Innflytelsesrike amerikansk partikkelfysikkpanel krever utvikling av muonkollider – Physics World

Innflytelsesrike amerikansk partikkelfysikkpanel krever utvikling av muonkollider – Physics World

Tidsstempel: 24. januar 2024 10:01
Kilde node: 3083782

"P5"-panelet av amerikanske partikkelfysikere sier at arbeidet med å utvikle en fremtidig muonkolliderer kan tillate USA å gjenvinne "energigrensen", som Michael Allen avslører

<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 Et myonanlegg kan potensielt være mye mer kompakt enn en protonkolliderer og kanskje billigere å bygge. (Med tillatelse: CERN)">
LHC-tunnelen ved CERN
En for fremtiden Et myonanlegg kan potensielt være mye mer kompakt enn en protonkolliderer og kanskje billigere å bygge. (Med tillatelse: CERN)

USA bør utforske å bygge en myonkollider og forfølge "aggressiv" forskning og utvikling av teknologiene som kreves for et slikt anlegg. Det er konklusjonen til en høyprofilert komité av amerikanske og internasjonale partikkelfysikere etter et år med møter for å diskutere fremtiden for amerikansk høyenergifysikkforskning. Forskerne erkjenner imidlertid at betydelige tekniske utfordringer må overvinnes for å bygge en myonkolliderer.

Den potensielle utviklingen av et myonanlegg er en del av en langsiktig 20-årig visjon for partikkelfysikk som ble utgitt i begynnelsen av desember av Partikkelfysikkprosjektets prioriteringspanel, eller P5 (se boks nedenfor). Siden 2003 har P5 møttes hvert tiår for å evaluere store og mellomstore fysikkforskningsprosjekter. Den sender deretter anbefalingene til finansieringsbyråer som US Department of Energy (DOE) og National Science Foundation.

Etter oppdagelsen av Higgs-bosonet i 2012 ved CERN's Large Hadron Collider, begynte partikkelfysikere å planlegge å bygge en såkalt Higgs-fabrikk som skulle kollidere elektroner med positroner for å tillate mer detaljerte undersøkelser av egenskapene til Higgs-bosonet og andre partikler. Noen av disse designene etterlyse en 90 km lang tunnel som først ville kollidere elektroner med positroner på midten av 2040-tallet før den senere dette århundret ble gjenbrukt som en 100 TeV proton-proton-maskin for å søke etter ny fysikk.

Likevel er det komplisert å flytte til disse energiene – og potensielt enda høyere. Ved energier som nærmer seg 1 TeV i en sirkulær akselerator, mister elektroner mye energi gjennom synkrotronstråling. Dette er ikke et slikt problem for protoner, men å nå høyere energier enn 100 TeV krever en enda større ring enn 90 km og vil sannsynligvis trenge ny teknologi også. Et alternativ er å kollidere myoner – søskenbarn til elektroner som er 200 ganger tyngre. Gitt at myoner er mye tyngre enn elektroner, vil energitap være mindre av et problem i en myonkolliderer.

Daniel Schulte, studieleder i Internasjonalt Muon Collider-samarbeid, som ikke var med i P5-komiteen, sier at synkrotronstråling er "redusert med en faktor på mer enn en milliard" i en myonkolliderer. "[Muoner] er interessante fordi de kan erstatte [elektroner og positroner] direkte og å ha en 10 TeV myonkolliderer tilsvarer omtrent å ha en 100 TeV protonkolliderer når det gjelder fysikkrekkevidde," sier Schulte hvis samarbeid består av mer enn 60 institutter , inkludert CERN, som utarbeider en plan for et avansert myonanlegg. Ethvert fremtidig myonanlegg kan potensielt være mye mer kompakt og kanskje billigere å bygge – en myonkolliderer med samme rekkevidde som en 100 TeV protonkolliderer ville passet på Fermilabs eksisterende område, for eksempel.

Med henvisning til det som "vårt myonskudd", uttaler P5-komiteen at et myonakseleratorprogram vil passe med USAs ambisjon om å være vertskap for et stort internasjonalt kollidereranlegg, slik at det kan lede den globale innsatsen for å forstå universets grunnleggende natur. P5-panelet anbefaler nå at USA bygger store test- og demonstrasjonsanlegg for en så avansert kolliderer i løpet av det kommende tiåret. Rapporten anbefaler også at USA deltar i International Muon Collider Collaboration og «tar en ledende rolle i å definere et referansedesign».

Karsten Heeger, fortalte en fysiker ved Yale University som leder P5 Fysikkens verden at myonkollider-anbefalingen kom fra et ønske om å tenke på den langsiktige fremtiden for partikkelfysikk i USA, utover dagens avling av planlagte og utviklende prosjekter. Ifølge Heeger har denne forsknings- og utviklingsanbefalingen skapt "mye spenning" i det amerikanske partikkelfysikksamfunnet, spesielt blant yngre forskere. "De føler at det å være i stand til å forfølge FoU for å tenke på et fremtidig kollideranlegg er veldig spennende, spesielt hvis vi kanskje kan være vertskap for det i USA," legger han til.

Utfordringene fremover

En myonkolliderer står imidlertid overfor store tekniske utfordringer, og det vil ta flere tiår før noen beslutning om å bygge en kan tas. Et problem med myoner er at de forfaller i løpet av knapt 2.2 mikrosekunder hvor de må fanges, avkjøles og akselereres. "Det presser virkelig de tekniske grensene i alle ledd," sier Heeger. «Magnetutviklingen, akselerasjonsteknologien, strålefokuseringen; alle disse tingene kommer til å være kritisk viktige, og de må forbedres i forhold til der ting er akkurat nå, legger han til.

Schulte er enig i at hvis det ikke var for myonens begrensede levetid, ville en myonkolliderer vært «rett frem». Han sier at en av de største utfordringene vil være å utvikle den nødvendige magnetteknologien. For eksempel, når myonene har blitt produsert av protonkollisjoner, vil høytemperatur-superledende magneter være nødvendig for å avkjøle og bremse dem. Og denne teknologien må presses inn i en liten plass for å redusere muontapet. Høyhastighetsmagneter som kan sykles veldig fort vil da være nødvendig for å akselerere myonstrålen.

Problemet er at mye av denne teknologien ennå ikke eksisterer eller er i sin spede begynnelse. Til tross for disse utfordringene er Heeger sikker på at en myonkolliderer kan bygges: "Partikkelfysikere og akseleratorfysikere har vist utrolig oppfinnsomhet de siste årene og tiårene, og derfor er jeg optimistisk," sier han. Men selv om et slikt anlegg ikke er gjennomførbart, vil arbeidet mot det bygge på nåværende amerikanske styrker innen partikkelfysikk og føre til forbedringer i proton- og nøytrinostråleanlegg. Det vil sannsynligvis også ha bred fordel for samfunnet, inkludert medisinsk isotopproduksjon, materialvitenskap og kjernefysikk, så Heeger mener det ville være en "vel anvendt investering".

Utviklingen av høytemperatur superledende magneter, for eksempel, ville ha viktige implikasjoner utover partikkelfysikk. De kan være nyttige for atomfusjonsreaktorer og kan forbedre ytelsen til vindturbiner. Schulte tror også at arbeidet mot en myonkolliderer vil gi betydelige fordeler når det gjelder opplæring av neste generasjons forskere. "Dette er et flott prosjekt fordi ting er nytt, det er rom for oppfinnelser, for kreativitet, ånden er veldig forskjellig fra et prosjekt som gjenoppretter noe som vi gjorde tidligere på en større måte," legger han til.

Plotter fremtidens kurs for amerikansk partikkelfysikk

P5s rapport – Veier til innovasjon og oppdagelse i partikkelfysikk – bygger på resultatet av en Snowmass-konferanse, som samlet partikkelfysikere og kosmologer fra hele verden i Seattle i 10 dager i juli 2022 for å diskutere forskningsprioriteringer og fremtidige eksperimenter. P5-rapporten har som mål å lage en forskningsportefølje som studerer nesten alle de grunnleggende komponentene i universet og deres interaksjoner, som dekker både den kosmiske fortiden og fremtiden.

Når det gjelder eksisterende prosjekter, er P5-komiteens toppprioritet fullføringen av High-Luminosity-oppgraderingen ved CERNs Large Hadron Collider samt den første fasen av Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) i Lead, South Dakota, som skal studere en høyenergistråle av nøytrinoer produsert ved Fermilab når de reiser 1280 km gjennom jorden. DUNE skal begynne å operere rundt 2030. Andre anbefalte prioriteringer inkluderer Fermilabs protonforbedringsplan II og Vera Rubin-observatoriet i Chile, som forventer første lys i 2025 og vil gjennomføre en 10-årig undersøkelse av den sørlige himmelen.

Andre anbefalinger inkluderer CMB-S4 eksperiment - en rekke bakkebaserte teleskoper, plassert på Sydpolen og i den chilenske Atacama-ørkenen som ville observere den kosmiske mikrobølgebakgrunnen for å undersøke de fysiske prosessene i universet rett etter Big Bang. P5 anbefaler også at USA samarbeider med internasjonale partnere om en Higgs-fabrikk; et neste generasjons eksperiment med direktedeteksjon av mørk materie; og IceCube-Gen2-observatoriet, som vil gi en ti ganger forbedring i følsomhet for kosmiske nøytrinoer i forhold til det nåværende IceCube-observatoriet på Sydpolen.

"Vi prøvde å finne en balanse mellom å drive det nåværende programmet, starte nye prosjekter og legge grunnlaget for FoU for fremtiden," sier P5-medleder Karsten Heeger. Han legger til at det var viktig å vurdere hva som kommer etter prosjekter som Higgs-fabrikken og fullføring av DUNE for partikkelfysikk så vel som for neste generasjon forskere i USA. "Hvis vi akkurat nå fokuserer fullt og helt på å gjennomføre prosjektene som er i gang, kan vi finne at vi om 10–15 år ikke har lagt grunnlaget for det som kommer utover," sier han.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden