Впливова експертна група США з фізики елементарних частинок закликає до розробки мюонного колайдера – Physics World

Впливова експертна група США з фізики елементарних частинок закликає до розробки мюонного колайдера – Physics World

Мітка часу: 24 січня 2024 р., 10:01 ранку
Вихідний вузол: 3083782

Група американських фізиків елементарних частинок «P5» каже, що робота над розробкою майбутнього мюонного коллайдера може дозволити США відновити «енергетичний кордон», як Майкл Аллен показує

<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="Один для майбутнього Мюонна установка потенційно може бути набагато компактнішою за протонний колайдер і, можливо, дешевшою у будівництві. (З дозволу: CERN)”>
Тунель LHC в CERN
Один для майбутнього Мюонна установка потенційно може бути набагато компактнішою за протонний колайдер і, можливо, дешевшою у будівництві. (З дозволу: CERN)

США повинні вивчити питання про створення мюонного колайдера та продовжувати «агресивні» дослідження та розробки технологій, необхідних для такого об’єкта. Такий висновок високопоставленого комітету американських і міжнародних фізиків елементарних частинок після року зустрічей для обговорення майбутнього дослідження фізики високих енергій у США. Проте вчені визнають, що для створення мюонного коллайдера доведеться подолати значні технічні проблеми.

Потенційна розробка мюонної установки є частиною довгострокового 20-річного бачення фізики елементарних частинок, яке було оприлюднено на початку грудня Групою пріоритетів проектів фізики елементарних частинок, або P5 (див. рамку нижче). Починаючи з 2003 року P5 збирається кожні десятиліття для оцінки великих і середніх дослідницьких проектів у галузі фізики. Потім він передає свої рекомендації фінансовим установам, таким як Міністерство енергетики США (DOE) і Національний науковий фонд.

Після відкриття бозона Хіггса в 2012 році в CERN Великий адронний коллайдерфізики елементарних частинок почали планувати будівництво так званої фабрики Хіггса, яка б стикала електрони з позитронами, щоб дозволити більш детальне дослідження властивостей бозона Хіггса та інших частинок. Деякі з цих конструкцій закликають до створення тунелю довжиною 90 км, який би вперше зіткнув електрони з позитронами в середині 2040-х років, а пізніше цього століття його перепрофільовано як протон-протонну машину 100 ТеВ для пошуку нової фізики.

Проте перехід до цих енергій – і потенційно навіть вищих – є складним. При енергіях, що наближаються до 1 ТеВ у круглому прискорювачі, електрони втрачають багато енергії через синхротронне випромінювання. Це не така вже й проблема для протонів, але для досягнення більших енергій, ніж 100 ТеВ, потрібне кільце ще більше, ніж 90 км, і, ймовірно, також знадобляться нові технології. Одним з альтернативних варіантів є зіткнення мюонів – двоюрідних братів електронів, які у 200 разів важчі. Враховуючи, що мюони набагато важчі за електрони, втрата енергії буде меншою проблемою в мюонному колайдері.

Даніель Шульте, керівник дослідження Міжнародна співпраця мюонного колайдера, який не входив до комітету P5, каже, що в мюонному колайдері синхротронне випромінювання «зменшується більш ніж у мільярд разів». «[Мюони] цікаві тим, що вони можуть безпосередньо замінити [електрони та позитрони], а наявність мюонного колайдера на 10 ТеВ приблизно еквівалентна наявності протонного колайдера на 100 ТеВ з точки зору фізики», — каже Шульте, чия співпраця складається з понад 60 інститутів. , включно з ЦЕРН, які розробляють проект передової мюонної установки. Будь-який майбутній мюонний об’єкт потенційно може бути набагато компактнішим і, можливо, дешевшим у будівництві – наприклад, мюонний колайдер із такою ж дальністю дії, як і протонний колайдер на 100 ТеВ, поміститься на існуючому майданчику Fermilab.

Називаючи це «нашим мюонним пострілом», комітет P5 заявляє, що програма мюонного прискорювача відповідатиме амбіціям США розмістити великий міжнародний колайдер, що дозволить їм очолити глобальні зусилля з розуміння фундаментальної природи Всесвіту. Група P5 тепер рекомендує, щоб США побудували великі випробувальні та демонстраційні установки для такого вдосконаленого колайдера протягом наступного десятиліття. Доповідь також рекомендує, щоб США взяли участь у Міжнародній співпраці мюонних коллайдерів і «взяли на себе провідну роль у визначенні еталонного дизайну».

Карстен Хігер, фізик з Єльського університету, який є співголовою P5, розповів Світ фізики що рекомендація щодо мюонного колайдера виникла з бажання подумати про довгострокове майбутнє фізики елементарних частинок у США, поза поточним урожаєм запланованих і розроблюваних проектів. За словами Хігера, ця рекомендація щодо досліджень і розробок викликала «велике хвилювання» в американській спільноті фізиків елементарних частинок, особливо серед молодих учених. «Вони вважають, що можливість продовжувати дослідження та розробки, щоб подумати про майбутній колайдер, є справді захоплюючою, особливо якщо ми зможемо розмістити його в США», — додає він.

