlosti srážek částic – ve srovnání s jejich kruhovými protějšky pro energie srážek nad 400 GeV. Přesto při energiích pod touto hranicí mají kruhové urychlovače lepší svítivost než lineární urychlovače – a mohou také hostit více detektorů kolem prstence.
Pokud by se hmotnost Higgsova bosonu pohybovala kolem 500 GeV nebo více, většina by souhlasila, že lineární urychlovač nabízí nejlepší cestu vpřed. Ale vzhledem k tomu, že hmotnost Higgsova bosonu je 125 GeV, byla do řízení vhozena poměrně velká křivka svítivosti. To vrátilo kruhové urychlovače zpět na rýsovací prkno a posledních pět let fyzikové navrhují možné alternativy. Výsledkem jsou dva nedávné návrhy – Future Circular Collider (viz hlavní text) a čínský Circular Electron Positron Collider, jehož návrh byl zveřejněn loni v listopadu.
Kruhové návrhy sice musí nést náklady na stavbu obrovského podzemního tunelu, ale více než vynahrazují svou univerzálností a tím, že fyzikové mají s jejich stavbou desítky let zkušeností. Například stejný 100 km dlouhý tunel by mohl být použit i pro proton-protonový stroj pracující při 100 TeV, který by sloužil k lovu nových částic.
Technologie pro ILC i 100 km dlouhý elektron-pozitronový urychlovač je připravena, ale vzhledem k do očí bijícím cenám obou by všechny návrhy potřebovaly velkou mezinárodní spolupráci. Je totiž všeobecně známo, že Japonsko by nabídlo financování pouze poloviny nákladů na ILC ve výši 7,5 miliardy dolarů.
Pokud bude postaven pouze jeden stroj, což se zdá pravděpodobné, je otázkou, který z nich? Bojové linie byly vytyčeny.
.