Fysikere ved CERN har afsløret en plan for en enorm partikelknuser med en omkreds på 100 km, der skal bruges til at studere Higgs-bosonen på en hidtil uset måde og til at søge efter ny fysik. I dag er den konceptuelle designrapport blevet offentliggjort for Future Circular Collider (FCC) – en underjordisk partikelkollideringsenhed, der skal forbindes med den eksisterende Large Hadron Collider (LHC) nær Genève.
Siden LHC først blev tændt i 2008, har partikelkollideringsenheden med 27 km omkreds smadret protoner sammen ved energier på op til 13 TeV i jagten på nye partikler. I 2012 meddelte fysikerne, at de havde opdaget Higgs-bosonen med en masse på 125 GeV. Dette resulterede i, at François Englert og Peter Higgs i 2013 modtog Nobelprisen i fysik for deres teoretiske forudsigelsesarbejde om partiklen. Siden da er der dog ikke blevet fundet partikler ud over standardmodellen, såsom supersymmetriske partnere.
Mens LHC stadig vil køre i et par årtier endnu, før det endelig slukkes, har fysikere i mere end tre årtier udført R&D på lineære collidere, som en dag kunne blive LHC’s efterfølger. En af de førende projekter er den internationale lineære collider (ILC), som skal accelerere elektroner og positroner ved hjælp af superledende hulrum. Da elektroner og positroner er fundamentale partikler, er deres kollisioner renere end proton-protonkollisioner ved LHC, og de er derfor ideelle til at studere partikler i stor detalje.
Japan er det eneste land, der har vist interesse for at være vært for ILC, men den japanske regering har trukket tiden ud med at beslutte, om den vil være vært for maskinen. Dette har tvunget fysikerne til for nylig at nedskalere deres design til ILC fra 500 GeV til 250 GeV, og den japanske regering forventes at træffe en endelig beslutning om at være vært for ILC i marts.
Derimod ser partikelfysikerne stadig fordele ved at holde fast i store cirkulære kollidere, ikke mindst fordi de har stor erfaring med at bygge dem. Fra 1989 til 2000 drev CERN f.eks. Large Electron-Positron Collider (LEP), som lå i den samme tunnel, der nu huser LHC, og som foretog præcise målinger af Z- og W-bosonerne. Og i betragtning af Higgs’ relativt lave masse ville en cirkulær collider kunne producere højere luminositeter uden at lide store tab fra synkrotronstråling, som ville påvirke en collider, der opererer ved højere energier på 500 GeV.
Præcisionsundersøgelser
CFC-projektet blev indledt i 2013 af det europæiske partikelfysikfællesskab med et møde afholdt året efter i Genève for at påbegynde arbejdet med rapporten. Den nye konceptuelle designrapport i fire bind undersøger, om det er muligt at bygge en 100 km cirkulær collider og undersøger den fysik, som en sådan potentiel maskine kunne udføre. I rapporten opfordres der først til at bygge en 100 km lang underjordisk tunnel, som skal rumme en elektron-positronkollider (FCC-ee). Denne maskine ville bestå af 80 km bøjningsmagneter, der skal accelerere strålen, samt firepolmagneter, der fokuserer strålen, før de kolliderer dem på to punkter i ringen.
Den konceptuelle FCC-designrapport er en bemærkelsesværdig bedrift. Den viser FCC’s enorme potentiale til at forbedre vores viden om grundlæggende fysik og til at fremme mange teknologier med en bred indvirkning på samfundet
Fabiola Gianotti
FCC-ee – der anslås at koste omkring 9 mia. dollars, hvoraf 5 mia. dollars vil blive brugt til at bygge tunnelen – vil fungere ved fire energier i en 15-årig periode. Collideren vil begynde ved 91 GeV og producere ca. 1013 Z-bosoner over fire år, inden den vil fungere ved 160 GeV for at producere 108 W+- og W- partikler i en toårig periode. W- og Z-partiklerne er allerede blevet målt af LEP-kollidereren, men det anslås, at FCC-ee-maskinen vil forbedre sådanne målinger med en størrelsesorden.
Da FCC-ee derefter kører ved 240 GeV i tre år, vil FCC-ee fokusere på at skabe en million Higgs-partikler. Dette ville give fysikerne mulighed for at studere Higgsbosonens egenskaber med en nøjagtighed, der er en størrelsesorden bedre end det, der i dag er muligt med LHC. Endelig vil collideren blive lukket ned i et år for at forberede den til at køre ved ca. 360 GeV for at producere en million top- og anti-top-par i løbet af fem år. Mere præcise målinger af sådanne partikler kunne indikere afvigelser fra standardmodellens forudsigelser, som kunne pege på ny fysik.
Når fysikprogrammet for FCC-ee er afsluttet, kunne den samme tunnel derefter bruges til at huse en proton-proton-collider (FCC-hh) på samme måde som LEP gav plads til LHC. “FCC kunne være et handlingssvar på LEP og LHC”, siger teoretiker John Ellis fra Kings College London. “En proton-proton-collider ville give de bedste muligheder for at opdage nye partikler”.
Kina afslører skitse til kæmpe underjordisk ‘Higgs-fabrik’
CFC-hh ville bruge LHC og dets præ-injektoracceleratorer til at fodre kollidereren, der kan nå en topenergi på 100 TeV – syv gange større end LHC. Men for at frembringe sådanne kollisionsenergier vil det kræve udvikling af nye magneter, der fungerer ved højere magnetfelter for at styre strålen rundt i kollideringsanlægget. LHC arbejder i øjeblikket med 8 T superledende magneter fremstillet af niobium-titanlegeringer (NbTi). Der anvendes superledende magneter, da de tillader høje strømme at strømme uden at der går energi tabt på grund af elektrisk modstand. FCC-hh med 50 GeV-stråler ville imidlertid i stedet kræve 16 T-magneter fremstillet af niobium-tin (Nb3Sn)-superledere.
I øjeblikket er LHC under en toårig nedlukning for at forbedre sin luminositet – et mål for hastigheden af partikelkollisioner – med en faktor 10. Under navnet High-Luminosity LHC (HL-LHC) skal dette materiale afprøves ved hjælp af 11 T Nb3Sn-superledende dipolmagneter af Nb3Sn-superledere. Der skal dog udføres mere R&D, før de kan anvendes ved 16 T. I betragtning af behovet for R&D samt de høje konstruktionsomkostninger for magneterne vil de anslåede omkostninger til FCC-hh være ca. 15 mia. dollar sammenlignet med ca. 13 mia. dollar for de samlede omkostninger til LHC.
Det er virkelig vigtigt at drive denne bestræbelse som et globalt samarbejde. Det åbner mulighed for betydelige bidrag i naturalier
Michael Benedikt
FCC-hh ville have en samlet integreret luminositet på omkring 15-20 ab-1 – en faktor 5-10 mere end den, der produceres ved HL-LHC – og svarende til, at der produceres 1010 Higgsbosoner. Den vil også blive brugt til at søge efter nye partikler med højere masse end muligt ved LHC og til at opdage eller udelukke eksistensen af termiske mørkemateriepartikler kendt som WIMP’er. Ligesom med LHC kan FCC-hh også bruges som en kollideringsenhed for tunge ioner, hvor blyioner smadres sammen ved 39 TeV for at studere effekter som f.eks. et quark-gluon-plasma. Det anslås, at collideren vil være i drift i mindst 25 år for at “levere et forskningsværktøj indtil slutningen af det 21. århundrede”.
“FCC’s konceptuelle designrapport er en bemærkelsesværdig bedrift. Den viser FCC’s enorme potentiale til at forbedre vores viden om grundlæggende fysik og til at fremme mange teknologier med en bred indvirkning på samfundet”, siger CERN’s generaldirektør Fabiola Gianotti. “Selv om FCC vil medføre nye, skræmmende udfordringer, vil den i høj grad drage fordel af CERN’s ekspertise, acceleratorkompleks og infrastrukturer, som er blevet udviklet gennem mere end et halvt århundrede.”
Show me the money
I betragtning af de enorme omkostninger ved at bygge FCC vil det kræve bred støtte fra samfundet, og derfor har embedsmænd ved CERN i de seneste år haft travlt med at opbygge et samarbejde, der nu består af 135 institutioner i 34 lande. “Det er virkelig vigtigt at drive dette projekt som et globalt samarbejde”, siger CERN-fysiker Michael Benedikt, som leder FCC-projektet. “Det åbner mulighed for betydelige bidrag i naturalier fra parter, der er eksperter i at bygge dele af en sådan maskine.”
Selv om fysikerne får økonomisk støtte til at bygge FCC, er der spørgsmålet om, hvornår man skal begynde at bygge maskinen. En mulighed er at starte med at fordoble LHC’s energi til omkring 30 TeV med en højenergi-opgradering (HE-LHC). Benedikt mener dog, at det kan være muligt at gå uden om HE-LHC og i stedet gå direkte til FCC. I så fald vil HL-LHC-programmet køre parallelt med opførelsen af FCC-tunnelen, inden det stopper omkring 2037. FCC-ee ville derefter blive sat i drift omkring 2040.
Bygning af den næste collider
Men CERN er ikke den eneste, der udvikler nye cirkulære collider-designs. I november afslørede fysikere i Kina det konceptuelle design for deres egen 100 km lange tunnel, som først skal huse en elektron-positron-maskine, før den skal huse en proton-proton-collider, der arbejder ved 100 TeV. Selv om opførelsen af den kinesiske collider kan starte tidligere end FCC’s, siger Benedikt, at der er mange ligheder mellem de to projekter. “Det er en god ting”, tilføjer Benedikt. “Den betydelige indsats fra Kinas side bekræfter, at dette er en gyldig mulighed, og at der er en bred interesse for en sådan maskine.”
Analyse:
Det er et simpelt spørgsmål, men svaret viser sig at være ret vanskeligt: Er en cirkulær eller lineær collider den bedste måde at foretage præcise målinger af Higgsbosonen på?
Selv om CERN’s Large Hadron Collider (LHC) har produceret store mængder af Higgsbosoner, siden partiklen blev opdaget i 2012, er proton-proton-collisioner ikke den bedste måde at undersøge en partikels præcise egenskaber på. Det skyldes, at protoner ikke er elementarpartikler, og at deres kollisioner derfor producerer affald, der påvirker målingernes nøjagtighed.
Det er dog ikke tilfældet, når man smadrer elektroner sammen med positroner, og derfor ønsker partikelfysikere at bygge en sådan maskine til at studere Higgsbosonen og forsøge at spotte eventuelle små afvigelser, der kan give antydninger af fysik ud over standardmodellen.
I årevis har fysikere designet lineære collidere, der skulle fungere på TeV-skalaen. Et sådant førende design er International Linear Collier (ILC), som Japan har vist interesse for at være vært for, om end i en billigere inkarnation, der kører ved 250 GeV.
På grund af behovet for at overvinde energitab fra synkrotronstråling, når elektroner accelereres rundt i ringen, giver lineære kollidatorer en højere luminositet – et mål for hastigheden af partikelkollisioner – sammenlignet med deres cirkulære modstykker for kollisionsenergier over 400 GeV. Men ved energier under denne tærskel har cirkulære kollidere en bedre luminositet end lineære kollidere – og de kan også rumme flere detektorer rundt om ringen.
Hvis Higgs-bosonens masse var omkring 500 GeV eller mere, ville de fleste være enige om, at en lineær kolliderer er den bedste vej frem. Men med en Higgs-masse på 125 GeV er der blevet kastet en ret stor luminositets-kurvebold ind i sagen. Dette har bragt cirkulære kollidere tilbage på tegnebrættet, og i de sidste fem år har fysikere været i gang med at udtænke mulige alternativer. Dette har resulteret i to nylige forslag – Future Circular Collider (se hovedteksten) og Kinas Circular Electron Positron Collider, hvis design blev offentliggjort i november sidste år.
Selv om cirkulære designs må bære omkostningerne ved at bygge en enorm underjordisk tunnel, så kompenserer de mere end rigeligt i form af alsidighed og det faktum, at fysikere har årtiers erfaring med at bygge dem. Den samme 100 km lange tunnel kunne f.eks. også bruges til en proton-proton-maskine, der arbejder ved 100 TeV, og som kan bruges til at jage efter nye partikler.
Teknologien til både en ILC og en 100 km lang elektron-positronkollider er klar, men i betragtning af de iøjnefaldende priser for begge dele vil alle design kræve et stort internationalt samarbejde. Det er nemlig en udbredt opfattelse, at Japan kun vil tilbyde at finansiere halvdelen af omkostningerne til ILC’en til 7,5 mia. dollars.
Hvis kun én maskine bliver bygget, hvilket ser ud til at være sandsynligt, er spørgsmålet så hvilken? Slaglinjerne er blevet trukket op.