Influyente panel estadounidense de física de partículas pide el desarrollo de un colisionador de muones – Physics World

<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="Uno para el futuro Una instalación de muones podría ser potencialmente mucho más compacta que un colisionador de protones y quizás más barata de construir. (Cortesía: CERN)”>

Estados Unidos debería explorar la posibilidad de construir un colisionador de muones y llevar a cabo una investigación y un desarrollo “agresivos” de las tecnologías necesarias para dicha instalación. Ésta es la conclusión de un comité de alto perfil de físicos de partículas estadounidenses e internacionales. tras un año de reuniones para discutir el futuro de la investigación en física de altas energías en Estados Unidos. Los científicos reconocen, sin embargo, que habría que superar importantes desafíos técnicos para construir un colisionador de muones.

El desarrollo potencial de una instalación de muones es parte de una visión a largo plazo de 20 años para la física de partículas que fue publicada a principios de diciembre por el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas, o P5 (ver cuadro a continuación). Desde 2003, el P5 se ha reunido cada década para evaluar proyectos de investigación en física de tamaño grande y mediano. Luego pasa sus recomendaciones a agencias de financiación como el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Fundación Nacional de Ciencias.

Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 en el CERN Gran Colisionador de Hadrones, los físicos de partículas comenzaron a planear la construcción de la llamada fábrica de Higgs, que colisionaría electrones con positrones para permitir una investigación más detallada de las propiedades del bosón de Higgs y otras partículas. Algunos de estos diseños Exigir un túnel de 90 km de largo que primero colisionaría electrones con positrones a mediados de la década de 2040 antes de ser reutilizado a finales de este siglo como una máquina protón-protón de 100 TeV para buscar nueva física.

Sin embargo, avanzar hacia estas energías –y potencialmente incluso más altas– es complicado. A energías cercanas a 1 TeV en un acelerador circular, los electrones pierden mucha energía a través de la radiación sincrotrón. Esto no es un problema para los protones, pero alcanzar energías superiores a 100 TeV requiere un anillo aún mayor de 90 km y probablemente también requeriría nuevas tecnologías. Una opción alternativa es colisionar muones, primos de los electrones que son 200 veces más pesados. Dado que los muones son mucho más pesados ​​que los electrones, la pérdida de energía sería un problema menor en un colisionador de muones.

Daniel Schulte, líder del estudio del Colaboración internacional sobre el colisionador de muones, que no formaba parte del comité P5, afirma que la radiación de sincrotrón se “reduce en un factor de más de mil millones” en un colisionador de muones. "[Los muones] son ​​interesantes porque podrían reemplazar [a los electrones y positrones] directamente y tener un colisionador de muones de 10 TeV equivale aproximadamente a tener un colisionador de protones de 100 TeV en términos de alcance físico", dice Schulte, cuya colaboración consta de más de 60 institutos. , incluido el CERN, que están elaborando un proyecto para una instalación avanzada de muones. Cualquier futura instalación de muones podría ser mucho más compacta y quizás más barata de construir: por ejemplo, en el emplazamiento actual del Fermilab cabría un colisionador de muones con el mismo alcance que un colisionador de protones de 100 TeV.

Refiriéndose a él como "nuestro disparo de muones", el comité P5 afirma que un programa de acelerador de muones encajaría con la ambición de Estados Unidos de albergar una importante instalación de colisionador internacional, lo que le permitiría liderar los esfuerzos globales para comprender la naturaleza fundamental del universo. El panel P5 recomienda ahora que Estados Unidos construya importantes instalaciones de prueba y demostración para un colisionador tan avanzado en la próxima década. El informe también recomienda que Estados Unidos participe en la Colaboración Internacional sobre Colisionadores de Muones y “asuma un papel de liderazgo en la definición de un diseño de referencia”.

Karsten Heeger, dijo un físico de la Universidad de Yale que copreside el P5. Mundo de la física que la recomendación del colisionador de muones surgió del deseo de pensar en el futuro a largo plazo de la física de partículas en Estados Unidos, más allá de la actual cosecha de proyectos planificados y en desarrollo. Según Heeger, esta recomendación de investigación y desarrollo ha generado “mucho entusiasmo” en la comunidad estadounidense de física de partículas, particularmente entre los científicos más jóvenes. "Sienten que poder dedicarse a la investigación y el desarrollo para pensar en una futura instalación de colisionadores es realmente emocionante, especialmente si pudiéramos albergarla en Estados Unidos", añade.

Desafíos futuros

Sin embargo, un colisionador de muones enfrenta importantes desafíos técnicos y pasarían décadas antes de que se pueda tomar una decisión para construir uno. Un problema de los muones es que se desintegran en apenas 2.2 microsegundos, durante los cuales sería necesario capturarlos, enfriarlos y acelerarlos. "Realmente estamos superando las fronteras técnicas en todos los aspectos", afirma Heeger. “El desarrollo de imanes, la tecnología de aceleración, el enfoque del haz; Todas estas cosas van a ser de vital importancia y hay que mejorarlas en comparación con el estado actual”, añade.

Schulte está de acuerdo en que si no fuera por la vida limitada del muón, un colisionador de muones sería “sencillo”. Según él, uno de los mayores desafíos será desarrollar la tecnología magnética necesaria. Por ejemplo, una vez que los muones se hayan producido mediante colisiones de protones, se necesitarán imanes superconductores de alta temperatura para enfriarlos y ralentizarlos. Y será necesario introducir esta tecnología en un espacio diminuto para reducir la pérdida de muones. Entonces se necesitarán imanes de alta velocidad que puedan girar muy rápidamente para acelerar el haz de muones.

El problema es que gran parte de esta tecnología aún no existe o está en su infancia. A pesar de estos desafíos, Heeger confía en que se podría construir un colisionador de muones: "Los físicos de partículas y de aceleradores han demostrado un ingenio increíble en los últimos años y décadas, por lo que soy optimista", afirma. Pero incluso si una instalación de este tipo no fuera factible, trabajar para lograrla aprovecharía las fortalezas actuales de Estados Unidos en física de partículas y contribuiría a mejoras en las instalaciones de haces de protones y neutrinos. También probablemente tendría amplios beneficios para la sociedad, incluida la producción de isótopos médicos, la ciencia de materiales y la física nuclear, por lo que Heeger cree que sería una "inversión bien gastada".

El desarrollo de imanes superconductores de alta temperatura, por ejemplo, tendría implicaciones importantes más allá de la física de partículas. Podrían ser útiles para reactores de fusión nuclear y mejorar el rendimiento de las turbinas eólicas. Schulte también cree que trabajar en un colisionador de muones ofrecerá beneficios sustanciales a la hora de formar a la próxima generación de científicos. “Este es un gran proyecto porque las cosas son nuevas, hay espacio para los inventos, para la creatividad, el espíritu es muy diferente al de un proyecto que es rehacer algo que hicimos en el pasado a mayor escala”, añade.

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