Виклики попереду

Однак мюонний колайдер стикається з серйозними технічними проблемами, і минуть десятиліття, перш ніж можна буде прийняти будь-яке рішення щодо його створення. Однією з проблем мюонів є те, що вони розпадаються лише за 2.2 мікросекунди, протягом яких їх потрібно було б захопити, охолодити та прискорити. «Це дійсно розсуває технічні межі в усіх елементах», — каже Хігер. «Розробка магніту, технологія прискорення, фокусування променя; усі ці речі будуть критично важливими, і їх потрібно покращити порівняно з поточним станом», – додає він.

Шульте погоджується, що якби не обмежений час життя мюона, мюонний колайдер був би «простим». Він каже, що однією з найбільших проблем буде розробка необхідної магнітної технології. Наприклад, після того, як мюони будуть створені зіткненнями протонів, для їх охолодження та сповільнення знадобляться високотемпературні надпровідні магніти. І цю технологію потрібно буде втиснути в крихітний простір, щоб зменшити втрату мюонів. Тоді для прискорення пучка мюонів знадобляться високошвидкісні магніти, які можна обертати дуже швидко.

Проблема в тому, що більша частина цієї технології ще не існує або знаходиться в зародковому стані. Незважаючи на ці проблеми, Хігер упевнений, що мюонний колайдер можна побудувати: «Фізики елементарних частинок і фізики-прискорювачі продемонстрували неймовірну винахідливість протягом останніх років і десятиліть, тому я налаштований оптимістично», — каже він. Але навіть якщо такий об’єкт неможливий, робота над цим буде спиратися на нинішні переваги США у фізиці елементарних частинок і використовуватиметься для вдосконалення засобів пучка протонів і нейтрино. Це також, ймовірно, принесе широку користь суспільству, включаючи виробництво медичних ізотопів, матеріалознавство та ядерну фізику, тому Хігер вважає, що це буде «витрачена інвестиція».

Розробка високотемпературних надпровідних магнітів, наприклад, матиме важливі наслідки за межами фізики елементарних частинок. Вони можуть бути корисними для термоядерних реакторів і можуть покращити продуктивність вітрових турбін. Шульте також вважає, що робота над створенням мюонного коллайдера принесе значні переваги, коли справа доходить до навчання наступного покоління вчених. «Це чудовий проект, тому що все нове, є простір для винаходів, для творчості, дух сильно відрізняється від проекту, який переробляє те, що ми робили в минулому, у більш масштабному плані», – додає він.

Планування майбутнього курсу фізики елементарних частинок США

Звіт P5 – Шляхи до інновацій та відкриттів у фізиці елементарних частинок – базується на результатах конференції Snowmass, яка зібрала фізиків елементарних частинок і космологів з усього світу в Сіетлі протягом 10 днів у липні 2022 року для обговорення пріоритетів досліджень і майбутніх експериментів. Звіт P5 спрямований на створення портфоліо досліджень, яке вивчає майже всі фундаментальні складові Всесвіту та їх взаємодію, охоплюючи як космічне минуле, так і майбутнє.

Що стосується існуючих проектів, головним пріоритетом комітету P5 є завершення модернізації високої яскравості на Великому адронному колайдері CERN, а також перша фаза Глибокий підземний експеримент нейтрино (DUNE) у Ліді, штат Південна Дакота, який вивчатиме високоенергетичний пучок нейтрино, вироблених у Фермілабі, коли вони подорожують Землею на відстань 1280 км. DUNE має розпочати роботу приблизно у 2030 році. Інші рекомендовані пріоритети включають План удосконалення протонів Fermilab II та обсерваторію Вера Рубін у Чилі, яка очікує перше світло у 2025 році та проводитиме 10-річне дослідження південного неба.

Інші рекомендації включають CMB-S4 Експеримент – група наземних телескопів, розташованих на Південному полюсі та в чилійській пустелі Атакама, які спостерігатимуть космічний мікрохвильовий фон для дослідження фізичних процесів у Всесвіті відразу після Великого вибуху. P5 також рекомендує, щоб США співпрацювали з міжнародними партнерами на заводі Хіггса; експеримент нового покоління з прямим виявленням темної матерії; і обсерваторія IceCube-Gen2, яка забезпечить 10-кратне підвищення чутливості до космічних нейтрино в порівнянні з поточною обсерваторією IceCube на Південному полюсі.

«Ми намагалися знайти баланс між виконанням поточної програми, започаткуванням нових проектів і закладенням фундаменту з точки зору досліджень і розробок на майбутнє», — каже співголова P5 Карстен Хігер. Він додає, що було важливо розглянути, що буде після таких проектів, як фабрика Хіггса та завершення DUNE для фізики елементарних частинок, а також для наступного покоління вчених у США. «Якщо ми зараз повністю зосередимося лише на виконанні проектів, які зараз реалізуються, то через 10–15 років ми можемо виявитися, що не закладемо основи для того, що йде далі», — каже він.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики