Det indflydelsesrige amerikansk partikelfysikpanel opfordrer til udvikling af muonkollider – Physics World

Det indflydelsesrige amerikansk partikelfysikpanel opfordrer til udvikling af muonkollider – Physics World

Tidsstempel: 24. januar 2024 kl. 10
Kildeknude: 3083782

"P5"-panelet af amerikanske partikelfysikere siger, at arbejdet med at udvikle en fremtidig muonkollider kan give USA mulighed for at genvinde "energigrænsen", som Michael Allen afslører

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-caption="En for fremtiden En myon-facilitet kunne potentielt være meget mere kompakt end en protonkolliderer og måske billigere at bygge. (Med høflighed: CERN)">
LHC-tunnelen ved CERN
En for fremtiden En myon-facilitet kunne potentielt være meget mere kompakt end en protonkolliderer og måske billigere at bygge. (Med høflighed: CERN)

USA bør undersøge bygningen af ​​en myonkollider og forfølge "aggressiv" forskning og udvikling i de teknologier, der kræves til en sådan facilitet. Det er konklusionen fra en højprofileret komité af amerikanske og internationale partikelfysikere efter et års møder for at diskutere fremtiden for amerikansk højenergifysikforskning. Forskerne erkender dog, at betydelige tekniske udfordringer skulle overvindes for at bygge en myonkollider.

Den potentielle udvikling af et myonanlæg er en del af en langsigtet 20-årig vision for partikelfysik, som blev frigivet i begyndelsen af ​​december af Partikelfysikprojektets prioriteringspanel eller P5 (se boks nedenfor). Siden 2003 har P5 mødtes hvert årti for at evaluere store og mellemstore fysikforskningsprojekter. Det videregiver derefter sine anbefalinger til finansieringsorganer såsom US Department of Energy (DOE) og National Science Foundation.

Efter opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012 på CERN's Large Hadron Collider, begyndte partikelfysikere at planlægge at bygge en såkaldt Higgs-fabrik, der ville kollidere elektroner med positroner for at muliggøre mere detaljeret undersøgelse af egenskaberne af Higgs-bosonen og andre partikler. Nogle af disse designs opfordre til en 90 km lang tunnel, der først ville kollidere elektroner med positroner i midten af ​​2040'erne, før den senere i dette århundrede blev genbrugt som en 100 TeV proton-proton-maskine til at søge efter ny fysik.

Alligevel er det kompliceret at flytte til disse energier – og potentielt endnu højere. Ved energier, der nærmer sig 1 TeV i en cirkulær accelerator, mister elektroner masser af energi gennem synkrotronstråling. Dette er ikke sådan et problem for protoner, men at nå højere energier end 100 TeV kræver en endnu større ring end 90 km og vil sandsynligvis også have brug for nye teknologier. En alternativ mulighed er at kollidere muoner - fætre til elektroner, der er 200 gange tungere. I betragtning af at myoner er meget tungere end elektroner, ville energitab være mindre af et problem i en myonkolliderer.

Daniel Schulte, studieleder af Internationalt Muon Collider-samarbejde, som ikke var i P5-udvalget, siger, at synkrotronstråling "reduceres med en faktor på mere end en milliard" i en myonkolliderer. "[Muoner] er interessante, fordi de kunne erstatte [elektroner og positroner] direkte, og at have en 10 TeV muon-kollider svarer nogenlunde til at have en 100 TeV proton-kollider med hensyn til fysisk rækkevidde," siger Schulte, hvis samarbejde består af mere end 60 institutter. , herunder CERN, der er ved at udarbejde en plan for et avanceret myonanlæg. Enhver fremtidig myon-facilitet kunne potentielt være meget mere kompakt og måske billigere at bygge – en myon-kollider med samme rækkevidde som en 100 TeV proton-collider ville passe på Fermilabs eksisterende site, for eksempel.

Med henvisning til det som "vores myon-skud", fastslår P5-komiteen, at et myon-acceleratorprogram ville passe med USA's ambition om at være vært for et stort internationalt kolliderende anlæg, hvilket giver det mulighed for at lede globale bestræbelser på at forstå universets grundlæggende natur. P5-panelet anbefaler nu, at USA bygger større test- og demonstrationsfaciliteter til en så avanceret kolliderer inden for det kommende årti. Rapporten anbefaler også, at USA deltager i International Muon Collider Collaboration og "tager en ledende rolle i at definere et referencedesign".

Karsten Heeger, fortalte en fysiker ved Yale University, der er medformand for P5 Fysik verden at muon-kollider-anbefalingen kom fra et ønske om at tænke på partikelfysikkens langsigtede fremtid i USA, ud over den nuværende høst af planlagte og udviklende projekter. Ifølge Heeger har denne forsknings- og udviklingsanbefaling skabt "meget spænding" i det amerikanske partikelfysiksamfund, især blandt yngre videnskabsmænd. "De føler, at det at være i stand til at forfølge F&U for at tænke på en fremtidig kollider-facilitet er virkelig spændende, især hvis vi måske kan være vært for det i USA," tilføjer han.

