Fysiker vid CERN har avslöjat en plan för en enorm partikelförstörare med en omkrets på 100 km som skulle användas för att studera Higgsbosonen på ett oöverträffat sätt och för att söka efter ny fysik. I dag har den konceptuella designrapporten släppts för Future Circular Collider (FCC) – en underjordisk partikelkolliderare som skulle kopplas samman med den befintliga Large Hadron Collider (LHC) i närheten av Genève.
Sedan LHC först sattes i gång 2008 har partikelkollideraren med en omkrets på 27 km slagit ihop protoner vid energier på upp till 13 TeV i jakten på nya partiklar. År 2012 meddelade fysikerna att de hade upptäckt Higgsbosonen med en massa på 125 GeV. Detta resulterade i att François Englert och Peter Higgs fick 2013 års Nobelpris i fysik för det teoretiska arbetet med att förutsäga partikeln. Sedan dess har dock inga partiklar utanför standardmodellen, såsom supersymmetriska partners, hittats.
Men medan LHC fortfarande kommer att vara igång i ytterligare några decennier innan den slutligen stängs av, har fysiker i mer än tre decennier utfört R&D på linjära kollisionsmaskiner som en dag skulle kunna bli LHC:s efterföljare. En ledande konstruktion är den internationella linjära kollideraren (ILC), som skulle accelerera elektroner och positroner med hjälp av supraledande kaviteter. Eftersom elektroner och positroner är grundläggande partiklar är deras kollisioner renare än proton-protonkollisioner vid LHC, vilket gör dem idealiska för att studera partiklar i detalj.
Japan är det enda land som har visat intresse för att stå värd för ILC, men den japanska regeringen har dragit ut på tiden när det gäller att besluta om den ska stå värd för maskinen. Detta har tvingat fysikerna att nyligen skala ner sin design för ILC från 500 GeV till 250 GeV och den japanska regeringen förväntas ge ett slutgiltigt beslut om att vara värd för ILC i mars.
Partikelfysikerna ser dock fortfarande fördelar med att behålla stora cirkulära kollisionsmaskiner, inte minst för att de har stor erfarenhet av att bygga dem. Från 1989 till 2000 drev CERN till exempel Large Electron-Positron Collider (LEP), som låg i samma tunnel som nu inrymmer LHC och utförde exakta mätningar av Z- och W-bosonerna. Och med tanke på Higgs relativt låga massa skulle en cirkulär kolliderare kunna producera högre ljusstyrkor utan att drabbas av stora förluster från synkrotronstrålning, vilket skulle påverka en kolliderare som arbetar vid högre energier på 500 GeV.
Precisionsstudier
FCC-projektet initierades 2013 av den europeiska partikelfysikgemenskapen med ett möte som hölls året därpå i Genève för att påbörja arbetet med rapporten. Den nya konceptuella designrapporten i fyra volymer undersöker om det är möjligt att bygga en cirkulär kolliderare på 100 km och undersöker den fysik som en sådan potentiell maskin skulle kunna utföra. I rapporten föreslås först att en 100 km lång underjordisk tunnel ska byggas som skulle inrymma en elektron-positronkolliderare (FCC-ee). Denna maskin skulle bestå av 80 km böjningsmagneter för att accelerera strålen samt av kvadrupolmagneter som fokuserar strålen innan de kolliderar på två punkter i ringen.
CCC:s konceptuella designrapport är en anmärkningsvärd bedrift. Den visar FCC:s enorma potential att förbättra vår kunskap om grundläggande fysik och att främja många tekniker med en bred inverkan på samhället
Fabiola Gianotti
FCC-ee – som beräknas kosta cirka 9 miljarder dollar, varav 5 miljarder dollar skulle användas för att bygga tunneln – skulle fungera vid fyra energier under en 15-årsperiod. Kollideraren skulle börja vid 91 GeV och producera cirka 1013 Z-bosoner under fyra år innan den skulle arbeta vid 160 GeV för att producera 108 W+- och W-partiklar under en tvåårsperiod. W- och Z-partiklarna har redan mätts av LEP-kollideraren, men det uppskattas att FCC-ee-maskinen skulle förbättra sådana mätningar med en storleksordning.
För att sedan köra vid 240 GeV i tre år skulle FCC-ee fokusera på att skapa en miljon Higgs-partiklar. Detta skulle göra det möjligt för fysikerna att studera Higgsbosonens egenskaper med en noggrannhet som är en storleksordning bättre än vad som idag är möjligt med LHC. Slutligen skulle kollidatorn stängas av under ett år för att förbereda den för att köras vid cirka 360 GeV för att producera en miljon topp- och anti-topp-par under fem år. Mer exakta mätningar av sådana partiklar skulle kunna visa på avvikelser från standardmodellens förutsägelser som skulle kunna peka på ny fysik.
När fysikprogrammet för FCC-ee är slutfört skulle samma tunnel sedan kunna användas för att hysa en proton-protonkolliderare (FCC-hh) på samma sätt som LEP gjorde plats för LHC. ”FCC skulle kunna vara ett svar på LEP och LHC”, säger teoretikern John Ellis från Kings College London. ”En proton-protonkollider skulle ge de bästa möjligheterna att upptäcka nya partiklar”.
Kina avslöjar ritning för enorm underjordisk ”Higgs-fabrik”
FCC-hh skulle använda LHC och dess förinjektionsacceleratorer för att mata kollidatorn som skulle kunna nå en toppenergi på 100 TeV – sju gånger större än LHC. Men för att åstadkomma sådana kollisionsenergier skulle det krävas utveckling av nya magneter som arbetar med högre magnetfält för att styra strålen runt kollideraren. LHC arbetar för närvarande med 8 T supraledande magneter tillverkade av niobium-titanlegeringar (NbTi). Supraledande magneter används eftersom de tillåter höga strömmar att flöda utan att energi går förlorad på grund av elektriskt motstånd. FCC-hh, med strålar på 50 GeV, skulle dock i stället kräva 16 T-magneter tillverkade av supraledare av niobium-tin (Nb3Sn).
För närvarande genomgår LHC en tvåårig avstängning för att förbättra sin luminositet – ett mått på hastigheten av partikelkollisioner – med en faktor 10. Den kallas High-Luminosity LHC (HL-LHC) och syftar till att sätta detta material på prov genom att använda 11 T Nb3Sn supraledande dipolmagneter med supraledning. Med tanke på behovet av R&D och de höga konstruktionskostnaderna för magneterna beräknas kostnaden för FCC-hh uppgå till cirka 15 miljarder dollar, jämfört med cirka 13 miljarder dollar för den totala kostnaden för LHC.
Det är verkligen viktigt att driva denna satsning som ett globalt samarbete. Detta öppnar upp för möjligheten till betydande bidrag in natura
Michael Benedikt
FCC-hh skulle ha en total integrerad luminositet på cirka 15-20 ab-1 – en faktor 5-10 mer än den som produceras vid HL-LHC – och som motsvarar att 1010 Higgsbosoner produceras. Den skulle också användas för att söka efter nya partiklar med högre massa än vad som är möjligt vid LHC samt för att upptäcka eller utesluta förekomsten av termiska partiklar av mörk materia, så kallade WIMPs. Liksom LHC skulle FCC-hh också kunna användas som en kolliderare för tunga joner, där blyjoner slås samman vid 39 TeV för att studera effekter som en quark-gluon-plasma. Man beräknar att kollideraren skulle vara i drift i minst 25 år för att ”tillhandahålla ett forskningsverktyg fram till slutet av 2000-talet”.
”FCC:s rapport om konceptuell utformning är en anmärkningsvärd prestation. Den visar FCC:s enorma potential att förbättra vår kunskap om grundläggande fysik och att främja många tekniker med en bred inverkan på samhället”, säger CERN:s generaldirektör Fabiola Gianotti. ”Samtidigt som FCC innebär nya, skrämmande utmaningar skulle FCC i hög grad dra nytta av CERN:s expertis, acceleratorkomplex och infrastrukturer, som har utvecklats under mer än ett halvt sekel.”
Show me the money
Med tanke på de enorma kostnaderna för att bygga FCC skulle det behövas ett brett stöd från samhället, och därför har tjänstemännen vid CERN under de senaste åren arbetat intensivt med att bygga upp ett samarbete som nu består av 135 institutioner i 34 länder. ”Att driva detta projekt som ett globalt samarbete är verkligen viktigt”, säger CERN-fysikern Michael Benedikt, som leder FCC-projektet. ”Detta öppnar möjligheten till betydande bidrag in natura från parter som är experter på att bygga delar av en sådan maskin.”
Även om fysikerna får finansiellt stöd för att bygga FCC, finns det en fråga om när maskinen ska börja byggas. Ett alternativ är att börja med att fördubbla energin i LHC till cirka 30 TeV med en uppgradering för hög energi (HE-LHC). Benedikt tror dock att det kan vara möjligt att undvika HE-LHC och gå direkt till FCC i stället. I så fall skulle HL-LHC-programmet löpa parallellt med byggandet av FCC-tunneln innan det upphör runt 2037. FCC-ee skulle sedan börja fungera runt 2040.
Bygga nästa kolliderare
Det är dock inte bara CERN som utvecklar nya konstruktioner för cirkulära kolliderare. I november presenterade fysiker i Kina den konceptuella utformningen av sin egen 100 km långa tunnel, som först skulle inrymma en elektron-positronmaskin innan den skulle inrymma en proton-protonkolliderare som arbetar vid 100 TeV. Även om byggandet av den kinesiska kollideraren skulle kunna påbörjas tidigare än FCC, säger Benedikt att det finns många likheter mellan de två planerna. ”Det är en bra sak”, tillägger Benedikt. ”Kinas betydande ansträngningar bekräftar att detta är ett giltigt alternativ och att det finns ett stort intresse för en sådan maskin.”
Analys:
Det är en enkel fråga, men svaret visar sig vara ganska knepigt: Är en cirkulär eller linjär kolliderare det bästa sättet att utföra exakta mätningar av Higgsbosonen?
Medan Cerns Large Hadron Collider (LHC) har producerat mängder av Higgsbosoner sedan partikeln upptäcktes 2012, är proton-protonkollisioner inte det bästa sättet att studera en partikel med exakta egenskaper. Detta beror på att protoner inte är elementarpartiklar och att deras kollisioner därför producerar skräp som påverkar noggrannheten i mätningarna.
Det är dock inte fallet när man slår ihop elektroner med positroner och det är därför partikelfysikerna vill bygga en sådan maskin för att studera Higgsbosonen och försöka upptäcka små avvikelser som kan ge ledtrådar till fysik bortom standardmodellen.
Fysiker har i åratal konstruerat linjära kollisionsmaskiner som skulle fungera på TeV-skalan. En sådan ledande konstruktion är International Linear Collier (ILC), som Japan har visat intresse för att vara värd för, om än i en billigare inkarnation som körs vid 250 GeV.
På grund av behovet av att övervinna energiförluster från synkrotronstrålning när elektroner accelereras runt ringen erbjuder linjära kollisionsmaskiner en högre luminositet – ett mått på hastigheten för partikelsammanstötningar – jämfört med deras cirkulära motsvarigheter för kollisionsenergier över 400 GeV. Men vid energier under detta tröskelvärde har cirkulära kollidatorer bättre luminositet än linjära kollidatorer – och de kan också hysa flera detektorer runt ringen.
Om massan av Higgsbosonen var omkring 500 GeV eller mer skulle de flesta hålla med om att en linjär kollidator erbjuder den bästa vägen framåt. Men med en Higgs-massa på 125 GeV har en ganska stor luminositetskurva kastats in i processen. Detta har lett till att cirkulära kollisionsmaskiner återigen har kommit upp på ritbordet, och under de senaste fem åren har fysikerna arbetat med att utforma möjliga alternativ. Detta har resulterat i två nya förslag – Future Circular Collider (se huvudtexten) och Kinas Circular Electron Positron Collider, vars ritning offentliggjordes i november förra året.
Och även om cirkulära konstruktioner måste bära kostnaden för att bygga en enorm underjordisk tunnel, så är de mer än väl kompenserade när det gäller mångsidighet och det faktum att fysikerna har decennier av erfarenhet av att bygga dem. Samma 100 km långa tunnel skulle till exempel också kunna användas för en proton-proton-maskin som arbetar vid 100 TeV och som skulle användas för att jaga nya partiklar.
Tekniken för både en ILC och en 100 km lång elektron-positronkolliderare är klar, men med tanke på de uppseendeväckande prislapparna för båda skulle alla konstruktioner kräva en stor mängd internationellt samarbete. Det är allmänt känt att Japan endast skulle erbjuda sig att finansiera hälften av kostnaden för ILC på 7,5 miljarder dollar.
Om endast en maskin byggs, vilket verkar troligt, är frågan vilken? Stridslinjerna har dragits upp.