Vplivni ameriški odbor za fiziko delcev poziva k razvoju mionskega trkalnika – Physics World

Vplivni ameriški odbor za fiziko delcev poziva k razvoju mionskega trkalnika – Physics World

Časovni žig: 24. januar 2024 10
Izvorno vozlišče: 3083782

Panel "P5" ameriških fizikov delcev pravi, da bi lahko delo na razvoju prihodnjega mionskega trkalnika omogočilo ZDA, da ponovno pridobijo "energetsko mejo", saj Michael Allen razkriva

<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="Ena za prihodnost Mionski objekt bi lahko bil veliko bolj kompakten kot protonski trkalnik in morda cenejši za gradnjo. (Z dovoljenjem: CERN)">
Tunel LHC v CERN-u
Ena za prihodnost Mionski objekt bi lahko bil veliko bolj kompakten kot protonski trkalnik in morda cenejši za gradnjo. (Z dovoljenjem: CERN)

ZDA bi morale raziskati izgradnjo mionskega trkalnika in si prizadevati za "agresivne" raziskave in razvoj tehnologij, potrebnih za takšno napravo. To je sklep visokega odbora ameriških in mednarodnih fizikov delcev po letu srečanj, na katerih so razpravljali o prihodnosti ameriških raziskav fizike visokih energij. Vendar pa znanstveniki priznavajo, da bi bilo treba za izgradnjo mionskega trkalnika premagati pomembne tehnične izzive.

Potencialni razvoj mionskega obrata je del dolgoročne, 20-letne vizije za fiziko delcev, ki jo je v začetku decembra objavila skupina za prednostne naloge fizike delcev ali P5 (glejte okvir spodaj). Od leta 2003 se skupina P5 sestaja vsako desetletje, da oceni velike in srednje velike fizikalne raziskovalne projekte. Nato svoja priporočila posreduje agencijam za financiranje, kot sta ameriško ministrstvo za energijo (DOE) in Nacionalna znanstvena fundacija.

Po odkritju Higgsovega bozona leta 2012 v CERN-u Veliki hadronski trkalnik, so fiziki delcev začeli načrtovati izgradnjo tako imenovane Higgsove tovarne, ki bi trkala elektrone s pozitroni, da bi omogočila podrobnejše raziskovanje lastnosti Higgsovega bozona in drugih delcev. Nekateri od teh modelov pozivajo k 90 km dolgemu predoru, ki bi sredi 2040. let prejšnjega stoletja najprej trčil med elektrone in pozitrone, preden bi ga kasneje v tem stoletju preuredili v 100 TeV proton-protonski stroj za iskanje nove fizike.

Vendar je prehod na te energije – in potencialno še višje – zapleten. Pri energijah, ki se približujejo 1 TeV v krožnem pospeševalniku, elektroni izgubijo veliko energije zaradi sinhrotronskega sevanja. Za protone to ni tako velik problem, vendar je za doseganje višjih energij od 100 TeV potreben celo večji obroč od 90 km in bi verjetno potreboval tudi nove tehnologije. Ena alternativna možnost je trčenje mionov – bratrancev elektronov, ki so 200-krat težji. Glede na to, da so mioni veliko težji od elektronov, bi bila izguba energije v mionskem trkalniku manjša težava.

Daniel Schulte, vodja študije Mednarodno sodelovanje mionskega trkalnika, ki ni bil v odboru P5, pravi, da se sinhrotronsko sevanje v mionskem trkalniku »zmanjša za faktor več kot milijarde«. »[Muoni] so zanimivi, ker bi lahko neposredno nadomestili [elektrone in pozitrone] in imeti mionski trkalnik z močjo 10 TeV je v smislu dosega fizike približno enak trkalniku protonov s 100 TeV,« pravi Schulte, čigar sodelovanje sestavlja več kot 60 inštitutov. , vključno s CERN-om, ki pripravljajo načrt za napredno mionsko napravo. Vsak prihodnji mionski objekt bi lahko bil veliko bolj kompakten in morda cenejši za gradnjo – mionski trkalnik z enakim dosegom kot trkalnik protonov s 100 TeV bi se na primer prilegal na obstoječo lokacijo Fermilaba.

Sklicujoč se na to kot na "naš mionski posnetek", odbor P5 navaja, da bi program mionskega pospeševalnika ustrezal ambiciji ZDA, da bi gostile velik mednarodni trkalnik, kar bi jim omogočilo vodenje globalnih prizadevanj za razumevanje temeljne narave vesolja. Panel P5 zdaj priporoča, da ZDA v prihodnjem desetletju zgradijo večje preskusne in demonstracijske objekte za tako napreden trkalnik. Poročilo prav tako priporoča, da ZDA sodelujejo pri mednarodnem sodelovanju mionskega trkalnika in "prevzamejo vodilno vlogo pri definiranju referenčne zasnove".

Karsten Heeger, fizik na univerzi Yale, ki sopredseduje P5, je povedal Svet fizike da je priporočilo mionskega trkalnika izhajalo iz želje po razmišljanju o dolgoročni prihodnosti fizike delcev v ZDA, ki presega trenutno množico načrtovanih in razvijajočih se projektov. Po besedah ​​Heegerja je to priporočilo za raziskave in razvoj povzročilo "veliko navdušenja" v ameriški skupnosti fizike delcev, zlasti med mlajšimi znanstveniki. »Menijo, da je možnost nadaljevanja raziskav in razvoja za razmišljanje o prihodnjem trkalniku res vznemirljiva, še posebej, če bi ga morda lahko gostili v ZDA,« dodaja.

Izzivi pred nami

Mionski trkalnik pa se sooča z velikimi tehničnimi izzivi in ​​minila bi desetletja, preden bi lahko sprejeli kakršno koli odločitev o njegovi izgradnji. Ena težava z mioni je, da razpadejo v komaj 2.2 mikrosekundah, med katerimi bi jih bilo treba ujeti, ohladiti in pospešiti. "Resnično premika tehnične meje v vseh elementih," pravi Heeger. »Razvoj magneta, tehnologija pospeševanja, fokusiranje žarka; vse te stvari bodo kritično pomembne in jih je treba izboljšati glede na trenutno stanje,« dodaja.

Schulte se strinja, da bi mionski trkalnik, če ne bi bilo omejene življenjske dobe miona, bil "naravnost". Pravi, da bo eden največjih izzivov razvoj potrebne magnetne tehnologije. Na primer, ko so mioni proizvedeni s protonskimi trki, bodo potrebni visokotemperaturni superprevodni magneti, da jih ohladijo in upočasnijo. In to tehnologijo bo treba stisniti v majhen prostor, da se zmanjša izguba mionov. Za pospešitev mionskega žarka bodo nato potrebni magneti z visoko hitrostjo, ki jih je mogoče zelo hitro krožiti.

Težava je v tem, da večina te tehnologije še ne obstaja ali pa je v povojih. Kljub tem izzivom je Heeger prepričan, da bi lahko zgradili mionski trkalnik: "Fiziki delcev in pospeševalci so v zadnjih letih in desetletjih pokazali neverjetno iznajdljivost, zato sem optimističen," pravi. Toda tudi če takšen objekt ni izvedljiv, bi prizadevanja zanj gradila na trenutnih prednostih ZDA v fiziki delcev in prispevala k izboljšavam naprav za žarke protonov in nevtrinov. Verjetno bi imelo tudi široko korist za družbo, vključno s proizvodnjo medicinskih izotopov, znanostjo o materialih in jedrsko fiziko, zato Heeger meni, da bi bila to "dobro porabljena naložba".

Razvoj visokotemperaturnih superprevodnih magnetov bi na primer imel pomembne posledice, ki presegajo fiziko delcev. Lahko bi bili uporabni za jedrske fuzijske reaktorje in bi lahko izboljšali delovanje vetrnih turbin. Schulte tudi verjame, da bo prizadevanje za mionski trkalnik ponudilo znatne koristi, ko gre za usposabljanje naslednje generacije znanstvenikov. "To je odličen projekt, ker so stvari nove, obstaja prostor za izume, za ustvarjalnost, duh je zelo drugačen od projekta, ki ponovno dela nekaj, kar smo počeli v preteklosti, na večji način," dodaja.

Zasnova prihodnjega poteka ameriške fizike delcev

Poročilo P5 – Poti do inovacij in odkritij v fiziki delcev – temelji na rezultatih konference Snowmass, ki je julija 10 v Seattlu za 2022 dni zbrala fizike delcev in kozmologe z vsega sveta, da bi razpravljali o prednostnih nalogah raziskav in prihodnjih poskusih. Namen poročila P5 je ustvariti raziskovalni portfelj, ki preučuje skoraj vse temeljne sestavine vesolja in njihove interakcije, ki zajema tako kozmično preteklost kot prihodnost.

Kar zadeva obstoječe projekte, je glavna prednostna naloga odbora P5 dokončanje nadgradnje High-Luminosity v velikem hadronskem trkalniku CERN in prve faze Eksperiment z nevtrini globoko pod zemljo (DUNE) v Leadu v Južni Dakoti, ki bo proučeval visokoenergijski žarek nevtrinov, proizvedenih v Fermilabu, ko potujejo 1280 km skozi Zemljo. DUNE naj bi začel delovati okoli leta 2030. Druge priporočene prednostne naloge vključujejo Fermilabov načrt za izboljšanje protonov II in observatorij Vera Rubin v Čilu, ki pričakuje prvo svetlobo leta 2025 in bo izvedel 10-letno raziskavo južnega neba.

Druga priporočila vključujejo CMB-S4 eksperiment – ​​niz zemeljskih teleskopov, ki se nahajajo na južnem tečaju in v čilski puščavi Atacama, ki bi opazovali kozmično mikrovalovno ozadje, da bi raziskali fizične procese v vesolju takoj po velikem poku. P5 tudi priporoča, da ZDA sodelujejo z mednarodnimi partnerji pri Higgsovi tovarni; poskus neposredne detekcije temne snovi naslednje generacije; in observatorij IceCube-Gen2, ki bo zagotovil 10-kratno izboljšanje občutljivosti na kozmične nevtrine v primerjavi s trenutnim observatorijem IceCube na južnem polu.

»Poskušali smo najti ravnotežje med vodenjem trenutnega programa, začetkom novih projektov in postavljanjem temeljev v smislu raziskav in razvoja za prihodnost,« pravi sopredsednik P5 Karsten Heeger. Dodaja, da je bilo pomembno upoštevati, kaj sledi projektom, kot sta tovarna Higgs in dokončanje DUNE za fiziko delcev, pa tudi za naslednjo generacijo znanstvenikov v ZDA. »Če se zdaj popolnoma osredotočimo samo na izvajanje projektov, ki so v teku, se lahko zgodi, da čez 10–15 let ne bomo postavili temeljev za tisto, kar pride onstran,« pravi.

Časovni žig:

Več od Svet fizike