Fizicienii de la CERN au dezvăluit proiectul unui uriaș distrugător de particule cu o circumferință de 100 km, care ar urma să fie utilizat pentru a studia bosonul Higgs în detalii fără precedent, precum și pentru a căuta noi fizici. Astăzi, a fost publicat raportul de proiectare conceptuală pentru viitorul accelerator circular (Future Circular Collider – FCC) – un accelerator de particule subteran care ar urma să fie conectat la actualul accelerator de particule Large Hadron Collider (LHC) de lângă Geneva.
De când LHC a fost pornit pentru prima dată în 2008, acceleratorul de particule cu o circumferință de 27 km a ciocnit protoni la energii de până la 13 TeV în căutarea de noi particule. În 2012, fizicienii au anunțat că au descoperit bosonul Higgs cu o masă de 125 GeV. În urma acestei descoperiri, François Englert și Peter Higgs au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2013 pentru activitatea de predicție teoretică a particulei. Cu toate acestea, de atunci nu a mai fost descoperită nicio particulă dincolo de Modelul Standard, cum ar fi partenerii supersimetrici.
În timp ce LHC va mai funcționa încă câteva decenii înainte de a fi oprit definitiv, de peste trei decenii fizicienii efectuează R&D pe ciocnitori liniari care ar putea fi într-o zi succesorul LHC. Unul dintre cele mai importante eforturi de proiectare este International Linear Collider (ILC), care ar accelera electroni și pozitroni folosind cavități supraconductoare. Deoarece electronii și pozitronii sunt particule fundamentale, ciocnirile lor sunt mai curate decât ciocnirile proton-proton de la LHC, deci sunt ideale pentru a studia particulele în detaliu.
Japonia este singura țară care s-a arătat interesată să găzduiască ILC, dar guvernul japonez a tras de timp pentru a decide dacă va găzdui aparatul. Acest lucru i-a forțat pe fizicieni să își reducă recent proiectul pentru ILC de la 500 GeV la 250 GeV, urmând ca guvernul japonez să ia o decizie finală privind găzduirea ILC în luna martie.
Cu toate acestea, fizicienii de particule văd în continuare avantaje în a păstra coliziunile circulare mari, nu în ultimul rând pentru că au multă experiență în construirea acestora. Din 1989 până în 2000, de exemplu, CERN a operat Large Electron-Positron Collider (LEP), care se afla în același tunel care găzduiește acum LHC și care a efectuat măsurători precise ale bosonilor Z și W. Și având în vedere masa relativ mică a lui Higgs, un accelerator circular ar putea produce luminozități mai mari fără a suferi pierderi uriașe din cauza radiației sincrotronice, care ar afecta un accelerator care funcționează la energii mai mari de 500 GeV.
Studii de precizie
Proiectul FCC a fost inițiat în 2013 de către comunitatea europeană de fizică a particulelor, cu o reuniune organizată în anul următor la Geneva pentru a începe lucrul la raport. Noul raport de proiectare conceptuală, în patru volume, analizează fezabilitatea construirii unui accelerator circular de 100 km și examinează fizica pe care o astfel de mașină potențială ar putea-o realiza. În primul rând, acesta prevede construirea unui tunel subteran de 100 km care ar găzdui un accelerator de electroni și pozitroni (FCC-ee). Această mașină ar consta din 80 km de magneți de curbură pentru a accelera fasciculul, precum și din magneți cuadripolari care focalizează fascicululul înainte de a le ciocni în două puncte din inel.
Raportul de proiectare conceptuală a FCC este o realizare remarcabilă. Acesta arată potențialul extraordinar al FCC pentru a ne îmbunătăți cunoștințele de fizică fundamentală și pentru a avansa multe tehnologii cu un impact larg asupra societății
Fabiola Gianotti
FCC-ee – al cărui cost este estimat la aproximativ 9 miliarde de dolari, din care 5 miliarde de dolari vor fi folosiți pentru construirea tunelului – va funcționa la patru energii pe o perioadă de 15 ani. Coliderul ar începe la 91 GeV, producând aproximativ 1013 bosoni Z în patru ani, înainte de a funcționa la 160 GeV pentru a produce 108 particule W+ și W- pentru o perioadă de doi ani. În timp ce particulele W și Z au fost deja măsurate de coliderul LEP, se estimează că aparatul FCC-ee ar îmbunătăți aceste măsurători cu un ordin de mărime.
Prin urmare, funcționând la 240 GeV timp de trei ani, FCC-ee s-ar concentra pe crearea unui milion de particule Higgs. Acest lucru ar permite fizicienilor să studieze proprietățile bosonului Higgs cu o precizie cu un ordin de mărime mai bună decât ceea ce este posibil în prezent cu LHC. În cele din urmă, acceleratorul ar urma să fie oprit timp de un an pentru a-l pregăti pentru a funcționa la aproximativ 360 GeV pentru a produce un milion de perechi top și anti-top pe parcursul a cinci ani. Măsurătorile mai precise ale acestor particule ar putea indica abateri de la previziunile Modelului Standard care ar putea indica o nouă fizică.
După ce programul de fizică pentru FCC-ee va fi finalizat, același tunel ar putea fi folosit pentru a găzdui un accelerator de protoni-protoni (FCC-hh), în același mod în care LEP a făcut loc LHC. „FCC ar putea fi o replică de acțiune a LEP și LHC”, spune teoreticianul John Ellis de la Kings College London. „Un accelerator proton-proton ar oferi cea mai bună șansă de a descoperi noi particule”.
China dezvăluie proiectul unei uriașe „fabrici Higgs” subterane
FCC-hh ar folosi LHC și acceleratoarele sale preinjectoare pentru a alimenta acceleratorul care ar putea atinge o energie maximă de 100 TeV – de șapte ori mai mare decât LHC. Cu toate acestea, pentru a produce astfel de energii de coliziune ar necesita dezvoltarea de noi magneți care să funcționeze la câmpuri magnetice mai mari pentru a dirija fasciculul în jurul colizorului. În prezent, LHC funcționează cu magneți supraconductori de 8 T realizați din aliaje de niobiu-titan (NbTi). Magneții supraconductori sunt utilizați deoarece permit circulația unor curenți mari fără a disipa energie din cauza rezistenței electrice. Cu toate acestea, FCC-hh, cu fascicule de 50 GeV, ar necesita în schimb magneți de 16 T realizați din supraconductor de niobiu-staniu (Nb3Sn).
În prezent, LHC este supus unei opriri de doi ani pentru a-și îmbunătăți luminozitatea – o măsură a ratei de coliziuni de particule – cu un factor de 10. Denumit High-Luminosity LHC (HL-LHC), acesta își propune să pună la încercare acest material folosind magneți dipolari supraconductori Nb3Sn de 11 T. Cu toate acestea, trebuie să se efectueze mai mult R&D înainte ca aceștia să poată fi utilizați la 16 T. Având în vedere nevoia de R&D, precum și costurile ridicate de construcție a magneților, costul estimat al FCC-hh ar fi de aproximativ 15 miliarde de dolari, în comparație cu aproximativ 13 miliarde de dolari pentru costul total al LHC.
Conducerea acestui efort ca o colaborare globală este cu adevărat importantă. Acest lucru deschide posibilitatea unor contribuții substanțiale în natură
Michael Benedikt
FCC-hh ar avea o luminozitate totală integrată de aproximativ 15-20 ab-1 – cu un factor de 5-10 mai mare decât cea produsă la HL-LHC – și corespunzând la producerea a 1010 bosoni Higgs. De asemenea, ar fi utilizat pentru a căuta noi particule cu mase mai mari decât cele posibile la LHC, precum și pentru a descoperi sau a exclude existența unor particule termice de materie întunecată cunoscute sub numele de WIMP. La fel ca în cazul LHC, FCC-hh ar putea fi folosit și ca accelerator de ioni grei, care ar putea ciocni ioni de plumb la 39 TeV pentru a studia efecte precum plasma quark-gluon. Se estimează că acceleratorul ar fi operațional timp de cel puțin 25 de ani pentru a „oferi un instrument de cercetare până la sfârșitul secolului XXI”.
„Raportul de proiectare conceptuală al FCC este o realizare remarcabilă. Acesta arată potențialul extraordinar al FCC de a ne îmbunătăți cunoștințele de fizică fundamentală și de a avansa multe tehnologii cu un impact larg asupra societății”, a declarat directorul general al CERN, Fabiola Gianotti. „Deși prezintă provocări noi și descurajante, FCC ar beneficia foarte mult de expertiza CERN, de complexul de acceleratoare și de infrastructurile CERN, care au fost dezvoltate de-a lungul a mai mult de jumătate de secol.”
Show me the money
Datorită costurilor uriașe ale construcției FCC, aceasta ar avea nevoie de un sprijin larg din partea comunității, astfel că oficialii de la CERN s-au ocupat în ultimii ani de crearea unei colaborări care în prezent este formată din 135 de instituții din 34 de țări. „A conduce acest efort ca o colaborare globală este cu adevărat important”, spune fizicianul CERN Michael Benedikt, care conduce proiectul FCC. „Acest lucru deschide posibilitatea unor contribuții substanțiale în natură din partea părților care sunt experte în construirea unor părți ale unei astfel de mașini.”
Chiar dacă fizicienii obțin sprijin financiar pentru a construi FCC, se pune problema când să înceapă construcția mașinii. O opțiune este de a începe prin dublarea energiei LHC la aproximativ 30 TeV cu un upgrade de înaltă energie (HE-LHC). Cu toate acestea, Benedikt crede că ar putea fi posibil să se ocolească HE-LHC și să se treacă direct la FCC. În acest caz, programul HL-LHC s-ar desfășura în paralel cu construcția tunelului FCC înainte de a se opri în jurul anului 2037. FCC-ee ar începe apoi să funcționeze în jurul anului 2040.
Construirea următorului accelerator
Dar CERN nu este singurul care dezvoltă noi proiecte de acceleratoare circulare. În noiembrie, fizicienii din China au dezvăluit designul conceptual pentru propriul său tunel de 100 km, care ar urma să găzduiască mai întâi o mașină de electroni-pozitroni înainte de a găzdui un accelerator de protoni-protoni care să funcționeze la 100 TeV. Deși construcția coliderului chinezesc ar putea începe mai devreme decât cea a FCC, Benedikt spune că există multe asemănări între cele două proiecte. „Acesta este un lucru bun”, adaugă Benedikt. „Efortul considerabil depus de China confirmă faptul că aceasta este o opțiune validă și că există un interes larg pentru o astfel de mașină.”
Analiză: Să ne întoarcem din nou în cerc?
Este o întrebare destul de simplă, dar răspunsul se dovedește a fi destul de dificil: este un accelerator circular sau liniar cea mai bună cale de urmat pentru a efectua măsurători precise asupra bosonului Higgs?
În timp ce acceleratorul Large Hadron Collider (LHC) de la CERN a produs o cantitate copioasă de bosoni Higgs de când particula a fost descoperită în 2012, coliziunile proton-proton nu reprezintă cea mai bună modalitate de a studia proprietățile precise ale unei particule. Acest lucru se datorează faptului că protonii nu sunt particule elementare și, prin urmare, coliziunile lor produc resturi care afectează acuratețea măsurătorilor.
Nu este însă cazul atunci când se ciocnesc electroni cu pozitroni și acesta este motivul pentru care fizicienii de particule doresc să construiască o astfel de mașinărie pentru a studia bosonul Higgs și pentru a încerca să depisteze orice abatere minusculă care ar putea da indicii despre fizica dincolo de Modelul Standard.
De ani de zile, fizicienii au proiectat ciocnitori liniari care ar funcționa la scara TeV. Un astfel de proiect de frunte este International Linear Collier (ILC), pe care Japonia s-a arătat interesată să îl găzduiască, deși într-o încarnare mai ieftină care funcționează la 250 GeV.
Datorită necesității de a depăși pierderile de energie cauzate de radiația sincrotronică pe măsură ce electronii sunt accelerați în jurul inelului, ciocnitoarele liniare oferă o luminozitate mai mare – o măsură a ratei de ciocnire a particulelor – în comparație cu omologii lor circulari pentru energii de coliziune de peste 400 GeV. Cu toate acestea, la energii sub acest prag, ciocnitoarele circulare au luminozități mai bune decât ciocnitoarele liniare – și pot găzdui, de asemenea, mai multe detectoare în jurul inelului.
Dacă masa bosonului Higgs ar fi de aproximativ 500 GeV sau mai mult, majoritatea ar fi de acord că un ciocnitor liniar oferă cea mai bună cale de urmat. Dar, având în vedere că masa Higgs este de 125 GeV, o minge curbă de luminozitate destul de mare a fost aruncată în proceduri. Acest lucru a readus cu fermitate colizoarele circulare pe planșa de desen și, în ultimii cinci ani, fizicienii au proiectat posibile alternative. Acest lucru a avut ca rezultat două propuneri recente – acceleratorul circular al viitorului (a se vedea textul principal) și acceleratorul circular de electroni și pozitroni al Chinei, al cărui proiect a fost făcut public în noiembrie anul trecut.
În timp ce proiectele circulare trebuie să suporte costul construirii unui tunel subteran uriaș, ele compensează mai mult în ceea ce privește versatilitatea și faptul că fizicienii au zeci de ani de experiență în construirea lor. De exemplu, același tunel de 100 km ar putea fi folosit și pentru o mașină proton-proton care să funcționeze la 100 TeV și care ar fi folosită pentru a căuta noi particule.
Tehnologia atât pentru un ILC, cât și pentru un accelerator de electroni și pozitroni de 100 km este gata, dar, având în vedere prețul exorbitant al ambelor, toate proiectele ar avea nevoie de un volum mare de colaborare internațională. Într-adevăr, se înțelege pe scară largă că Japonia s-ar oferi să finanțeze doar jumătate din costul de 7,5 miliarde de dolari al ILC.
Dacă se construiește doar o singură mașină, așa cum pare probabil, întrebarea este care dintre ele? Liniile de luptă au fost trasate.
.