Fizycy z CERN-u ujawnili projekt ogromnego urządzenia do rozbijania cząstek o obwodzie 100 km, które zostałoby wykorzystane do bezprecedensowego badania bozonu Higgsa oraz poszukiwania nowej fizyki. Dziś opublikowano raport z projektu koncepcyjnego przyszłego kolidera kołowego (FCC) – podziemnego zderzacza cząstek, który byłby połączony z istniejącym Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) w pobliżu Genewy.
Od czasu pierwszego uruchomienia LHC w 2008 r., zderzacz cząstek o obwodzie 27 km rozbija protony o energie do 13 TeV w poszukiwaniu nowych cząstek. W 2012 r. fizycy ogłosili, że odkryli bozon Higgsa o masie 125 GeV. Dzięki temu François Englert i Peter Higgs otrzymali w 2013 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za teoretyczne przewidywania dotyczące tej cząstki. Jednak od tego czasu nie znaleziono żadnych cząstek spoza Modelu Standardowego, takich jak partnerzy supersymetryczni.
Podczas gdy LHC będzie działał jeszcze przez kilka dekad, zanim zostanie ostatecznie wyłączony, od ponad trzech dekad fizycy prowadzą prace R&D nad zderzaczami liniowymi, które pewnego dnia mogłyby być następcą LHC. Jednym z wiodących projektów jest Międzynarodowy Zderzacz Liniowy (ILC), który miałby przyspieszać elektrony i pozytony przy użyciu wnęk nadprzewodnikowych. Ponieważ elektrony i pozytony są cząstkami podstawowymi, ich zderzenia są czystsze niż zderzenia proton-proton w LHC, więc są idealne do bardzo szczegółowego badania cząstek.
Japonia jest jedynym krajem, który wykazał zainteresowanie goszczeniem ILC, ale rząd japoński ociąga się z podjęciem decyzji o goszczeniu tej maszyny. Zmusiło to fizyków do niedawnego zmniejszenia skali projektu ILC z 500 GeV do 250 GeV, przy czym oczekuje się, że rząd japoński podejmie ostateczną decyzję o przyjęciu ILC w marcu.
Jednakże fizycy cząstek elementarnych nadal widzą korzyści z utrzymywania dużych kolumn okrężnych, nie tylko dlatego, że mają duże doświadczenie w ich budowie. Na przykład w latach 1989-2000 w CERN-ie działał Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (LEP), który znajdował się w tym samym tunelu, w którym obecnie znajduje się LHC. A biorąc pod uwagę stosunkowo niską masę Higgsa, kolisty zderzacz byłby w stanie produkować wyższe luminozje bez ponoszenia ogromnych strat z powodu promieniowania synchrotronowego, które wpłynęłoby na zderzacz działający przy wyższych energiach rzędu 500 GeV.
Badania precyzyjne
Projekt FCC został zainicjowany w 2013 roku przez europejską społeczność zajmującą się fizyką cząstek elementarnych, a spotkanie, które odbyło się w następnym roku w Genewie, miało na celu rozpoczęcie prac nad raportem. Nowy, czterotomowy raport koncepcyjny przygląda się możliwościom budowy kolistego zderzacza o średnicy 100 km i bada fizykę, jaką taka potencjalna maszyna mogłaby przeprowadzić. W pierwszej kolejności postuluje się budowę 100-kilometrowego podziemnego tunelu, w którym znalazłby się zderzacz elektronowo-pozytonowy (FCC-ee). Maszyna ta składałaby się z 80 km magnesów zginających, które przyspieszałyby wiązkę, jak również z magnesów kwadrupolowych, które skupiałyby wiązkę przed zderzeniem w dwóch punktach pierścienia.
Raport z projektu koncepcyjnego FCC jest niezwykłym osiągnięciem. Pokazuje on ogromny potencjał FCC w zakresie poprawy naszej wiedzy na temat fizyki fundamentalnej i rozwoju wielu technologii o szerokim wpływie na społeczeństwo
Fabiola Gianotti
FCC-ee – którego koszt szacuje się na około 9 miliardów dolarów, z czego 5 miliardów zostałoby przeznaczone na budowę tunelu – miałby działać przy czterech energiach przez okres 15 lat. Zderzacz rozpocząłby pracę przy 91 GeV, produkując około 1013 bozonów Z przez cztery lata, a następnie działałby przy 160 GeV, produkując 108 cząstek W+ i W- przez dwa lata. Chociaż cząstki W i Z zostały już zmierzone przez zderzacz LEP, szacuje się, że urządzenie FCC-ee poprawiłoby te pomiary o rząd wielkości.
Potem, pracując przez trzy lata przy 240 GeV, FCC-ee skupiłby się na wytworzeniu miliona cząstek Higgsa. Pozwoliłoby to fizykom badać własności bozonu Higgsa z dokładnością o rząd wielkości większą niż ta, która jest obecnie możliwa w LHC. Następnie zderzacz zostanie zamknięty na rok, aby przygotować go do pracy przy energii około 360 GeV i wyprodukowania miliona par wierzchołków i antycząstek w ciągu pięciu lat. Dokładniejsze pomiary takich cząstek mogłyby wskazać na odchylenia od przewidywań Modelu Standardowego, które mogłyby wskazać na nową fizykę.
Po zakończeniu programu fizyki dla FCC-ee, ten sam tunel mógłby zostać wykorzystany do umieszczenia w nim zderzacza proton-proton (FCC-hh) w podobny sposób, w jaki LEP zrobił miejsce dla LHC. „FCC może być odpowiedzią na działania LEP i LHC” – mówi teoretyk John Ellis z Kings College w Londynie. „Zderzacz proton-proton oferowałby najlepsze szanse na odkrycie nowych cząstek”.
Chiny ujawniają projekt ogromnej podziemnej „fabryki Higgsa”
FCC-hh używałaby LHC i jego akceleratorów wstępnych do zasilania zderzacza, który mógłby osiągnąć energię 100 TeV – siedem razy większą niż LHC. Uzyskanie takich energii zderzeń wymagałoby jednak opracowania nowych magnesów, które działałyby przy wyższych polach magnetycznych, aby kierować wiązkę wokół zderzacza. LHC pracuje obecnie z magnesami nadprzewodzącymi 8 T wykonanymi ze stopów niobu i tytanu (NbTi). Magnesy nadprzewodzące są używane, ponieważ pozwalają na przepływ dużych prądów bez rozpraszania energii z powodu oporu elektrycznego. Jednakże FCC-hh, z wiązkami o energii 50 GeV, wymagałby magnesów 16 T wykonanych z nadprzewodnika niobowo-cynowego (Nb3Sn).
Obecnie LHC jest w trakcie dwuletniego wyłączenia w celu poprawy jego luminacji – miary szybkości zderzeń cząstek – o współczynnik 10. Nazwany High-Luminosity LHC (HL-LHC) ma na celu przetestowanie tego materiału poprzez użycie 11 T nadprzewodzących magnesów dipolowych Nb3Sn. Jednak zanim będzie można ich użyć przy 16 T, należy przeprowadzić więcej badań R&D. Biorąc pod uwagę potrzebę R&D oraz wysokie koszty budowy magnesów, szacowany koszt FCC-hh wyniósłby około 15 miliardów dolarów, w porównaniu z około 13 miliardami dolarów całkowitego kosztu LHC.
Prowadzenie tego przedsięwzięcia w ramach globalnej współpracy jest naprawdę ważne. Otwiera to możliwość znacznego wkładu rzeczowego
Michael Benedikt
FCC-hh miałby całkowitą zintegrowaną luminancję około 15-20 ab-1 – czynnik 5-10 większy niż w HL-LHC – i odpowiadający 1010 wyprodukowanym bozonom Higgsa. Byłby on również wykorzystywany do poszukiwania nowych cząstek o masach wyższych niż możliwe do uzyskania w LHC, a także do odkrycia lub wykluczenia istnienia termicznych cząstek ciemnej materii znanych jako WIMP. Podobnie jak w przypadku LHC, FCC-hh mógłby być również używany jako zderzacz ciężkich jonów, rozbijając jony ołowiu przy energii 39 TeV w celu badania efektów takich jak plazma kwarkowo-gluonowa. Szacuje się, że zderzacz będzie działał przez co najmniej 25 lat, aby „zapewnić narzędzie badawcze do końca XXI wieku”.
„Raport z projektu koncepcyjnego FCC jest niezwykłym osiągnięciem. Pokazuje on ogromny potencjał FCC w zakresie poprawy naszej wiedzy na temat fizyki fundamentalnej oraz postępu wielu technologii o szerokim wpływie na społeczeństwo” – mówi dyrektor generalny CERN Fabiola Gianotti. „Stawiając nowe, zniechęcające wyzwania, FCC w znacznym stopniu skorzystałby z wiedzy specjalistycznej CERN-u, kompleksu akceleratorów i infrastruktury, które zostały opracowane w ciągu ponad pół wieku.”
Pokaż mi pieniądze
Zważywszy na ogromne koszty budowy FCC, wymagałaby ona szerokiego wsparcia ze strony społeczności, dlatego urzędnicy w CERN-ie byli zajęci budowaniem w ostatnich latach współpracy, która obecnie składa się ze 135 instytucji w 34 krajach. „Prowadzenie tego przedsięwzięcia w ramach globalnej współpracy jest naprawdę ważne” – mówi fizyk z CERN Michael Benedikt, który kieruje projektem FCC. „To otwiera możliwość znacznego wkładu rzeczowego od stron, które są ekspertami w budowaniu części takiej maszyny.”
Nawet jeśli fizycy otrzymają wsparcie finansowe na budowę FCC, pojawia się pytanie, kiedy rozpocząć budowę maszyny. Jedną z opcji jest rozpoczęcie od podwojenia energii LHC do około 30 TeV poprzez modernizację wysokoenergetyczną (HE-LHC). Benedikt uważa jednak, że możliwe jest ominięcie HE-LHC i przejście od razu do FCC. W takim przypadku program HL-LHC byłby realizowany równolegle z budową tunelu FCC, po czym zatrzymałby się około roku 2037. FCC-ee rozpocząłby wtedy pracę około roku 2040.
Budując następny zderzacz
Jednakże CERN nie jest jedynym, który opracowuje nowe projekty kolidera kołowego. W listopadzie fizycy z Chin przedstawili koncepcyjny projekt własnego 100-kilometrowego tunelu, który najpierw pomieściłby maszynę elektronowo-pozytonową, a następnie zderzacz proton-proton działający z prędkością 100 TeV. Chociaż budowa chińskiego kolidera mogłaby rozpocząć się wcześniej niż FCC, Benedikt twierdzi, że istnieje wiele podobieństw między tymi dwoma projektami. „To jest dobra rzecz”, dodaje Benedikt. „Znaczne wysiłki Chin potwierdzają, że jest to ważna opcja i istnieje szerokie zainteresowanie taką maszyną.”
Analiza: Let’s go round again?
To dość proste pytanie, ale odpowiedź na nie okazuje się dość podchwytliwa: czy najlepszym sposobem na przeprowadzenie precyzyjnych pomiarów bozonu Higgsa jest zderzacz kołowy czy liniowy?
Choć Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN produkuje ogromne ilości bozonów Higgsa od czasu odkrycia tej cząstki w 2012 roku, zderzenia proton-proton nie są najlepszym sposobem na badanie dokładnych właściwości cząstki. Dzieje się tak dlatego, że protony nie są cząstkami elementarnymi, więc w wyniku ich zderzeń powstają odłamki, które wpływają na dokładność pomiarów.
Nie dzieje się tak jednak w przypadku zderzania elektronów z pozytonami i dlatego fizycy cząstek elementarnych chcą zbudować taką maszynę do badania bozonu Higgsa i próbują dostrzec wszelkie drobne odchylenia, które mogłyby dać wskazówki dotyczące fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Od lat fizycy projektują zderzacz liniowy, który działałby w skali TeV. Jednym z takich wiodących projektów jest International Linear Collier (ILC), którego gospodarzem zainteresowana jest Japonia, choć w tańszym wcieleniu działającym przy energii 250 GeV.
Ze względu na konieczność przezwyciężenia strat energii pochodzących od promieniowania synchrotronowego, gdy elektrony są przyspieszane wokół pierścienia, zderzacz liniowy oferuje wyższą luminancję – miarę szybkości zderzeń cząstek – w porównaniu z jego okrągłymi odpowiednikami dla energii zderzeń powyżej 400 GeV. Jednak przy energiach poniżej tego progu, zderzacz kołowy ma lepszą luminancję niż liniowy, a ponadto może być wyposażony w wiele detektorów rozmieszczonych wokół pierścienia.
Gdyby masa bozonu Higgsa wynosiła około 500 GeV lub więcej, większość zgodziłaby się, że zderzacz liniowy jest najlepszym rozwiązaniem. Jednak gdy masa bozonu Higgsa wynosi 125 GeV, mamy do czynienia z dość dużą krzywą luminancji. To sprawiło, że kolimery kołowe zostały ponownie umieszczone na desce kreślarskiej i przez ostatnie pięć lat fizycy projektowali możliwe alternatywy. Efektem tego są dwie ostatnie propozycje – Future Circular Collider (patrz tekst główny) oraz chiński Circular Electron Positron Collider, którego projekt został opublikowany w listopadzie ubiegłego roku.
Choć konstrukcje kołowe muszą ponosić koszty budowy ogromnego podziemnego tunelu, nadrabiają to wszechstronnością i faktem, że fizycy mają dekady doświadczenia w ich budowie. Na przykład, ten sam 100-kilometrowy tunel mógłby zostać wykorzystany do budowy maszyny proton-proton działającej przy energii 100 TeV, która byłaby używana do poszukiwania nowych cząstek.
Technologia zarówno dla ILC, jak i 100-kilometrowego zderzacza elektronowo-pozytonowego jest gotowa, ale biorąc pod uwagę zapierające dech w piersiach ceny obu tych konstrukcji, wszystkie projekty wymagałyby dużej współpracy międzynarodowej. W rzeczy samej, powszechnie wiadomo, że Japonia zaoferowałaby sfinansowanie tylko połowy kosztów ILC, wynoszących 7,5 miliarda dolarów.
Jeśli tylko jedna maszyna zostanie zbudowana, co wydaje się prawdopodobne, pytanie brzmi: która? Linie walki zostały już wyznaczone.
.