A CERN fizikusai bemutatták egy hatalmas, 100 km-es kerületű részecskegyorsító tervét, amelyet a Higgs-bozon példátlan részletességű tanulmányozására, valamint új fizika keresésére használnának. A mai napon közzétették a Future Circular Collider (FCC) – egy földalatti részecskeütköztető – koncepcionális tervezési jelentését, amelyet a Genf közelében lévő Nagy Hadronütköztetőhöz (LHC) kapcsolnának.
Az LHC 2008-as bekapcsolása óta a 27 km-es kerületű részecskeütköztető protonokat zúz össze akár 13 TeV energiával, új részecskék után kutatva. A fizikusok 2012-ben bejelentették, hogy felfedezték a 125 GeV tömegű Higgs-bozont. Ennek eredményeképpen François Englert és Peter Higgs megkapták a 2013-as fizikai Nobel-díjat a részecskével kapcsolatos elméleti előrejelző munkájukért. Azóta azonban nem találtak a Standard Modellen túli részecskéket, például szuperszimmetrikus partnereket.
Míg az LHC még néhány évtizedig fog működni, mielőtt végleg kikapcsolják, a fizikusok már több mint három évtizede végeznek R&D munkát lineáris ütköztetőkön, amelyek egy napon az LHC utódjai lehetnek. Az egyik vezető tervezési törekvés a Nemzetközi Lineáris Ütköztető (ILC), amely szupravezető üregek segítségével gyorsítaná az elektronokat és pozitronokat. Mivel az elektronok és pozitronok alapvető részecskék, ütközéseik tisztábbak, mint a proton-proton ütközés az LHC-nél, így ideálisak a részecskék nagy részletességű tanulmányozására.
Japán az egyetlen ország, amely érdeklődést mutatott az ILC befogadása iránt, de a japán kormány húzza az időt a gép befogadásáról szóló döntéssel. Ez arra kényszerítette a fizikusokat, hogy a közelmúltban 500 GeV-ról 250 GeV-ra csökkentsék az ILC tervét, és a japán kormány várhatóan márciusban hozza meg a végleges döntést az ILC befogadásáról.
A részecskefizikusok mégis előnyösnek tartják a nagy körkörös ütköztetők fenntartását, nem utolsósorban azért, mert nagy tapasztalattal rendelkeznek az építésükben. A CERN például 1989 és 2000 között működtette a Nagy Elektron-Pozitron Ütköztetőt (LEP), amely ugyanabban az alagútban volt, ahol most az LHC található, és a Z- és W-bozonok pontos méréseit végezte. És tekintettel a Higgs viszonylag kis tömegére, egy körkörös ütköztető nagyobb luminozitást tudna produkálni anélkül, hogy a szinkrotron sugárzásból eredő hatalmas veszteségeket szenvedne el, ami egy 500 GeV-nál magasabb energiáknál működő ütköztetőre hatna.
Precíziós vizsgálatok
A FCC projektet 2013-ban kezdeményezte az európai részecskefizikai közösség, és a következő évben Genfben tartott ülésen megkezdték a jelentés kidolgozását. Az új, négykötetes koncepcionális tervezési jelentés egy 100 km-es körkörös ütköztető megépítésének megvalósíthatóságát vizsgálja, és azt a fizikát vizsgálja, amelyet egy ilyen potenciális gép végezhetne. A jelentés először egy 100 km hosszú földalatti alagút megépítését szorgalmazza, amely egy elektron-pozitron ütköztetőnek (FCC-ee) adna otthont. Ez a gép 80 km hosszúságú hajlítómágnesekből állna, amelyek gyorsítanák a sugárnyalábot, valamint négypólusú mágnesekből, amelyek fókuszálnák a sugárnyalábot, mielőtt a gyűrű két pontján ütköztetnék őket.
A FCC koncepciótervéről szóló jelentés figyelemre méltó teljesítmény. Megmutatja az FCC-ben rejlő óriási lehetőségeket az alapvető fizikai ismereteink javítására és számos, a társadalomra széleskörű hatást gyakorló technológia fejlesztésére
Fabiola Gianotti
Az FCC-ee – amelynek becsült költsége mintegy 9 milliárd dollár, amelyből 5 milliárd dollárt az alagút megépítésére fordítanának – négy energián működne 15 éven keresztül. Az ütköztető 91 GeV-on kezdene, és négy év alatt körülbelül 1013 Z-bozont állítana elő, majd 160 GeV-on működne, és két évig 108 W+ és W- részecskét állítana elő. Míg a W és Z részecskéket a LEP ütköztető már megmérte, a becslések szerint az FCC-ee gép egy nagyságrenddel javítaná ezeket a méréseket.
Az FCC-ee három évig 240 GeV-on működne, és egymillió Higgs-részecske létrehozására összpontosítana. Ez lehetővé tenné a fizikusok számára, hogy a Higgs-bozon tulajdonságait nagyságrenddel jobb pontossággal tanulmányozzák, mint ami ma az LHC-vel lehetséges. Végül az ütköztetőt egy évre leállítanák, hogy felkészítsék arra, hogy körülbelül 360 GeV-on működjön, és öt év alatt egymillió top és anti-top párt állítson elő. Az ilyen részecskék pontosabb mérései olyan eltéréseket jelezhetnek a Standard Modell előrejelzéseitől, amelyek új fizikára utalhatnak.
Amikor az FCC-ee fizikai programja befejeződik, ugyanezt az alagutat felhasználhatnák egy proton-proton ütköztető (FCC-hh) elhelyezésére, hasonlóan ahhoz, ahogy az LEP utat nyitott az LHC-nek. “Az FCC a LEP és az LHC akcióválasza lehetne” – mondja John Ellis teoretikus a Kings College Londonból. “Egy proton-proton ütköztető kínálná a legjobb esélyt új részecskék felfedezésére”.
Kína bemutatja a hatalmas földalatti “Higgs-gyár” tervrajzát
A FCC-hh az LHC-t és annak előgyorsítóit használná az ütköztető táplálására, amely elérheti a 100 TeV-os – az LHC-nél hétszer nagyobb – csúcsenergiát. Az ilyen ütközési energiák előállításához azonban olyan új mágnesek kifejlesztésére lenne szükség, amelyek nagyobb mágneses mezővel működnek, hogy a sugárnyalábot az ütköztető körül irányítsák. Az LHC jelenleg niobium-titán (NbTi) ötvözetből készült 8 T szupravezető mágnesekkel működik. A szupravezető mágneseket azért használják, mert nagy áramok áramlását teszik lehetővé anélkül, hogy az elektromos ellenállás miatt energiát veszítenének el. Az 50 GeV-os sugarakkal rendelkező FCC-hh-nak azonban ehelyett 16 T mágnesekre lenne szüksége, amelyek niobium-tin (Nb3Sn) szupravezetőből készülnek.
Az LHC jelenleg kétéves leállás alatt áll, hogy luminozitását – a részecskeütközések sebességének mértékét – tízszeresére javítsák. A nagy fényerejű LHC (High-Luminosity LHC, HL-LHC) elnevezésű projekt célja, hogy ezt az anyagot 11 T Nb3Sn szupravezető dipólmágnesek segítségével próbára tegye. Mégis több R&D-t kell elvégezni, mielőtt ezeket 16 T-nél is használni lehetne. Tekintettel az R&D szükségességére, valamint a mágnesek magas építési költségeire, az FCC-hh becsült költsége mintegy 15 milliárd dollár lenne, szemben az LHC teljes költségének mintegy 13 milliárd dollárjával.
Ez a törekvés globális együttműködésként való működtetése igazán fontos. Ez jelentős természetbeni hozzájárulások lehetőségét nyitja meg
Michael Benedikt
A FCC-hh teljes integrált luminozitása körülbelül 15-20 ab-1 lenne – 5-10-szer több, mint a HL-LHC-nál -, ami 1010 Higgs-bozon előállításának felel meg. Az LHC-nél lehetségesnél nagyobb tömegű új részecskék keresésére, valamint a WIMP-ként ismert termikus sötét anyagú részecskék felfedezésére vagy kizárására is alkalmas lenne. Az LHC-hez hasonlóan az FCC-hh-t nehézion-ütköztetőként is lehetne használni, ólomionokat ütköztetve 39 TeV-en, olyan hatások tanulmányozására, mint például a kvark-gluon plazma. A becslések szerint az ütköztető legalább 25 évig működne, hogy “a 21. század végéig kutatási eszközként szolgáljon”.
“Az FCC koncepcionális tervezési jelentése figyelemre méltó teljesítmény. Megmutatja, hogy az FCC-ben óriási lehetőségek rejlenek az alapvető fizikai ismereteink bővítésére és számos, a társadalomra széleskörű hatást gyakorló technológia fejlesztésére” – mondta Fabiola Gianotti, a CERN főigazgatója. “Miközben az FCC új, ijesztő kihívások elé állít, a CERN több mint fél évszázad alatt kifejlesztett szakértelme, gyorsítókomplexuma és infrastruktúrája nagy hasznára válna.”
Mutasd a pénzt
Az FCC megépítésének hatalmas költségei miatt a közösség széles körű támogatására lenne szükség, ezért a CERN tisztviselői az elmúlt években azzal foglalkoztak, hogy olyan együttműködést építsenek ki, amely jelenleg 34 ország 135 intézményéből áll. “Igazán fontos, hogy ez a törekvés globális együttműködésként működjön” – mondja Michael Benedikt, a CERN fizikusa, aki az FCC projektet vezeti. “Ez jelentős természetbeni hozzájárulások lehetőségét nyitja meg olyan felek részéről, akik szakértők egy ilyen gép alkatrészeinek megépítésében.”
