Accelerator Mașina mondială de mâine - spectrul științei
Accelerator: Mașina mondială de mâine
Când fizicienii particulelor s-au trezit pe 5 iulie 2012, mulți au avut probabil o întrebare specială în fundul minții: Descoperirea unui boson greu a fost anunțată cu o zi înainte, de fapt, particula Higgs prezisă de Modelul standard de fizică? Sau este poate ceva și mai complex și mai interesant care sugerează o teorie mai largă? Răspunsurile la acest lucru ar putea defini viitorul fizicii particulelor.
Mulți fizicieni speră - și se așteaptă - ca Marele Colizor de Hadroni (LHC) din Geneva să le ofere unele răspunsuri în următorii câțiva ani. Cu toate acestea, își perfecționează deja tacticile de vânzare pentru a obține o mașină succesivă pentru LHC: o fabrică Higgs care ar putea arunca o nouă teorie cu măsurători semnificativ mai precise decât astăzi.
„Știm că trebuie să existe fizică nouă dincolo de modelul standard”, explică Barry Barish de la California Institute of Technology din Pasadena. Acest lucru este garantat, susțin el și unii colegi, prin anumite fenomene care cu greu se încadrează în modelul standard actual, cum ar fi cadrul invizibil al materiei întunecate, care se presupune că reprezintă un sfert din densitatea totală de masă a universului sau că neutrinii pot trece cu ușurință de la o formă la alta. poate sa. Barish conduce consorțiul global care dezvoltă International Linear Collider (ILC): unul dintre candidații pentru următoarea mașină mondială. Diverse întâlniri de planificare, precum cele din 10 până în 12 septembrie la Cracovia sau în iunie 2013 în SUA, sunt destinate să lege prioritățile de cercetare ale fizicienilor de particule pentru următorii câțiva ani.
Planurile sunt un lucru, realitatea este altul: în vremuri de criză economică, va fi o provocare uriașă chiar și finanțarea unui nou accelerator de particule, avertizează Christopher Llewellyn-Smith de la Universitatea din Oxford și fost director la CERN. „Depinde ce alte particule sunt detectate în LHC, dacă noul sistem este susținut în unanimitate de întreaga comunitate de fizicieni și cât costă în cele din urmă. Chiar dacă considerațiile teoretice sunt la fel de solide ca în cazul LHC și costurile sunt acoperite este o treabă grea ", explică el.
LHC este viu
Una dintre întrebările centrale este cât de departe pot merge echipele LHC pentru a măsura proprietățile noii lor particule. În orice caz, fizicienii implicați se pot aștepta la mai multe date și la îmbunătățiri decisive ale dispozitivului lor în următorii zece ani. Și ar putea deja să anunțe vești bune: masa bosonului Higgs este în jur de 125 gigaelectron volți (GeV) la capătul ușor al intervalului de greutate estimat de teoreticieni. Acest lucru are două implicații importante, deoarece înseamnă că chiar și un nou accelerator de particule relativ modest ar putea produce în masă particule Higgs. Și echipează noua particulă cu o gamă largă de posibilități de descompunere, astfel încât cercetătorii să poată compara mai ușor interacțiunile sale cu alte componente ale modelului standard.
De exemplu, oamenii de știință doresc în primul rând să testeze modul în care Higgs interacționează cu fermionii modelului standard, adică cu electroni, muoni și quark-uri cu un număr cuantic de spin de 0,5. Probabilitatea unei interacțiuni cu fiecare particulă ar trebui să fie proporțională cu masa acesteia - nu în ultimul rând pentru că, conform modelului standard, această interacțiune cu particula Higgs creează masa reală. A doua prioritate este de a testa dacă spinul propriu al noii particule corespunde valorii 0 din modelul standard. Fizicienii LHC pot spune deja că noua particulă este un boson care trebuie să aibă un spin de 0, 1, 2 sau un alt număr întreg. Puteți exclude deja o rotație de 1, deoarece bosonii s-au descompus în perechi de fotoni, care sunt, de asemenea, fiecare boson și, astfel, rotesc 1 particule. Niciun fizician nu a venit încă cu teorii nebunești care includ bosoni cu o rotație mai mare de 2, spune Albert de Roeck de la CERN, care coordonează Detectorul de solenoizi compact Muon la LHC. Prin urmare, cercetătorii au încercat acum să determine dacă a fost un spin 2 sau un spin 0 boson așa cum s-a prezis.
LHC va clarifica această întrebare, subliniază Rolf Heuer, directorul general al CERN. Cu toate acestea, nu este încă clar cât de departe poate merge mașina sa pentru a rupe conexiunile dintre boson și alte particule - în special ceea ce îi conferă lui Higgs propria sa masă. Până în prezent, fizicienii implicați au reușit doar să demonstreze că interacțiunile bosonului Higgs cu alte particule sunt în mod rezonabil compatibile cu previziunile modelului standard în incertitudinile actuale de măsurare de 30 până la 40%. Potrivit lui De Roeck, acceleratorul ar trebui să reducă această valoare la aproximativ 20% până la sfârșitul anului 2012; în următorii 10 - 15 ani sunt „posibile foarte puține procente”.
Dar tocmai din acest motiv mulți fizicieni solicită un nou accelerator de particule. Un test cu adevărat obligatoriu al modelului standard - care ar dezvălui chiar și cele mai mici abateri și ar arăta astfel calea către o structură teoretică chiar mai bună - necesită o acuratețe de măsurare a interacțiunilor Higgs cu o abatere de maximum un procent. Chiar și valori de până la 0,1 la sută ar fi optime dacă predicțiile teoretice se vor îmbunătăți și în următorii câțiva ani. Și acesta este un nivel pe care LHC îl poate atinge cu greu.
Blocul dur dintre mașini
Mașina funcționează ca un ciocan: curenții a sute de miliarde de protoni se ciocnesc în ea la un nivel de energie care atinge șapte teraelectroni volți (TeV) pe fascicul. Acest lucru facilitează descoperirea de noi particule grele, dar îngreunează măsurătorile precise, deoarece protonii constau dintr-un val haotic de quark și gluoni, care fac coliziile haotice.
În schimb, fizicienii solicită un fel de accelerator de lepton în aplicațiile lor, deoarece leptonii - un grup de particule ușoare precum electroni, muoni sau neutrini - scapă de haos, deoarece nu sunt implicați în interacțiunile puternice quark-gluon care, la rândul lor, duc la ele Produce dezordine. Leptonii sunt particule elementare care au un efect relativ mic unul asupra celuilalt prin intermediul forțelor electromagnetice și slabe. Prin urmare, acceleratoarele Lepton funcționează mai mult ca bisturiile și nu ca ciocanele: ciocnirile lor pot fi reglate fin cu masa particulelor respective, iar norul de particule rezultat ar fi relativ curat și ușor de interpretat.
Pentru a economisi costuri, unii fizicieni pledează pentru a plasa pur și simplu tuburile noului accelerator lângă cele ale LHC și a permite fasciculelor opuse de electroni și pozitroni să se ciocnească. Această propunere - cunoscută sub numele de LEP3 (în onoarea marelui colizor electroni-pozitroni care a luat tunelul sub Geneva în fața LHC) - a apărut abia anul trecut, când au început să se acumuleze primele dovezi ale noii particule. LEP3 ar putea genera bosoni Higgs cu doar 120 GeV per fascicul - o energie totală de 240 GeV: în comparație cu maximul LEP inițial de 209 GeV, ar trebui să intensifice doar un dinte mic. Dezvoltările tehnice mai noi ar putea crește rata de producție și mai mult, deoarece permit o rată de coliziune de 500 de ori mai mare decât cea a LEP-ului original.
„Acum poate că este timpul ca Europa să-și întoarcă favoarea”
(Lyn Evans)
Dacă LEP3 a fost construit în tunelul LHC existent, cercetătorii ar putea recicla nu numai unii dintre detectoare, ci și utiliza infrastructura CERN, cum ar fi sursa de alimentare sau prelucrarea datelor. Aceste sinergii ar reduce costul estimat al LEP3 la unul până la două miliarde de dolari - mult mai puțin decât cele șase miliarde de dolari pe care le-a costat în cele din urmă LHC. „Există ceva convingător la propunere”, subliniază Alain Blondel, susținătorul LEP3 de la Universitatea din Geneva. El subliniază că există suficient spațiu pentru acceleratorul lepton oricum, fără a fi nevoie să scoateți LHC: inițial, tunelul a fost conceput pentru a găzdui ambele acceleratoare în același timp.
Muoni sau electroni
În ciuda tuturor avantajelor sale ca fabrică Higgs extrem de productivă, LEP3 are și un dezavantaj major: nu poate examina particulele mai grele decât o particulă Higgs. Și aceasta ar deveni o problemă dacă LHC descoperă alte particule grele pe care teoreticienii le prezic pe baza supersimetriei sau dacă acceleratorul ar trebui chiar să ofere indicii pentru alte dimensiuni. Este practic imposibil să crești nivelul de energie al LEP3 atât de ridicat încât să permită și studiul particulelor mai grele, deoarece acest lucru ar duce la pierderea radiației sincrotronei: undele electromagnetice pe care electronii sau pozitronii „le evacuează” atunci când trec printr-un câmp magnetic a fi distras.
Aceasta nu este o problemă cu protonii LHC, deoarece pierderile de energie datorate radiației sincrotronului scad drastic cu particulele de masă mai mare, iar protonii sunt de două mii de ori mai grele decât electronii; cu LEP3 acest lucru ar fi serios. Nivelul de energie al acceleratorului ar putea fi crescut doar dacă raza acestuia ar deveni mai mare - ceea ce nu ar fi posibil fără un alt tunel. Prin urmare, unii fizicieni sugeraseră deja să foreze un nou tub sub lacul Geneva pentru a instala o mașină cu electroni-pozitroni cu o rază de 80 de kilometri. Cu toate acestea, în viitorul previzibil, el nu vede nicio șansă pentru acest lucru, spune Heuer.
Mulți oameni de știință din întreaga lume discută, prin urmare, concepte alternative pentru fabrica Higgs, care cu o circumferință de 1,5 kilometri ar fi semnificativ mai mică decât LEP3. Aici se ciocnesc curenți de muoni care au de 207 ori masa unui electron fără pierderi semnificative de radiații sincrotrone. Ar putea apărea zeci de mii de bosoni Higgs, deși energia totală de coliziune este de doar 125 GeV și nu 240 GeV ca în LEP3. În plus, tehnicienii ar putea crește cantitatea de energie atât de mare încât pot fi examinate și particule mai grele.
Un accelerator de muoni are însă propriul său set de probleme. Muonii se descompun în electroni și neutroni după doar 2,2 microsecunde - ceea ce reprezintă, în principiu, o durată lungă de viață în domeniul subatomic, cu intervalele sale de miliardime de nanosecunde, înseamnă practic imediat pentru ingineri. Ar trebui să producem muoni urmărind un fascicul de protoni într-o țintă metalică, apoi transformând rezultatul într-un fascicul reglementat și apoi accelerându-l la energia necesară. Și toate acestea trebuie să se întâmple într-un interval de timp mai mic decât clipirea. Experimentul de răcire cu ionizare Muon (MICE) de la laboratorul Rutherford Appleton de lângă Oxford abordează această provocare. Rezultatele ar trebui să fie disponibile până în 2016 și procesul ar trebui să fie matur, astfel încât CERN să îl poată utiliza pentru a începe producția de neutrini, pentru a trimite razele de la neutrini muoni prin pământ către detectori la mii de kilometri distanță.
Acceleratorul liniar
Totuși, mulți fizicieni sunt sceptici. „Mă îndoiesc că voi vedea un accelerator de muoni în viața mea”, spune Brian Foster de la Universitatea din Oxford. „Încercăm să„ răcorim ”muoni de mai bine de zece ani, ceea ce este extrem de dificil.” Foster este directorul regional european pentru proiectul concurent al unui accelerator LEP liniar: un accelerator de electroni lung și drept, care trage direct către tubul unui accelerator de pozitroni la fel de lung și drept, astfel încât fasciculele sale să se întâlnească exact în mijloc. Deoarece nu există curbe, nu există, de asemenea, pierderi din radiația sincrotronului. De asemenea, pot fi actualizate ori de câte ori doriți prin simpla extindere a punctelor lor finale.
Această idee a apărut pentru prima dată în anii 1980, care a dus în cele din urmă la două concepte. ILC ar avea o lungime de aproximativ 30 de kilometri și ar folosi tehnologii care au fost încercate și testate în practică pentru a obține o energie de 0,5 TeV - cu opțiunea de a crește la 2 TeV. Cost: aproximativ 6,7 miliarde de dolari. Compact Linear Collider (CLIC) favorizat de CERN, pe de altă parte, s-a extins pe peste 50 de kilometri, dar s-ar baza pe noi tehnologii de accelerare care i-ar oferi o energie totală de 3 TeV. Costurile sale sunt încă complet neclare, dar cel puțin nivelul său de energie deschide posibilități complet noi de descoperire și măsurători mai precise. Pentru a-și uni forțele, fizicienii particulelor din ILC și CLIC lucrează sub conducerea fostului director LHC Lyn Evans pentru a elabora o propunere pentru un accelerator liniar unic până în 2015.
Este sensibil să începeți cu un accelerator liniar care atinge 250 GeV pentru a testa bosonul Higgs; apoi energia este apoi crescută treptat până la o valoare de 500 GeV, crede Evans. Apoi, el ar putea genera perechi de bosoni Higgs, pe care cercetătorii le pot investiga în ceea ce privește proprietățile lor de legare între ele și interacțiunile cu cea mai grea particulă materială dintre toate - quarkul superior. Niveluri mai ridicate de energie sunt fezabile din punct de vedere tehnic, dar devorează mai multă energie electrică, de exemplu, capacitatea de producție a unei centrale electrice de dimensiuni medii. "Limita superioară pentru un astfel de sistem este probabil în intervalul de aprovizionare cu energie maximă posibilă la CERN. Aceasta este în prezent de 300 de megawați", a spus Evans.
Dar unde ar trebui să fie amplasat acest accelerator de lepton? Regula generală este că țara gazdă plătește aproximativ jumătate din costuri - în anticiparea câștigurilor economice pe termen lung. Cu toate acestea, mediul economic în prezent face acest argument mai dificil, ceea ce este deosebit de adevărat pentru proiectele despre care politicienii cred că nu promit avantaje pe termen scurt pentru alegătorii lor.
Globalizarea acceleratorului
Dacă un nou accelerator liniar este decis de fapt în următorii câțiva ani, probabil că nu va fi construit la Geneva, crede Evans. În ciuda infrastructurii tehnice și politice copleșitoare, CERN are destul de mult timp de-a face cu LHC, care va atinge, de asemenea, energia maximă de 7 TeV în 2014 cel mai devreme. Vârful strălucirii sale creative nu este nici măcar planificat pentru 2022.
Pier Oddone, directorul Fermilab, suspectează că și SUA vor fi puțin probabil: „Ar trebui să înceapă o regândire drastică”. După închiderea acceleratorului Tevatron al Fermilab, focalizarea fizicii particulelor cu energie ridicată s-a mutat în Europa. Cercetătorii americani, pe de altă parte, se concentrează pe zona de intensitate și investighează modul în care particulele rare interacționează unele cu altele, de exemplu, producând curenți de neutrini intensi. Și totuși, potrivit lui Oddone, „bugetul nostru a fost redus brusc în acest an și ne-am străduit să conducem în mod corespunzător o facilitate care costă doar o zecime din ILC”. În plus, ar fi „foarte dificil” pentru SUA să aducă o contribuție semnificativă la un accelerator de lepton construit în altă parte în acest moment.
„Probabil o conversație telefonică între un președinte și un prim-ministru va face diferența”
(Pier Oddone)
Prin urmare, mulți observatori consideră că Japonia va fi cel mai promițător candidat pentru amplasarea viitoarelor mașini. De exemplu, țara a adus o contribuție semnificativă la LHC la mijlocul anilor 1990, când a întâmpinat dificultăți financiare. „Acum poate că este timpul ca Europa să-și întoarcă favoarea”, a spus Evans. Premierul japonez a fost, de asemenea, pozitiv cu privire la ILC în decembrie anul trecut, la scurt timp după ce rezultatele preliminare privind noul boson au fost publicate. Și există indicații subtile de finanțare suplimentară, întrucât noul accelerator este discutat ca parte a unui plan economic mai amplu: se intenționează să readucă din punct de vedere economic regiunea devastată de un cutremur și tsunami.
Mașina va servi ca punct de sprijin al unui „oraș internațional” care include facilități de cercetare suplimentare, zone industriale și centre de învățământ. În cele din urmă, ILC a rămas în fruntea listei de dorințe a fizicienilor japonezi de particule atunci când au înființat recent cel mai recent plan de cinci ani.
Deci, ILC poate fi numit un pariu sigur? „Doamne, nu”, exclamă Foster. "Dar este cea mai mare șansă pe care o avem de mult timp." Womersley estimează că probabilitatea ca mașina să fie construită este de 50/50. „Nu ar trebui să luăm finanțare pentru realitate doar pentru că a fost găsit Higgs”. Oddone estimează că ar dura zece ani de la revoluționarea până la ILC operațional; în plus, ar exista timpul de pregătire. "Deci vorbim despre anul 2025 cel mai devreme. Dar cine începe un astfel de proiect înainte să se știe ce ar putea descoperi LHC? Poate că există încă lucruri mult mai exotice decât bosonul Higgs".
Una peste alta, mulți fizicieni ai particulelor visează la o constelație generală care să cuprindă toate cele trei domenii: LHC cercetează frontul cu energie ridicată din Europa, diferite experimente de neutrini din SUA ating limita de intensitate, iar un nou accelerator de leptoni în Japonia pune la punct toate detaliile altor particule noi exotice care pot LHC nu a fost încă detectat. Oddone crede că dacă acest vis se împlinește nu depinde doar de oamenii de știință: „Este probabil că va decide o conversație telefonică între un președinte și un prim ministru”.
Textul original a apărut sub titlul „Noul peisaj al particulelor” în Nature 488, pp. 572-575.