Hội đồng vật lý hạt có ảnh hưởng của Hoa Kỳ kêu gọi phát triển máy va chạm muon – Vật lý Thế giới

<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="Một cho tương lai Cơ sở muon có khả năng nhỏ gọn hơn nhiều so với máy va chạm proton và có lẽ xây dựng rẻ hơn. (Được phép: CERN)”>

Hoa Kỳ nên khám phá việc xây dựng một máy va chạm muon và theo đuổi hoạt động nghiên cứu và phát triển “tích cực” về các công nghệ cần thiết cho một cơ sở như vậy. Đó là kết luận của một ủy ban cấp cao gồm các nhà vật lý hạt quốc tế và Hoa Kỳ sau một năm họp để thảo luận về tương lai của nghiên cứu vật lý năng lượng cao của Hoa Kỳ. Tuy nhiên, các nhà khoa học thừa nhận rằng sẽ phải vượt qua những thách thức kỹ thuật quan trọng để chế tạo máy va chạm muon.

Sự phát triển tiềm năng của cơ sở muon là một phần trong tầm nhìn dài hạn 20 năm về vật lý hạt được Ban Ưu tiên Dự án Vật lý Hạt, hay P5, đưa ra vào đầu tháng 2003 (xem hộp bên dưới). Kể từ năm 5, PXNUMX đã họp hàng thập kỷ để đánh giá các dự án nghiên cứu vật lý quy mô vừa và lớn. Sau đó, họ chuyển các khuyến nghị của mình tới các cơ quan tài trợ như Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Quỹ Khoa học Quốc gia.

Sau khi phát hiện ra boson Higgs vào năm 2012 tại CERN Large Hadron Collider, các nhà vật lý hạt bắt đầu lên kế hoạch xây dựng cái gọi là nhà máy Higgs sẽ cho các electron va chạm với positron để cho phép nghiên cứu chi tiết hơn về các tính chất của boson Higgs và các hạt khác. Một số thiết kế này kêu gọi một đường hầm dài 90 km sẽ cho va chạm đầu tiên giữa các electron với positron vào giữa những năm 2040 trước khi được tái sử dụng vào cuối thế kỷ này dưới dạng máy proton-proton 100 TeV để tìm kiếm vật lý mới.

Tuy nhiên, việc chuyển sang những năng lượng này – và thậm chí có khả năng cao hơn – là điều phức tạp. Ở mức năng lượng đạt tới 1 TeV trong máy gia tốc tròn, các electron mất rất nhiều năng lượng thông qua bức xạ synchrotron. Đây không phải là vấn đề đối với proton, nhưng để đạt được năng lượng cao hơn 100 TeV thì cần một vòng thậm chí còn lớn hơn 90 km và có lẽ cũng sẽ cần những công nghệ mới. Một phương án khác là cho va chạm muon – anh em họ của electron nặng hơn 200 lần. Cho rằng muon nặng hơn nhiều so với electron, nên sự mất năng lượng sẽ ít xảy ra hơn trong máy va chạm muon.

Daniel Schulte, trưởng nhóm nghiên cứu của Hợp tác Máy va chạm Muon quốc tế, người không có tên trong ủy ban P5, nói rằng bức xạ synchrotron “bị giảm đi hệ số hơn một tỷ” trong máy va chạm muon. “[Muon] rất thú vị vì chúng có thể thay thế trực tiếp [electron và positron] và việc có một máy va chạm muon 10 TeV gần tương đương với việc có một máy va chạm proton 100 TeV xét về mặt vật lý,” Schulte, người có sự hợp tác bao gồm hơn 60 viện, cho biết , bao gồm cả CERN, đang phác thảo kế hoạch chi tiết cho cơ sở muon tiên tiến. Bất kỳ cơ sở muon nào trong tương lai đều có khả năng nhỏ gọn hơn nhiều và có lẽ xây dựng rẻ hơn – chẳng hạn, một máy va chạm muon có cùng tầm với một máy va chạm proton 100 TeV sẽ phù hợp với địa điểm hiện tại của Fermilab.

Gọi nó là “cú bắn muon của chúng tôi”, ủy ban P5 tuyên bố rằng chương trình máy gia tốc muon sẽ phù hợp với tham vọng của Hoa Kỳ là tổ chức một cơ sở máy va chạm quốc tế lớn, cho phép nước này dẫn đầu các nỗ lực toàn cầu nhằm tìm hiểu bản chất cơ bản của vũ trụ. Hiện tại, nhóm P5 khuyến nghị Hoa Kỳ nên xây dựng các cơ sở thử nghiệm và trình diễn lớn cho một máy va chạm tiên tiến như vậy trong thập kỷ tới. Báo cáo cũng khuyến nghị Hoa Kỳ nên tham gia Hợp tác Máy va chạm Muon Quốc tế và “đóng vai trò dẫn đầu trong việc xác định thiết kế tham chiếu”.

Karsten Heeger, một nhà vật lý tại Đại học Yale, người đồng chủ trì P5, nói Thế giới vật lý rằng khuyến nghị về máy va chạm muon xuất phát từ mong muốn nghĩ về tương lai lâu dài của vật lý hạt ở Mỹ, vượt xa các dự án đã được lên kế hoạch và phát triển hiện nay. Theo Heeger, khuyến nghị nghiên cứu và phát triển này đã tạo ra “rất nhiều hứng thú” trong cộng đồng vật lý hạt Hoa Kỳ, đặc biệt là trong số các nhà khoa học trẻ. “Họ cảm thấy rằng việc có thể theo đuổi hoạt động R&D để nghĩ về một cơ sở máy va chạm trong tương lai thực sự rất thú vị, đặc biệt nếu chúng tôi có thể tổ chức nó ở Mỹ,” ông nói thêm.

Thách thức phía trước

Tuy nhiên, máy va chạm muon phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật lớn và phải mất nhiều thập kỷ trước khi có bất kỳ quyết định chế tạo máy va chạm nào được đưa ra. Một vấn đề với muon là chúng phân hủy chỉ trong 2.2 micro giây trong thời gian đó chúng cần được giữ lại, làm lạnh và tăng tốc. Heeger nói: “Nó thực sự đang thúc đẩy các giới hạn kỹ thuật ở mọi yếu tố”. “Sự phát triển của nam châm, công nghệ tăng tốc, tập trung chùm tia; tất cả những điều này sẽ cực kỳ quan trọng và chúng phải được cải thiện so với hiện tại,” ông nói thêm.

Schulte đồng ý rằng nếu không có thời gian tồn tại giới hạn của muon thì máy va chạm muon sẽ “đi thẳng về phía trước”. Ông nói rằng một trong những thách thức lớn nhất sẽ là phát triển công nghệ nam châm cần thiết. Ví dụ, một khi muon được tạo ra bởi va chạm proton, sẽ cần đến nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao để làm mát và làm chúng chậm lại. Và công nghệ này sẽ cần phải được nén vào một không gian cực nhỏ để giảm sự thất thoát muon. Khi đó sẽ cần đến các nam châm tốc độ cao có thể quay rất nhanh để tăng tốc chùm muon.

Vấn đề là phần lớn công nghệ này vẫn chưa tồn tại hoặc đang ở giai đoạn sơ khai. Bất chấp những thách thức này, Heeger tin tưởng rằng có thể chế tạo được máy va chạm muon: “Các nhà vật lý hạt và máy gia tốc đã thể hiện sự khéo léo đáng kinh ngạc trong những năm và thập kỷ gần đây, và vì vậy tôi rất lạc quan,” ông nói. Nhưng ngay cả khi một cơ sở như vậy không khả thi, thì việc hướng tới nó sẽ phát huy thế mạnh hiện tại của Hoa Kỳ trong vật lý hạt và cung cấp những cải tiến cho các cơ sở chùm proton và neutrino. Nó cũng có thể mang lại lợi ích rộng rãi cho xã hội, bao gồm sản xuất đồng vị y tế, khoa học vật liệu và vật lý hạt nhân, vì vậy Heeger tin rằng đây sẽ là một “khoản đầu tư xứng đáng”.

Ví dụ, sự phát triển của nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ có những ý nghĩa quan trọng ngoài vật lý hạt. Chúng có thể hữu ích cho các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân và có thể cải thiện hiệu suất của tua-bin gió. Schulte cũng tin rằng việc nghiên cứu máy va chạm muon sẽ mang lại những lợi ích đáng kể khi đào tạo thế hệ nhà khoa học tiếp theo. Ông nói thêm: “Đây là một dự án tuyệt vời vì mọi thứ đều mới mẻ, có chỗ cho những phát minh, sự sáng tạo. Tinh thần rất khác so với một dự án đang làm lại những gì chúng tôi đã làm trong quá khứ theo cách lớn hơn”.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/