Még ha a fizikusok pénzügyi támogatást is kapnak az FCC megépítéséhez, felmerül a kérdés, hogy mikor kezdjék el a gép megépítését. Az egyik lehetőség, hogy az LHC energiájának megduplázásával kezdjük, körülbelül 30 TeV-ra, egy nagy energiájú korszerűsítéssel (HE-LHC). Benedikt szerint azonban lehetséges lenne megkerülni a HE-LHC-t, és helyette egyenesen az FCC-hez fordulni. Ebben az esetben a HL-LHC program párhuzamosan futna az FCC alagút építésével, majd 2037 körül leállna. Az FCC-ee ezután 2040 körül kezdené meg működését.
A következő ütköztető építése
Mégsem a CERN az egyetlen, amely új körkörös ütköztető terveket fejleszt. Novemberben kínai fizikusok bemutatták saját 100 km-es alagútjuk koncepcionális tervét, amely először egy elektron-pozitron gépnek adna otthont, majd egy 100 TeV-en működő proton-proton ütköztetőnek. Bár a kínai ütköztető építése korábban kezdődhet, mint az FCC-é, Benedikt szerint sok hasonlóság van a két terv között. “Ez egy jó dolog” – teszi hozzá Benedikt. “Kína jelentős erőfeszítései megerősítik, hogy ez egy érvényes lehetőség, és széleskörű az érdeklődés egy ilyen gép iránt.”
Analízis:
Egyszerű kérdés, de a válasz meglehetősen trükkösnek bizonyul: egy körkörös vagy lineáris ütköztető a legjobb megoldás a Higgs-bozon pontos mérésére?
Míg a CERN nagy hadronütköztetője (LHC) a részecske 2012-es felfedezése óta bőséges mennyiségű Higgs-bozont termel, a proton-proton ütközések nem a legjobb módszer a részecske pontos tulajdonságainak vizsgálatára. Ennek oka, hogy a protonok nem elemi részecskék, ezért ütközéseik során törmelék keletkezik, ami befolyásolja a mérések pontosságát.
Ez azonban nem így van, amikor az elektronokat pozitronokkal ütköztetik össze, és ezért akarnak a részecskefizikusok egy ilyen gépet építeni a Higgs-bozon tanulmányozására, és megpróbálnak kiszúrni minden olyan apró eltérést, amely a Standard Modellen túli fizikára utalhat.
A fizikusok évek óta terveznek lineáris ütköztetőket, amelyek a TeV skálán működnének. Az egyik ilyen vezető terv a Nemzetközi Lineáris Ütköztető (ILC), amelynek befogadására Japán is érdeklődést mutatott, bár egy olcsóbb, 250 GeV-on működő változatban.
A szinkrotron sugárzásból származó energiaveszteségek leküzdése miatt, mivel az elektronokat a gyűrű körül gyorsítják, a lineáris ütköztetők 400 GeV feletti ütközési energiák esetén nagyobb luminozitást – a részecskeütközések sebességének mértékét – kínálnak körkörös társaikhoz képest. E küszöbérték alatti energiáknál azonban a körkörös ütköztetők jobb luminozitással rendelkeznek, mint a lineáris ütköztetők – és több detektort is elhelyezhetnek a gyűrű körül.
Ha a Higgs-bozon tömege 500 GeV vagy annál nagyobb lenne, a legtöbben egyetértenének abban, hogy a lineáris ütköztető kínálja a legjobb megoldást. De mivel a Higgs tömege 125 GeV, egy meglehetősen nagy luminozitású görbe labda került az eljárásba. Ez a körkörös ütköztetőket határozottan visszatette a tervezőasztalra, és az elmúlt öt évben a fizikusok lehetséges alternatívákat terveztek. Ennek eredményeként született meg a közelmúltban két javaslat – a Future Circular Collider (lásd a főszöveget) és a kínai Circular Electron Positron Collider, amelynek tervét tavaly novemberben tették közzé.
Míg a körkörös terveknek viselniük kell egy hatalmas földalatti alagút építésének költségeit, sokoldalúságuk és az a tény, hogy a fizikusok évtizedes tapasztalattal rendelkeznek az építésükben, bőven kárpótolja őket. Például ugyanabba a 100 km-es alagútba egy 100 TeV-en működő proton-proton gépet is lehetne építeni, amellyel új részecskékre lehetne vadászni.
A technológia mind az ILC, mind a 100 km-es elektron-pozitron ütköztetőhöz készen áll, de mivel mindkettőnek szemet szúró ára van, minden tervhez nagyfokú nemzetközi együttműködésre lenne szükség. Valójában széles körben elterjedt, hogy Japán csak a 7,5 milliárd dolláros ILC költségének felét vállalná.
Ha csak az egyik gép épül meg, ami valószínűnek tűnik, a kérdés az, hogy melyik? A csatasorok már kirajzolódtak.