CERNin fyysikot ovat julkistaneet suunnitelman valtavasta, 100 km:n ympärysmitan kokoisesta hiukkasmurskaimesta, jota käytettäisiin Higgsin bosonin tutkimiseen ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti sekä uuden fysiikan etsimiseen. Tänään julkaistiin suunnitteluraportti Future Circular Collider (FCC) – maanalaisesta hiukkastörmäyttimestä, joka yhdistettäisiin Geneven lähellä sijaitsevaan suureen hadronitörmäyttimeen (LHC).
Sen jälkeen, kun LHC käynnistettiin ensimmäisen kerran vuonna 2008, 27 kilometrin ympärysmittainen hiukkastörmäytin on murskannut protoneja yhteen jopa 13 TeV:n energioilla uusia hiukkasia etsiessään. Vuonna 2012 fyysikot ilmoittivat löytäneensä Higgsin bosonin, jonka massa on 125 GeV. Tämän seurauksena François Englert ja Peter Higgs saivat vuoden 2013 fysiikan Nobel-palkinnon hiukkasen teoreettisesta ennustamisesta. Sen jälkeen ei kuitenkaan ole löydetty yhtään standardimallin ulkopuolista hiukkasta, kuten supersymmetrisiä kumppaneita.
Vaikka LHC toimii vielä muutaman vuosikymmenen, ennen kuin se lopullisesti sammutetaan, fyysikot ovat jo yli kolmen vuosikymmenen ajan tehneet R&D-tutkimuksia lineaarisissa törmäytysautomaateissa, jotka voisivat jonain päivänä olla LHC:n seuraaja. Yksi johtavista suunnittelupyrkimyksistä on kansainvälinen lineaarinen törmäytin (International Linear Collider, ILC), joka kiihdyttäisi elektroneja ja positroneja suprajohtavien onteloiden avulla. Koska elektronit ja positronit ovat perustavanlaatuisia hiukkasia, niiden törmäykset ovat puhtaampia kuin LHC:ssä tapahtuvat protoni-protonitörmäykset, joten ne soveltuvat erinomaisesti hiukkasten yksityiskohtaiseen tutkimiseen.
Japani on ainoa maa, joka on osoittanut kiinnostusta ILC:n isännöintiin, mutta Japanin hallitus on viivytellyt koneen isännöintipäätöstä tehdessään. Tämä on pakottanut fyysikot hiljattain pienentämään ILC:n suunnittelua 500 GeV:stä 250 GeV:iin, ja Japanin hallituksen odotetaan tekevän lopullisen päätöksen ILC:n isännöinnistä maaliskuussa.
Hiukkasfyysikot näkevät silti etuja suurten ympyränmuotoisten törmäytysautomaattien säilyttämisessä, eikä vähiten siksi, että niillä on paljon kokemusta niiden rakentamisesta. Esimerkiksi vuosina 1989-2000 CERN käytti suurta elektronipositronitörmäytintä (Large Electron-Positron Collider, LEP), joka sijaitsi samassa tunnelissa, jossa nyt sijaitsee LHC, ja jossa tehtiin tarkkoja mittauksia Z- ja W-bosoneista. Ja kun otetaan huomioon Higgsin suhteellisen pieni massa, ympyränmuotoinen törmäytin pystyisi tuottamaan suurempia luminositeetteja kärsimättä synkrotronisäteilyn aiheuttamista valtavista häviöistä, jotka vaikuttaisivat korkeammilla, 500 GeV:n energioilla toimivaan törmäyttimeen.
Tarkkuustutkimukset
Eurooppalainen hiukkasfysiikan yhteisö käynnisti FCC-hankkeen vuonna 2013, ja seuraavana vuonna Genevessä pidettiin kokous, jossa ryhdyttiin työstämään raporttia. Uudessa, neliosaisessa konseptisuunnitteluraportissa tarkastellaan 100 kilometrin pituisen ympyränmuotoisen törmäyttimen rakentamisen toteutettavuutta ja tutkitaan fysiikkaa, jota tällaisella mahdollisella laitteella voitaisiin toteuttaa. Siinä kehotetaan ensin rakentamaan 100 kilometrin pituinen maanalainen tunneli, johon sijoitettaisiin elektroni-positronitörmäytin (FCC-ee). Tämä kone koostuisi 80 km:n pituisista taivutusmagneeteista, jotka kiihdyttävät sädettä, sekä nelipolimagneeteista, jotka fokusoivat säteen ennen sen törmäyttämistä renkaan kahdessa pisteessä.