Udfordringer fremad

En myonkolliderer står imidlertid over for store tekniske udfordringer, og der vil gå årtier, før der kan træffes nogen beslutning om at bygge en. Et problem med myoner er, at de henfalder på knap 2.2 mikrosekunder, hvor de skulle fanges, afkøles og accelereres. "Det skubber virkelig de tekniske grænser i alle elementer," siger Heeger. “Magnetudviklingen, accelerationsteknologien, strålefokuseringen; alle disse ting bliver kritisk vigtige, og de skal forbedres i forhold til, hvor tingene er lige nu,” tilføjer han.

Schulte er enig i, at hvis det ikke var for myonens begrænsede levetid, ville en myonkolliderer være "lige frem". Han siger, at en af ​​de største udfordringer bliver at udvikle den nødvendige magnetteknologi. For eksempel, når myonerne er blevet produceret ved protonkollisioner, vil højtemperatur-superledende magneter være nødvendige for at afkøle og bremse dem. Og denne teknologi skal presses ind i et lille rum for at reducere muontab. Højhastighedsmagneter, der kan cykles meget hurtigt, vil så være nødvendige for at accelerere myonstrålen.

Problemet er, at meget af denne teknologi endnu ikke eksisterer eller er i sin vorden. På trods af disse udfordringer er Heeger overbevist om, at der kan bygges en myonkollider: "Partikelfysikere og acceleratorfysikere har vist en utrolig opfindsomhed i løbet af de seneste år og årtier, og derfor er jeg optimistisk," siger han. Men selvom en sådan facilitet ikke er gennemførlig, ville arbejdet hen imod det bygge videre på de nuværende amerikanske styrker inden for partikelfysik og føre til forbedringer i proton- og neutrinostrålefaciliteter. Det ville sandsynligvis også have bred fordel for samfundet, herunder medicinsk isotopproduktion, materialevidenskab og kernefysik, så Heeger mener, at det ville være en "investering, der er godt givet ud".

Udviklingen af ​​højtemperatur superledende magneter, for eksempel, ville have vigtige implikationer ud over partikelfysik. De kan være nyttige til nukleare fusionsreaktorer og kan forbedre ydeevnen af ​​vindmøller. Schulte mener også, at arbejdet hen imod en myonkollider vil give betydelige fordele, når det kommer til at træne den næste generation af forskere. "Dette er et fantastisk projekt, fordi tingene er nye, der er plads til opfindelser, til kreativitet, ånden er meget anderledes end et projekt, der er ved at genskabe noget, som vi gjorde tidligere på en større måde," tilføjer han.

Plotning af det fremtidige forløb for amerikansk partikelfysik

P5's rapport – Veje til innovation og opdagelse i partikelfysik – bygger på resultatet af en Snowmass-konference, som samlede partikelfysikere og kosmologer fra hele verden i Seattle i 10 dage i juli 2022 for at diskutere forskningsprioriteter og fremtidige eksperimenter. P5-rapporten har til formål at skabe en forskningsportefølje, der studerer næsten alle de grundlæggende bestanddele af universet og deres interaktioner, der dækker både den kosmiske fortid og fremtid.

Med hensyn til eksisterende projekter er P5-udvalgets topprioritet færdiggørelsen af ​​High-Luminosity-opgraderingen ved CERNs Large Hadron Collider samt den første fase af Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) i Lead, South Dakota, som vil studere en højenergistråle af neutrinoer produceret ved Fermilab, mens de rejser 1280 km gennem Jorden. DUNE skal begynde at fungere omkring 2030. Andre anbefalede prioriteter omfatter Fermilabs Proton Improvement Plan II og Vera Rubin Observatory i Chile, som forventer første lys i 2025 og vil gennemføre en 10-årig undersøgelse af den sydlige himmel.

Andre anbefalinger omfatter CMB-S4 eksperiment – ​​en række jordbaserede teleskoper, placeret på Sydpolen og i den chilenske Atacama-ørken, der ville observere den kosmiske mikrobølgebaggrund for at undersøge de fysiske processer i universet umiddelbart efter Big Bang. P5 anbefaler også, at USA samarbejder med internationale partnere om en Higgs-fabrik; et næste-generations eksperiment med direkte detektion af mørkt stof; og IceCube-Gen2-observatoriet, som vil give en 10-dobbelt forbedring af følsomheden over for kosmiske neutrinoer i forhold til det nuværende IceCube-observatorium på Sydpolen.

"Vi forsøgte at finde en balance mellem at køre det nuværende program, starte nye projekter og lægge fundamentet i forhold til R&D for fremtiden," siger P5-formand Karsten Heeger. Han tilføjer, at det var vigtigt at overveje, hvad der kommer efter projekter som Higgs-fabrikken og færdiggørelsen af ​​DUNE for partikelfysik såvel som for den næste generation af forskere i USA. "Hvis vi lige nu fokuserer fuldt ud kun på at eksekvere de projekter, der er i gang, kan vi finde ud af, at vi om 10-15 år ikke har lagt grunden til det, der kommer ud over," siger han.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden