Wpływowy amerykański panel zajmujący się fizyką cząstek elementarnych wzywa do opracowania zderzacza mionów – 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="Jeden na przyszłość Obiekt mionowy mógłby być potencjalnie znacznie bardziej kompaktowy niż zderzacz protonów i być może tańszy w budowie. (Dzięki uprzejmości: CERN)”>

Stany Zjednoczone powinny rozważyć budowę zderzacza mionów i kontynuować „agresywne” badania i rozwój technologii wymaganych w takim obiekcie. Taki jest wniosek wysokiej rangi komisji złożonej z amerykańskich i międzynarodowych fizyków cząstek elementarnych po roku spotkań mających na celu omówienie przyszłości amerykańskich badań nad fizyką wysokich energii. Naukowcy przyznają jednak, że zbudowanie zderzacza mionów wymagałoby pokonania znacznych wyzwań technicznych.

Potencjalny rozwój obiektu mionowego jest częścią długoterminowej, 20-letniej wizji fizyki cząstek elementarnych, opublikowanej na początku grudnia przez Panel Priorytetowy Projektu Particle Physics, w skrócie P5 (patrz ramka poniżej). Od 2003 r. P5 spotyka się co dziesięć lat, aby oceniać duże i średnie projekty badawcze w dziedzinie fizyki. Następnie przekazuje swoje zalecenia agencjom finansującym, takim jak Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) i Narodowa Fundacja Nauki.

Po odkryciu bozonu Higgsa w 2012 roku w CERN Wielki Zderzacz Hadronówfizycy cząstek zaczęli planować budowę tak zwanej fabryki Higgsa, która zderzałaby elektrony z pozytonami, aby umożliwić bardziej szczegółowe badanie właściwości bozonu Higgsa i innych cząstek. Niektóre z tych projektów wzywają do budowy tunelu o długości 90 km, który po raz pierwszy zderzałby elektrony z pozytonami w połowie lat czterdziestych XXI wieku, a następnie został ponownie wykorzystany pod koniec tego stulecia jako maszyna proton-proton o mocy 2040 TeV do poszukiwania nowej fizyki.

Jednak przejście do tych energii – a potencjalnie nawet wyższych – jest skomplikowane. Przy energiach bliskich 1 TeV w akceleratorze kołowym elektrony tracą dużo energii w wyniku promieniowania synchrotronowego. W przypadku protonów nie stanowi to takiego problemu, ale osiągnięcie energii wyższych niż 100 TeV wymaga pierścienia jeszcze większego niż 90 km i prawdopodobnie wymagałoby też nowych technologii. Alternatywną opcją jest zderzenie mionów – kuzynów elektronów, które są 200 razy cięższe. Biorąc pod uwagę, że miony są znacznie cięższe od elektronów, w zderzaczu mionów utrata energii byłaby mniejszym problemem.

Daniel Schulte, kierownik badania Międzynarodowa współpraca w zakresie zderzacza mionów, który nie był członkiem komisji P5, twierdzi, że w zderzaczu mionów promieniowanie synchrotronowe jest „zmniejszone ponad miliard razy”. „[Miony] są interesujące, ponieważ mogą bezpośrednio zastąpić [elektrony i pozytony], a posiadanie zderzacza mionów o energii 10 TeV jest w przybliżeniu równoważne posiadaniu zderzacza protonów o mocy 100 TeV pod względem zasięgu fizycznego” – mówi Schulte, którego współpraca obejmuje ponad 60 instytutów , w tym CERN, które opracowują projekt zaawansowanego obiektu zajmującego się mionami. Każdy przyszły obiekt zajmujący się mionami mógłby być potencjalnie znacznie bardziej kompaktowy i być może tańszy w budowie – na przykład zderzacz mionów o takim samym zasięgu jak zderzacz protonów o mocy 100 TeV zmieściłby się w istniejącym obiekcie Fermilab.

Nazywając to „naszym strzałem mionowym”, komisja P5 stwierdza, że ​​program akceleratora mionów wpisywałby się w ambicje Stanów Zjednoczonych dotyczące umieszczenia w nim dużego międzynarodowego zderzacza, umożliwiając im kierowanie globalnymi wysiłkami na rzecz zrozumienia fundamentalnej natury wszechświata. Panel P5 zaleca obecnie, aby w nadchodzącej dekadzie Stany Zjednoczone zbudowały główne obiekty testowe i demonstracyjne dla tak zaawansowanego zderzacza. W raporcie zaleca się także, aby Stany Zjednoczone uczestniczyły w Międzynarodowej Współpracy w sprawie Zderzacza Muonów i „przyjęły wiodącą rolę w definiowaniu projektu referencyjnego”.

Karstena Heegera, powiedział fizyk z Uniwersytetu Yale, który jest współprzewodniczącym P5 Świat Fizyki że zalecenie dotyczące zderzacza mionów wynikało z chęci zastanowienia się nad długoterminową przyszłością fizyki cząstek elementarnych w USA, wykraczającą poza obecny zbiór planowanych i rozwijanych projektów. Według Heegera to zalecenie dotyczące badań i rozwoju wywołało „duże podekscytowanie” w amerykańskiej społeczności zajmującej się fizyką cząstek elementarnych, szczególnie wśród młodszych naukowców. „Uważają, że możliwość prowadzenia prac badawczo-rozwojowych w celu opracowania przyszłego obiektu zderzającego jest naprawdę ekscytująca, zwłaszcza jeśli będziemy mogli go gościć w USA” – dodaje.

Zbliżające się wyzwania

Zderzacz mionów stoi jednak przed poważnymi wyzwaniami technicznymi i miną dziesięciolecia, zanim będzie można podjąć jakąkolwiek decyzję o jego budowie. Jednym z problemów związanych z mionami jest to, że rozpadają się one w ciągu zaledwie 2.2 mikrosekundy, podczas którego musiałyby zostać wychwycone, schłodzone i przyspieszone. „To naprawdę przesuwa granice techniczne we wszystkich elementach” – mówi Heeger. „Rozwój magnesu, technologia przyspieszania, ogniskowanie wiązki; wszystkie te rzeczy będą niezwykle ważne i należy je poprawić w porównaniu z obecnym stanem rzeczy” – dodaje.

Schulte zgadza się, że gdyby nie ograniczony czas życia mionu, zderzacz mionów byłby „prosty”. Mówi, że jednym z największych wyzwań będzie opracowanie wymaganej technologii magnesów. Na przykład, gdy miony zostaną wytworzone w wyniku zderzeń protonów, potrzebne będą wysokotemperaturowe magnesy nadprzewodzące, aby je ochłodzić i spowolnić. Tę technologię trzeba będzie upchnąć na małej przestrzeni, aby ograniczyć utratę mionów. Do przyspieszenia wiązki mionów potrzebne będą wówczas magnesy o dużej prędkości, które można bardzo szybko przełączać.

Problem w tym, że znaczna część tej technologii jeszcze nie istnieje lub jest w powijakach. Pomimo tych wyzwań Heeger jest przekonany, że uda się zbudować zderzacz mionów: „Fizycy cząstek elementarnych i fizycy akceleratorów wykazali się w ostatnich latach i dziesięcioleciach niesamowitą pomysłowością, dlatego jestem optymistą” – mówi. Ale nawet jeśli taki obiekt nie jest wykonalny, prace nad nim opierałyby się na obecnych mocnych stronach Stanów Zjednoczonych w fizyce cząstek elementarnych i przyczyniłyby się do ulepszenia obiektów wykorzystujących wiązki protonów i neutrin. Prawdopodobnie przyniosłoby to również szerokie korzyści społeczeństwu, w tym produkcji izotopów medycznych, materiałoznawstwa i fizyki jądrowej, dlatego Heeger uważa, że ​​byłaby to „dobrze wydana inwestycja”.

Na przykład rozwój wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodzących miałby ważne implikacje wykraczające poza fizykę cząstek elementarnych. Mogą być przydatne w reaktorach termojądrowych i mogą poprawić wydajność turbin wiatrowych. Schulte uważa również, że praca nad zderzaczem mionów przyniesie znaczne korzyści, jeśli chodzi o szkolenie kolejnego pokolenia naukowców. „To wspaniały projekt, ponieważ wszystko jest nowe, jest miejsce na wynalazki, kreatywność, a duch bardzo różni się od projektu, który polega na ponownym zrobieniu czegoś, co zrobiliśmy w przeszłości, w większym zakresie” – dodaje.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/