FCC:n konseptisuunnitteluraportti on merkittävä saavutus. Se osoittaa FCC:n valtavan potentiaalin parantaa tietämystämme fysiikan perusteista ja edistää monia teknologioita, joilla on laaja vaikutus yhteiskuntaan
Fabiola Gianotti
FCC-ee – jonka arvioidaan maksavan noin 9 miljardia dollaria, josta 5 miljardia dollaria käytettäisiin tunnelin rakentamiseen – toimisi neljällä energialla 15 vuoden ajan. Törmäytin aloittaisi 91 GeV:n teholla ja tuottaisi noin 1013 Z-bosonia neljän vuoden aikana, minkä jälkeen se toimisi 160 GeV:n teholla tuottaen 108 W+- ja W-hiukkasta kahden vuoden ajan. W- ja Z-hiukkasia on jo mitattu LEP-törmäyttimellä, mutta on arvioitu, että FCC-ee-laite parantaisi näitä mittauksia kertaluokkaa.
Käyttämällä sitten 240 GeV:n jännitettä kolmen vuoden ajan FCC-ee keskittyisi luomaan miljoona Higgsin hiukkasta. Näin fyysikot voisivat tutkia Higgsin bosonin ominaisuuksia kertaluokkaa paremmalla tarkkuudella kuin mitä LHC:llä on nykyisin mahdollista. Lopuksi törmäytin suljettaisiin vuodeksi, jotta sitä voitaisiin valmistella toimimaan noin 360 GeV:n teholla ja tuottamaan miljoona top- ja anti-top-paria viiden vuoden aikana. Tällaisten hiukkasten tarkemmat mittaukset voisivat osoittaa poikkeamia Standardimallin ennusteista, jotka voisivat viitata uuteen fysiikkaan.
Kun FCC-ee:n fysiikkaohjelma on valmis, samaa tunnelia voitaisiin käyttää protoni-protoni-törmäytysautomaatin (FCC-hh) rakentamiseen samaan tapaan kuin LEP teki tilaa LHC:lle. ”FCC voisi olla vastaus LEP:n ja LHC:n toimintaan”, sanoo teoriantutkija John Ellis Kings College Londonista. ”Protoni-protonitörmäytin tarjoaisi parhaat mahdollisuudet löytää uusia hiukkasia”.
Kiina paljastaa suunnitelman valtavasta maanalaisesta ”Higgsin tehtaasta”
FCC-hh käyttäisi LHC:tä ja sen esi-injektori-kiihdyttimiä syöttääkseen törmäytintä, joka voisi saavuttaa 100 TeV:n huippuenergian – joka on seitsenkertainen LHC:hen verrattuna. Tällaisten törmäysenergioiden tuottaminen edellyttäisi kuitenkin uusien magneettien kehittämistä, jotka toimivat suuremmilla magneettikentillä säteen ohjaamiseksi törmäyttimen ympärille. LHC:ssä käytetään tällä hetkellä 8 T:n suprajohtavia magneetteja, jotka on valmistettu niobium-titaaniseoksista (NbTi). Suprajohtavia magneetteja käytetään, koska ne mahdollistavat suurten virtojen kulkemisen ilman, että energiaa haihtuu sähkövastuksen vuoksi. FCC-hh:ssa, jossa on 50 GeV:n säteet, tarvittaisiin sen sijaan 16 T:n magneetteja, jotka on valmistettu niobium-tinistä (Nb3Sn) suprajohteesta.
Tällä hetkellä LHC:ssä on käynnissä kaksivuotinen seisokki, jonka tarkoituksena on parantaa sen luminositeettia – hiukkasten törmäysnopeuden mittari – kymmenkertaiseksi. Korkean valovoiman LHC:n (HL-LHC) tarkoituksena on testata tätä materiaalia käyttämällä 11 T:n Nb3Sn-suprajohtavia dipolimagneetteja. Vielä on kuitenkin tehtävä lisää R&D:tä, ennen kuin niitä voidaan käyttää 16 T:n lämpötilassa. Kun otetaan huomioon R&D:n tarve sekä magneettien korkeat rakennuskustannukset, FCC-hh:n arvioidut kustannukset olisivat noin 15 miljardia dollaria, kun taas LHC:n kokonaiskustannukset olisivat noin 13 miljardia dollaria.
Tämän hankkeen toteuttaminen maailmanlaajuisena yhteistyönä on todella tärkeää. Tämä avaa mahdollisuuden merkittäviin luontoissuorituksiin
Michael Benedikt
FCC-hh:n integroitu kokonaisluminositeetti olisi noin 15-20 ab-1, mikä on 5-10 kertaa enemmän kuin HL-LHC:ssä tuotettu luminositeetti ja vastaa 1010 Higgsin bosonin tuottamista. Sitä käytettäisiin myös uusien hiukkasten etsimiseen suuremmilla massoilla kuin LHC:llä on mahdollista, sekä WIMP-hiukkasiksi kutsuttujen termisten pimeän aineen hiukkasten löytämiseen tai poissulkemiseen. LHC:n tapaan FCC-hh:ta voitaisiin käyttää myös raskaiden ionien törmäyttimenä, jossa lyijyioneja törmäytettäisiin yhteen 39 TeV:n teholla ja tutkittaisiin kvark-gluoniplasman kaltaisia vaikutuksia. On arvioitu, että törmäytin olisi toiminnassa vähintään 25 vuotta, jotta se ”tarjoaisi tutkimusvälineitä 2000-luvun loppuun asti”.
”FCC:n konseptisuunnitteluraportti on merkittävä saavutus. Se osoittaa FCC:n valtavat mahdollisuudet parantaa tietämystämme perusfysiikasta ja edistää monia teknologioita, joilla on laaja vaikutus yhteiskuntaan”, sanoo CERNin pääjohtaja Fabiola Gianotti. ”Vaikka FCC asettaa uusia, pelottavia haasteita, se hyötyisi suuresti CERNin asiantuntemuksesta, kiihdytinkompleksista ja infrastruktuureista, joita on kehitetty yli puolen vuosisadan ajan.”
Show me the money
Kun otetaan huomioon FCC:n rakentamisen valtavat kustannukset, FCC:n rakentaminen tarvitsisi laajaa tukea yhteisöltä, ja niinpä FCC:n virkailijat ovatkin rakentaneet CERN:n virkamiehet ovat rakentaneet ahkerasti viime vuosien aikana sellaista yhteistyökumppanuutta, joka nykyään muodostuu 135 instituutiosta ja joka koostuu nykyään 135 instituutiosta ja joka on sijoittautuneena 34:ään maahan. ”Tämän pyrkimyksen toteuttaminen maailmanlaajuisena yhteistyönä on todella tärkeää”, sanoo CERNin fyysikko Michael Benedikt, joka johtaa FCC-hanketta. ”Tämä avaa mahdollisuuden huomattaviin luontoissuorituksiin osapuolilta, jotka ovat asiantuntijoita tällaisen koneen osien rakentamisessa.”
Sitäkin huolimatta, että fyysikot saavat rahallista tukea FCC:n rakentamiseen, herää kysymys siitä, milloin koneen rakentaminen aloitetaan. Yksi vaihtoehto on aloittaa kaksinkertaistamalla LHC:n energia noin 30 TeV:iin korkean energian päivityksellä (HE-LHC). Benedikt on kuitenkin sitä mieltä, että HE-LHC voidaan ehkä ohittaa ja siirtyä suoraan FCC:hen. Tällöin HL-LHC-ohjelma kulkisi rinnakkain FCC-tunnelin rakentamisen kanssa ja pysähtyisi noin vuonna 2037. FCC-ee aloittaisi sitten toimintansa noin vuonna 2040.
Seuraavan törmäyttimen rakentaminen
Mutta CERN ei ole ainoa, joka kehittää uusia pyöreitä törmäyttimen malleja. Marraskuussa kiinalaiset fyysikot esittelivät käsitteellisen suunnitelman omasta 100 kilometrin pituisesta tunnelistaan, jossa olisi ensin elektroni-positronikone ja sitten 100 TeV:n teholla toimiva protoni-protonitörmäytin. Vaikka kiinalaisen törmäyttimen rakentaminen voisi alkaa aikaisemmin kuin FCC:n, Benedikt sanoo, että näiden kahden suunnitelman välillä on monia yhtäläisyyksiä. ”Se on hyvä asia”, Benedikt lisää. ”Kiinan huomattavat ponnistelut vahvistavat, että tämä on varteenotettava vaihtoehto ja että tällaista laitetta kohtaan on laaja kiinnostus.”
Analyysi:
Kysymys on yksinkertainen, mutta vastaus osoittautuu melko hankalaksi: onko ympyrä- vai lineaarinen törmäytin paras tapa tehdä tarkkoja mittauksia Higgsin bosonista?
CERNin suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) on tuottanut runsaasti Higgsin bosoneja sen jälkeen, kun hiukkanen löydettiin vuonna 2012, mutta protoni-protoni-törmäytykset eivät kuitenkaan ole paras tapa tutkia hiukkasen tarkkoja ominaisuuksia. Tämä johtuu siitä, että protonit eivät ole alkeishiukkasia, joten niiden törmäyksissä syntyy roskia, jotka vaikuttavat mittausten tarkkuuteen.
Tämä ei kuitenkaan päde, kun elektronit ja positronit törmäytetään yhteen, ja siksi hiukkasfyysikot haluavat rakentaa tällaisen koneen Higgsin bosonin tutkimista varten ja pyrkiä havaitsemaan pieniä poikkeamia, jotka saattaisivat antaa vihjeitä Standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta.
Fyysikot ovat jo vuosia suunnitelleet lineaarisia törmäyslaitteistoja, jotka toimisivat TeV:n asteikolla. Yksi tällaisista johtavista suunnitelmista on International Linear Collier (ILC), jota Japani on osoittanut kiinnostusta isännöidä, vaikkakin halvemmassa, 250 GeV:n teholla toimivassa versiossa.
Johtuen tarpeesta voittaa synkrotronisäteilyn aiheuttamat energiahäviöt elektronien kiihdyttäessä rengasta, lineaariset törmäyttimet tarjoavat suuremman luminositeettitehokkuuden – hiukkasten törmäysnopeuden mittarin – kuin pyöreät törmäyttämöt, kun törmäysenergian teho on suurempi kuin 400 GeV. Tämän kynnysarvon alapuolella ympyrätörmäyttimillä on kuitenkin parempi luminositeetti kuin lineaaritörmäyttimillä – ja niissä voi myös olla useita detektoreita renkaan ympärillä.
Jos Higgsin bosonin massa olisi noin 500 GeV tai enemmän, useimmat olisivat samaa mieltä siitä, että lineaaritörmäytin tarjoaa parhaan tavan edetä. Mutta kun Higgsin massa on 125 GeV, menettelyyn on heitetty melko suuri luminositeettikäyräpallo. Tämä on palauttanut ympyränmuotoiset törmäyttämöt takaisin piirustuspöydälle, ja viimeisten viiden vuoden ajan fyysikot ovat suunnitelleet mahdollisia vaihtoehtoja. Tuloksena on syntynyt kaksi viimeaikaista ehdotusta – Future Circular Collider (ks. pääteksti) ja Kiinan Circular Electron Positron Collider, jonka suunnitelma julkaistiin viime marraskuussa.
Vaikka ympyrätörmäyssuunnitelmissa joudutaan maksamaan valtavan maanalaisen tunnelin rakentamisesta aiheutuvat kustannukset, ne korvaavat tämän monipuolisuudellaan ja sillä tosiasialla, että fyysikoilla on vuosikymmenien kokemus tällaisten törmäyspaikkojen rakentamisesta. Samaa 100 kilometrin tunnelia voitaisiin käyttää esimerkiksi myös 100 TeV:n teholla toimivaan protoni-protonikoneeseen, jolla etsittäisiin uusia hiukkasia.
Teknologia sekä ILC:tä että 100 kilometrin pituista elektroni-positronitörmäytintä varten on valmiina, mutta kun otetaan huomioon molempien silmiä hivelevät hintalappuset, kaikki suunnitelmat tarvitsisivat paljon kansainvälistä yhteistyötä. Yleisesti ymmärretään, että Japani tarjoutuisi rahoittamaan vain puolet 7,5 miljardin dollarin ILC:n kustannuksista.
Jos vain toinen laitteista rakennetaan, mikä näyttää todennäköiseltä, kysymys kuuluu, mikä niistä? Taistelulinjat on vedetty.