Egy befolyásos amerikai részecskefizikai panel müonütköztető fejlesztésére szólít fel – Physics World

Egy befolyásos amerikai részecskefizikai panel müonütköztető fejlesztésére szólít fel – Physics World

Időbélyeg: 24. január 2024. 10:01
Forrás csomópont: 3083782

Az amerikai részecskefizikusok „P5” testülete szerint a jövőbeni müonütköztető kifejlesztésén végzett munka lehetővé teheti az Egyesült Államok számára, hogy visszaszerezze az „energia határt”, mivel Michael Allen kiderül

<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="Egy a jövőnek Egy müonlétesítmény potenciálisan sokkal kompaktabb lehet, mint egy protonütköztető, és talán olcsóbb is megépíteni. (Jóvolt: CERN)”>
Az LHC alagút a CERN-ben
Egy a jövőnek Egy müonlétesítmény potenciálisan sokkal kompaktabb lehet, mint egy protonütköztető, és talán olcsóbb is megépíteni. (Jóvolt: CERN)

Az Egyesült Államoknak meg kellene vizsgálnia egy müonütköztető építését, és „agresszív” kutatást és fejlesztést kellene folytatnia az ilyen létesítményekhez szükséges technológiák terén. Erre a következtetésre jutott egy amerikai és nemzetközi részecskefizikusokból álló magas rangú bizottság egy évnyi találkozót követően, hogy megvitassák az Egyesült Államok nagyenergiájú fizikai kutatásának jövőjét. A tudósok azonban elismerik, hogy jelentős technikai kihívásokat kell leküzdeni egy müonütköztető megépítéséhez.

A müonlétesítmény potenciális fejlesztése egy hosszú távú, 20 éves részecskefizikai vízió része, amelyet december elején tett közzé a Részecskefizikai Projekt Prioritizációs Panel, vagyis a P5 (lásd lentebb). 2003 óta a P5 minden évtizedben ülésezik, hogy értékelje a nagy és közepes méretű fizikai kutatási projekteket. Ezután továbbítja ajánlásait olyan finanszírozó ügynökségeknek, mint az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) és a National Science Foundation.

A Higgs-bozon felfedezését követően 2012-ben a CERN-ben Large Hadron Collider, a részecskefizikusok elkezdték tervezni egy úgynevezett Higgs-gyár felépítését, amely elektronokat ütköztet pozitronokkal, hogy lehetővé tegye a Higgs-bozon és más részecskék tulajdonságainak részletesebb vizsgálatát. Néhány ilyen design egy 90 km hosszú alagútra van szükség, amely először a 2040-es évek közepén ütköztetne elektronokkal pozitronokkal, majd a század végén 100 TeV-es proton-proton gépként használnák fel új fizika kutatására.

Ám ezekre az energiákra – és potenciálisan még magasabbra – való elmozdulás bonyolult. Egy körgyorsítóban az 1 TeV-hoz közelítő energiáknál az elektronok sok energiát veszítenek a szinkrotronsugárzás révén. A protonoknál ez nem jelent problémát, de a 100 TeV-nál nagyobb energiák eléréséhez még 90 km-nél is nagyobb gyűrűre van szükség, és valószínűleg új technológiákra is szükség lenne. Az egyik alternatív lehetőség a müonok ütköztetése – az elektronok rokonai, amelyek 200-szor nehezebbek. Tekintettel arra, hogy a müonok sokkal nehezebbek, mint az elektronok, az energiaveszteség kevésbé jelentene problémát a müonütköztetőben.

Daniel Schulte, a tanulmány vezetője Nemzetközi Muonütköztető együttműködés, aki nem volt a P5 bizottságban, azt mondja, hogy a szinkrotronsugárzás „több mint egymilliárdszorosára csökken” egy müonütköztetőben. "A müonok azért érdekesek, mert közvetlenül helyettesíthetik [elektronokat és pozitronokat], és egy 10 TeV-os müonütköztető nagyjából egyenértékű egy 100 TeV-es protonütköztetővel a fizikai hatótávolság szempontjából" - mondja Schulte, akinek együttműködése több mint 60 intézetből áll. CERN-t is beleértve, amelyek egy fejlett müonlétesítmény tervrajzát dolgozzák ki. Bármely jövőbeni müonlétesítmény sokkal kompaktabb és talán olcsóbb is lehetne – például egy 100 TeV-es protonütköztetővel azonos hatótávolságú müonütköztető elférne a Fermilab meglévő telephelyén.

„Müonlövésünknek” hivatkozva a P5 bizottság kijelenti, hogy egy müongyorsító program megfelelne az Egyesült Államok azon törekvésének, hogy egy nagy nemzetközi ütköztető létesítménynek adjon otthont, lehetővé téve az univerzum alapvető természetének megértésére irányuló globális erőfeszítések irányítását. A P5 panel most azt javasolja, hogy az Egyesült Államok az elkövetkező évtizedben építsen jelentős tesztelési és demonstrációs létesítményeket egy ilyen fejlett ütközőhöz. A jelentés azt is javasolja, hogy az Egyesült Államok vegyen részt a Nemzetközi Muonütköztető Együttműködésben, és „vállaljon vezető szerepet a referenciaterv meghatározásában”.

Karsten Heeger, a Yale Egyetem fizikusa, a P5 társelnöke elmondta Fizika Világa hogy a müonütköztető-ajánlás abból a vágyból származott, hogy az Egyesült Államokban a részecskefizika hosszú távú jövőjéről gondolkodjunk a tervezett és fejlesztési projektek jelenlegi termésén túl. Heeger szerint ez a kutatási és fejlesztési ajánlás „sok izgalmat” váltott ki az Egyesült Államok részecskefizikai közösségében, különösen a fiatalabb tudósok körében. „Úgy érzik, hogy a kutatás-fejlesztést egy jövőbeli ütköztető létesítményre való gondolás érdekében folytatni nagyon izgalmas dolog, különösen, ha esetleg az Egyesült Államokban is otthont adhatunk” – teszi hozzá.

Az előttünk álló kihívások

Egy müonütköztető azonban komoly technikai kihívásokkal néz szembe, és évtizedekbe telne, mire bármilyen döntés születhet egy ilyen megépítéséről. A müonokkal az egyik probléma az, hogy alig 2.2 mikroszekundum alatt bomlanak le, ezalatt be kell fogni, le kell hűteni és fel kell gyorsítani őket. „Valóban a technikai határokat feszegeti minden elemben” – mondja Heeger. „A mágnesfejlesztés, a gyorsítástechnika, a sugárfókuszálás; Mindezek a dolgok rendkívül fontosak lesznek, és javítani kell rajtuk ahhoz képest, ahol a dolgok jelenleg állnak” – teszi hozzá.

Schulte egyetért azzal, hogy ha nem lenne a müon korlátozott élettartama, egy müonütköztető „egyenesen előre” lenne. Azt mondja, hogy az egyik legnagyobb kihívás a szükséges mágneses technológia fejlesztése lesz. Például, ha a müonok protonütközéssel keletkeztek, magas hőmérsékletű szupravezető mágnesekre lesz szükség a lehűtéshez és lelassításukhoz. Ezt a technológiát pedig egy apró helyre kell szorítani, hogy csökkentsük a müonveszteséget. A müonsugár felgyorsításához nagy sebességű mágnesekre lesz szükség, amelyek nagyon gyorsan körbeforgathatók.

A probléma az, hogy a technológia nagy része még nem létezik, vagy még gyerekcipőben jár. E kihívások ellenére Heeger bízik abban, hogy müonütköztetőt meg lehet építeni: „A részecskefizikusok és a gyorsítófizikusok hihetetlen találékonyságról tettek tanúbizonyságot az elmúlt években és évtizedekben, ezért optimista vagyok” – mondja. De még ha egy ilyen létesítmény nem is kivitelezhető, a megvalósítása az Egyesült Államok jelenlegi részecskefizikai erősségeire építene, és hozzájárulna a proton- és neutrínósugár-létesítmények fejlesztéséhez. Valószínűleg a társadalom számára is széles körű hasznot hozna, beleértve az orvosi izotópgyártást, az anyagtudományt és a magfizikát, így Heeger úgy véli, hogy „jól elköltött befektetés lenne”.

A magas hőmérsékletű szupravezető mágnesek kifejlesztésének például a részecskefizikán túl is fontos következményei lehetnek. Hasznosak lehetnek a magfúziós reaktorokban, és javíthatják a szélturbinák teljesítményét. Schulte azt is hiszi, hogy a müonütköztető megvalósítása jelentős előnyökkel jár majd a tudósok következő generációjának képzésében. "Ez egy nagyszerű projekt, mert a dolgok újak, van hely a találmányoknak, a kreativitásnak, a szellem nagyon különbözik egy olyan projekttől, amely újra megcsinál valamit, amit a múltban tettünk, nagyobb mértékben" - teszi hozzá.

Az amerikai részecskefizika jövőbeli irányának felvázolása

A P5 jelentése – Utak az innovációhoz és felfedezéshez a részecskefizikában – a Snowmass konferencia eredményeire épít, amelyen 10 júliusában Seattle-ben 2022 napon keresztül gyűltek össze részecskefizikusok és kozmológusok a világ minden tájáról, hogy megvitassák a kutatási prioritásokat és a jövőbeli kísérleteket. A P5 jelentés célja egy olyan kutatási portfólió létrehozása, amely az univerzum szinte összes alapvető alkotóelemét és azok kölcsönhatásait tanulmányozza, lefedve a kozmikus múltat ​​és jövőt egyaránt.

A meglévő projektek tekintetében a P5 bizottság legfőbb prioritása a CERN Nagy Hadronütköztetőjének High-Luminosity frissítésének befejezése, valamint a Mély földalatti neutrínó kísérlet (DUNE) a dél-dakotai Leadben, amely a Fermilabban keletkező nagyenergiájú neutrínósugarat fogja vizsgálni, miközben azok 1280 km-t haladnak át a Földön. A DUNE várhatóan 2030 körül kezdi meg működését. További javasolt prioritások közé tartozik a Fermilab II. protonjavítási terve és a chilei Vera Rubin Obszervatórium, amely 2025-ben várja az első fényt, és 10 éves felmérést fog végezni a déli égbolton.

Egyéb ajánlások közé tartozik a CMB-S4 kísérlet – a Déli-sarkon és a chilei Atacama-sivatagban található földi teleszkópok sora, amelyek a kozmikus mikrohullámú hátteret figyelnék meg, hogy közvetlenül az ősrobbanás után vizsgálják meg a világegyetem fizikai folyamatait. A P5 azt is javasolja, hogy az Egyesült Államok működjön együtt nemzetközi partnerekkel egy Higgs-gyár létrehozásában; egy következő generációs sötét anyag közvetlen észlelési kísérlete; és az IceCube-Gen2 obszervatórium, amely tízszeres javulást biztosít a kozmikus neutrínók érzékenységében a jelenlegi IceCube obszervatóriumhoz képest a Déli-sarkon.

„Megpróbáltunk egyensúlyt teremteni a jelenlegi program lebonyolítása, az új projektek elindítása és a jövőbeli K+F alapjainak lerakása között” – mondja Karsten Heeger, a P5 társelnöke. Hozzáteszi, hogy fontos volt megfontolni, mi következik az olyan projektek után, mint a Higgs-gyár és a DUNE részecskefizika befejezése, valamint a tudósok következő generációja az Egyesült Államokban. „Ha most teljes mértékben csak a folyamatban lévő projektek végrehajtására koncentrálunk, akkor 10-15 év múlva azon kaphatjuk magunkat, hogy nem fektetjük le az alapjait annak, ami túlmutat” – mondja.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa