Physiker am CERN haben einen Entwurf für einen riesigen Teilchenzerstörer mit einem Umfang von 100 km vorgestellt, mit dem das Higgs-Boson in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit untersucht und nach neuer Physik gesucht werden soll. Heute wurde der Konzeptionsbericht für den Future Circular Collider (FCC) veröffentlicht – einen unterirdischen Teilchenbeschleuniger, der mit dem bestehenden Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf verbunden werden soll.
Seit der LHC im Jahr 2008 in Betrieb genommen wurde, hat der Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 27 km Protonen mit Energien von bis zu 13 TeV auf der Suche nach neuen Teilchen zusammengeschossen. Im Jahr 2012 gaben die Physiker bekannt, dass sie das Higgs-Boson mit einer Masse von 125 GeV entdeckt haben. Daraufhin erhielten François Englert und Peter Higgs 2013 den Nobelpreis für Physik für die theoretischen Vorhersagen zu diesem Teilchen. Seitdem wurden jedoch keine Teilchen jenseits des Standardmodells, wie etwa supersymmetrische Partner, gefunden.
Während der LHC noch einige Jahrzehnte laufen wird, bevor er endgültig abgeschaltet wird, führen Physiker seit mehr als drei Jahrzehnten R&D an Linearcollidern durch, die eines Tages der Nachfolger des LHC sein könnten. Ein führender Entwurf ist der International Linear Collider (ILC), der Elektronen und Positronen mit Hilfe supraleitender Kavitäten beschleunigen soll. Da es sich bei Elektronen und Positronen um fundamentale Teilchen handelt, sind ihre Kollisionen sauberer als die Proton-Proton-Kollisionen am LHC und eignen sich daher ideal für die Untersuchung von Teilchen im Detail.
Japan ist das einzige Land, das Interesse an der Errichtung des ILC gezeigt hat, aber die japanische Regierung hat die Entscheidung über die Errichtung der Maschine hinausgezögert. Dies hat die Physiker gezwungen, ihren Entwurf für den ILC kürzlich von 500 GeV auf 250 GeV zu verkleinern, und es wird erwartet, dass die japanische Regierung im März eine endgültige Entscheidung über den Bau des ILC treffen wird.
Teilchenphysiker sehen jedoch immer noch Vorteile in der Beibehaltung großer kreisförmiger Collider, nicht zuletzt, weil sie über viel Erfahrung mit deren Bau verfügen. So betrieb das CERN von 1989 bis 2000 den Large Electron-Positron Collider (LEP), der sich in demselben Tunnel befand, in dem jetzt der LHC untergebracht ist, und führte präzise Messungen der Z- und W-Bosonen durch. Und angesichts der relativ geringen Masse des Higgs könnte ein zirkulärer Collider höhere Luminositäten erzeugen, ohne große Verluste durch Synchrotronstrahlung zu erleiden, die einen Collider bei höheren Energien von 500 GeV beeinträchtigen würden.
Präzisionsstudien
Das FCC-Projekt wurde 2013 von der europäischen Teilchenphysik-Gemeinschaft initiiert, und im darauffolgenden Jahr fand ein Treffen in Genf statt, um die Arbeit an dem Bericht zu beginnen. Der neue, vierbändige Konzeptionsbericht befasst sich mit der Machbarkeit des Baus eines kreisförmigen 100-km-Colliders und untersucht die Physik, die eine solche potenzielle Maschine ausführen könnte. Zunächst wird der Bau eines 100 km langen unterirdischen Tunnels gefordert, der einen Elektron-Positron-Collider (FCC-ee) beherbergen würde. Diese Maschine würde aus 80 km Biegemagneten bestehen, um den Strahl zu beschleunigen, sowie aus Quadrupolmagneten, die den Strahl fokussieren, bevor er an zwei Punkten im Ring kollidiert.
Der FCC-Konzeptentwurfsbericht ist eine bemerkenswerte Leistung. Er zeigt das enorme Potenzial des FCC, unser Wissen über die Grundlagenphysik zu verbessern und viele Technologien mit weitreichenden Auswirkungen auf die Gesellschaft voranzubringen
Fabiola Gianotti
Der FCC-ee – dessen Kosten auf etwa 9 Mrd. $ geschätzt werden, von denen 5 Mrd. $ für den Bau des Tunnels verwendet würden – würde über einen Zeitraum von 15 Jahren bei vier Energien betrieben. Der Collider würde bei 91 GeV beginnen und über einen Zeitraum von vier Jahren etwa 1013 Z-Bosonen erzeugen, bevor er bei 160 GeV betrieben würde, um über einen Zeitraum von zwei Jahren 108 W+- und W–Teilchen zu produzieren. Während die W- und Z-Teilchen bereits mit dem LEP-Collider gemessen wurden, wird geschätzt, dass die FCC-ee-Maschine diese Messungen um eine Größenordnung verbessern würde.
Dann würde der FCC-ee drei Jahre lang bei 240 GeV laufen und sich auf die Erzeugung einer Million Higgs-Teilchen konzentrieren. Dies würde es den Physikern ermöglichen, die Eigenschaften des Higgs-Bosons mit einer Genauigkeit zu untersuchen, die um eine Größenordnung besser ist als das, was heute mit dem LHC möglich ist. Anschließend würde der Collider für ein Jahr abgeschaltet, um ihn auf einen Betrieb bei etwa 360 GeV vorzubereiten, bei dem über fünf Jahre hinweg eine Million Top- und Anti-Top-Paare erzeugt werden könnten. Präzisere Messungen solcher Teilchen könnten Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells aufzeigen, die auf neue physikalische Phänomene hindeuten könnten.
Wenn das Physikprogramm für den FCC-ee abgeschlossen ist, könnte derselbe Tunnel dann für einen Proton-Proton-Collider (FCC-hh) genutzt werden, ähnlich wie LEP dem LHC Platz gemacht hat. „Der FCC könnte eine Antwort auf LEP und den LHC sein“, sagt der Theoretiker John Ellis vom Kings College London. „Ein Proton-Proton-Collider würde die beste Chance bieten, neue Teilchen zu entdecken“.
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Das FCC-hh würde den LHC und seine Vorbeschleuniger nutzen, um den Collider zu speisen, der eine Spitzenenergie von 100 TeV erreichen könnte – siebenmal mehr als der LHC. Um solche Kollisionsenergien zu erzeugen, müssten jedoch neue Magnete entwickelt werden, die mit höheren Magnetfeldern arbeiten, um den Strahl um den Collider zu lenken. Der LHC arbeitet derzeit mit 8 T supraleitenden Magneten aus Niob-Titan-Legierungen (NbTi). Supraleitende Magnete werden verwendet, da sie hohe Ströme fließen lassen, ohne dass Energie aufgrund des elektrischen Widerstands verloren geht. Für den FCC-hh mit 50 GeV-Strahlen wären jedoch 16 T-Magnete aus Niob-Zinn-Supraleiter (Nb3Sn) erforderlich.
Der LHC wird derzeit für zwei Jahre abgeschaltet, um seine Luminosität – ein Maß für die Rate der Teilchenkollisionen – um den Faktor 10 zu erhöhen. Unter dem Namen „High-Luminosity LHC“ (HL-LHC) soll dieses Material mit Hilfe von supraleitenden 11-T-Nb3Sn-Dipolmagneten auf die Probe gestellt werden. Angesichts des Bedarfs an R&D und der hohen Baukosten für die Magnete werden die Kosten für den FCC-hh auf etwa 15 Mrd. $ geschätzt, verglichen mit etwa 13 Mrd. $ für die Gesamtkosten des LHC.
Es ist wirklich wichtig, dieses Vorhaben als globale Zusammenarbeit durchzuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit erheblicher Sachleistungen
Michael Benedikt
Das FCC-hh hätte eine integrierte Gesamtluminosität von etwa 15-20 ab-1 – ein Faktor von 5-10 mehr als die am HL-LHC erzeugte Luminosität – was der Erzeugung von 1010 Higgs-Bosonen entspricht. Er würde auch dazu dienen, nach neuen Teilchen mit höheren Massen zu suchen, als dies am LHC möglich ist, und die Existenz thermischer Teilchen aus dunkler Materie, so genannter WIMPs, zu entdecken oder auszuschließen. Wie der LHC könnte auch der FCC-hh als Schwerionenbeschleuniger eingesetzt werden, der Blei-Ionen bei 39 TeV zusammenstößt, um Effekte wie ein Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen. Es wird geschätzt, dass der Collider mindestens 25 Jahre lang in Betrieb sein würde, um „ein Forschungsinstrument bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu bieten“.
„Der FCC-Konzeptentwurfsbericht ist eine bemerkenswerte Leistung. Er zeigt das enorme Potenzial des FCC, unser Wissen über die Grundlagenphysik zu verbessern und viele Technologien mit weitreichenden Auswirkungen auf die Gesellschaft voranzutreiben“, sagt CERN-Generaldirektorin Fabiola Gianotti. „Das FCC stellt uns vor neue, gewaltige Herausforderungen, aber es wird auch in hohem Maße von der Expertise, dem Beschleunigerkomplex und der Infrastruktur des CERN profitieren, die in mehr als einem halben Jahrhundert entwickelt wurden.“
Show me the money
Angesichts der enormen Kosten für den Bau des FCC würde es eine breite Unterstützung durch die Gemeinschaft benötigen, und so haben Beamte des CERN in den letzten Jahren fleißig eine Zusammenarbeit aufgebaut, die nun aus 135 Institutionen in 34 Ländern besteht. „Es ist wirklich wichtig, dieses Projekt als globale Zusammenarbeit zu betreiben“, sagt Michael Benedikt, Physiker am CERN und Leiter des FCC-Projekts. „
Selbst wenn die Physiker finanzielle Unterstützung für den Bau des FCC erhalten, stellt sich die Frage, wann mit dem Bau der Maschine begonnen werden soll. Eine Möglichkeit besteht darin, zunächst die Energie des LHC mit einem Hochenergie-Upgrade (HE-LHC) auf etwa 30 TeV zu verdoppeln. Benedikt ist jedoch der Ansicht, dass es möglich sein könnte, den HE-LHC zu umgehen und stattdessen direkt mit dem FCC zu beginnen. In diesem Fall würde das HL-LHC-Programm parallel zum Bau des FCC-Tunnels laufen, bevor es etwa 2037 endet. Der FCC-ee würde dann um 2040 in Betrieb gehen.
Bau des nächsten Colliders
Doch das CERN ist nicht das einzige, das neue kreisförmige Collider-Konzepte entwickelt. Im November stellten Physiker in China den Entwurf eines eigenen 100 km langen Tunnels vor, in dem zunächst eine Elektron-Positron-Maschine und dann ein Proton-Proton-Collider mit 100 TeV betrieben werden soll. Obwohl der Bau des chinesischen Colliders früher beginnen könnte als der des FCC, gibt es laut Benedikt viele Ähnlichkeiten zwischen den beiden Entwürfen. „Das ist eine gute Sache“, fügt Benedikt hinzu. „Die beträchtlichen Anstrengungen Chinas bestätigen, dass dies eine echte Option ist und dass es ein großes Interesse an einer solchen Maschine gibt.“
Analyse: Noch einmal von vorne?
Die Frage ist einfach, aber die Antwort erweist sich als ziemlich knifflig: Ist ein zirkulärer oder ein linearer Collider der beste Weg, um präzise Messungen des Higgs-Bosons durchzuführen?
Während der Large Hadron Collider (LHC) des CERN seit der Entdeckung des Teilchens im Jahr 2012 große Mengen an Higgs-Bosonen produziert hat, sind Proton-Proton-Kollisionen nicht der beste Weg, um die genauen Eigenschaften eines Teilchens zu untersuchen. Das liegt daran, dass Protonen keine Elementarteilchen sind und ihre Kollisionen daher Trümmer erzeugen, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen.
Das ist jedoch nicht der Fall, wenn Elektronen mit Positronen zusammenstoßen, und deshalb wollen Teilchenphysiker eine solche Maschine bauen, um das Higgs-Boson zu untersuchen und zu versuchen, winzige Abweichungen zu entdecken, die Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells geben könnten.
Seit Jahren entwerfen Physiker Linearbeschleuniger, die im TeV-Maßstab arbeiten würden. Einer dieser führenden Entwürfe ist der International Linear Collier (ILC), an dem Japan Interesse gezeigt hat, wenn auch in einer billigeren Version, die bei 250 GeV arbeitet.
Da Energieverluste durch Synchrotronstrahlung überwunden werden müssen, wenn Elektronen um den Ring herum beschleunigt werden, bieten Linearcollider eine höhere Luminosität – ein Maß für die Rate von Teilchenkollisionen – im Vergleich zu ihren kreisförmigen Gegenstücken für Kollisionsenergien über 400 GeV. Bei Energien unterhalb dieser Schwelle haben zirkuläre Collider jedoch eine höhere Luminosität als lineare Collider – und können außerdem mehrere Detektoren um den Ring herum beherbergen.
Wenn die Masse des Higgs-Bosons bei 500 GeV oder mehr läge, würden die meisten zustimmen, dass ein linearer Collider die beste Lösung darstellt. Aber mit einer Higgs-Masse von 125 GeV ist ein ziemlich großer Luminositäts-Kurvenball in das Verfahren geworfen worden. Dies hat dazu geführt, dass zirkuläre Collider wieder in den Mittelpunkt des Interesses gerückt sind, und in den letzten fünf Jahren haben Physiker mögliche Alternativen entworfen. Das Ergebnis sind zwei aktuelle Vorschläge – der Future Circular Collider (siehe Haupttext) und der chinesische Circular Electron Positron Collider, dessen Entwurf im November letzten Jahres veröffentlicht wurde.
Kreisförmige Collider müssen zwar die Kosten für den Bau eines riesigen unterirdischen Tunnels tragen, aber sie machen dies durch ihre Vielseitigkeit und die Tatsache, dass Physiker jahrzehntelange Erfahrung mit ihrem Bau haben, mehr als wett. So könnte derselbe 100 km lange Tunnel auch für eine Proton-Proton-Maschine verwendet werden, die bei 100 TeV arbeitet und für die Suche nach neuen Teilchen eingesetzt werden könnte.
Die Technologie sowohl für einen ILC als auch für einen 100 km langen Elektron-Positron-Collider ist vorhanden, aber angesichts der horrenden Preise für beide sind alle Entwürfe auf eine umfangreiche internationale Zusammenarbeit angewiesen. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass Japan nur die Hälfte der Kosten für den 7,5 Mrd. $ teuren ILC übernehmen würde.
Wenn nur eine Maschine gebaut wird, was wahrscheinlich ist, stellt sich die Frage, welche? Die Fronten sind abgesteckt.