Kur perkelti kitą fizikos klasę per ateinantį dešimtmetį? • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos "Elementai" • Fizikos, pagreičio ir aptikimo technologijos, ateities planai, LHC

Kur perkelti kitą fizikos klasę per ateinantį dešimtmetį?

Pav. 1. Vaizdas slėnyje tarp Juros kalnų ir Prancūzijos Predalps. Žiedai apibūdina CERN greitintuvų kontūrus. Didžiausias lankas – suprojektuotas tunelio FCC greitintuvas. Nuotrauka iš tlep.web.cern.ch

Elementarioji dalelių fazė "Collider" kryžkelėje. Didysis "Hadron Collider" dirbs iki 2037 m., Tačiau niekas negali garantuoti, kad atidarys ilgai lauktą "Naująją fiziką". Kitas svarbus koliažerio projektas, kuris gali viršyti LHC energetikoje ar regėjime, jau seniai buvo aptariamas, tačiau iš anksto neaišku, kuris iš jų norėtų. Be to, netrukus turėtų būti priimta atnaujinta Europos dalelių fizikos strategija 2020-2026 m., Kuri dar labiau pagreitina sprendimų priėmimą.

Collider dilema

Moksleivių bendruomenė jau seniai galvoja apie tai, ką keletą dešimtmečių ateis naujas didelis koliažieris, pakeisiantis Didžiulį hadronų kolektorių. Keletas variantų. Yra plataus užmojo projektas, pagal kurį nuo naujo sukurtas naujas hadono daliklis, kurio susidūrimo energija yra 100 TeV (žr. "Fizikai aptaria 100 TeV collider" perspektyvas), kuri jau vadinama FCC (ateities apskritimo kolereris, 2 pav.). Yra ir kitų variantų, skirtų daug mažesnėms energijos rūšims.Dirbdami Higso gamyklose, jie galės pagaminti Higso bosoną dideliais kiekiais ir išsamiai ištirti jo ypatybes. Tikimasi, kad per tokius itin tikslius Higso sektoriaus matavimus galime netiesiogiai patekti į Naująją fiziką.

Pav. 2 Bendra ateities koliaherių FCC schema. Dėl galingos sinchroninės spinduliuotės jo formos nėra griežtai apvalios, bet yra suapvalintas daugiakampis, tiesiame sekcijose, kurių ilgis yra 1,4 arba 2,8 km, yra detektoriai ir aptarnavimo elementai. Paveikslas iš M. Benedikto, F. Zimmermanno, 2018 m. Pristatymo. Būsimasis apskrito koleraderio tyrimas: būklė ir planai

Būsimų koleiderių projektai turi daug skirtumų. Taigi, Tarptautinio linijinio sukrėtimo ILC atveju technologijos jau seniai parengtos, buvo pasirinkta statybų vieta (Japonija), ir vienintelis klausimas yra tai, ar Japonija yra pasirengusi didelį finansinį indėlį į jos įgyvendinimą. "FCC 100-tee collider" planuojama įdėti į naują (dar neapipylėtą) 97 kilometrų cirkuliacinį tunelį šalia CERN, tačiau jis remiasi technologijomis, kurių nėra, kol jų nereikia sukurti keletą dešimtmečių.

Šie projektai skiriasi savo mokslo potencialu. Ir jei prieš keletą metų buvo standartinė formuluotė"Hadrono kolereris yra atradimų mašina, o elektronų-positronas yra gerai mokamas", dabar požiūris pradeda keistis. Faktas yra tas, kad Didžiojo Hadrono Collider'as jau įrodė, kad "Hadron" mašinose "nešvarių" protonų susidūrimų metu taip pat galima studijuoti subtilus efektus, kurie iš pradžių buvo laikomi beviltiška. Higso bosono skilimo pavyzdys bKvarkai. Šis sumažėjimas yra dominuojantis, jo tikimybė yra 58%. Tačiau išorinių procesų fonas čia yra toks didžiulis, kad prieš dešimtį metų tik keletas žmonių tikėjosi jį įregistruoti. Tačiau, jei Higso bosonas gimsta su dideliu skersiniu momentu, tada fonas staigiai sumažėja, o tada fizikų žvilgsnis atskleidžia tai, kas anksčiau nebuvo matoma. 2017 m. ATLAS bendradarbiavimas pirmą kartą pranešė apie šio išskaidymo užuominą ir šiais metais ją galutinai patvirtino. Šis pavyzdys iliustruoja idėją, kad net kai kuriuose ploniuose Higso matavimuose ateities 100-tev hadrono koladiajus galės viršyti linijinį elektroną-positroną.

Taigi, kokį projektą turėtumėte pasirinkti? Jei Didysis Hadrono Collideris atidarė naują dalelę už standartinio modelio ribų arba patikimai nurodė iš esmės naują efektą, mes žinotume, kaip sukurti koliažerį, kad ištirtų šį reiškinį. Tai būtų regimas pasirinkimas.Dabar fizikai priversti beveik aklai pasirinkti, stengdamiesi rasti optimalią laiko, finansinių investicijų ir numatomos mokslinės grąžos alternatyvą.

Trumpalaikis laikas nuspręsti, bent jau apskritai, dėl ateivių susidūrimo yra taip pat susijęs su tuo, kad neseniai dalelių fizikos pastangas koordinuoja Europos dalelių fizikos strategija (Europos dalelių fizikos strategija, EPPS). Nors CERN yra šios iniciatyvos varomoji jėga, tai yra visuotinis dalinių fizikos pastangų koordinavimas. Pirmą kartą Europos strategija buvo suformuluota 2006 m. Ir tapo įkūnijimu "iš apačios į viršų" procese, kai visa mokslinė bendruomenė dalelių fizikos srityje nustatė ateinančių metų prioritetus per specialius renginius. 2013 m. Strategija buvo atnaujinta, o dabar fizinė bendruomenė ruošiasi ją persvarstyti (žr. Europos dalelių fizikos atnaujinimo 2018-2020 m. Strategiją). Prieš sakydami, kaip nauja strategija turės įtakos bendrai naudojamiems prioritetams, aprašysime šio proceso detales.

Dalies fizikos strategijos link 2020-2026 m

Kadangi visos svarbiausios dalelių fizikos centrai ir visos pagrindinės šalys yra įtrauktos į strategijos priėmimo procesą, tai neišvengiamai tampa sunku valdyti irper daug biurokratiškas. Siekdami aiškumo sudėtingam komitetų tinklui, trumpai apžvelgiame, kas įvyks per ateinančius dvejus metus (3 pav.).

Pav. 3 Atnaujintos Europos dalelių fizikos strategijos darbo planas. Paveikslas iš "Europos dalelių fizikos strategijos atnaujinimo 2020" pristatymo

2019 m. Rugsėjo mėn. 186-ojoje CERN tarybos sesijoje buvo įsteigtas Europos strateginės grupės (ESG) sekretoriatas – nauja institucija, kuri koordinuotų atnaujintos Europos strategijos rengimo procesą. Pagrindinis Europos strateginės grupės uždavinys – parengti galutinį programos planą ir pateikti jį CERN svarstyti. CERN taryba turės sutikti su ja 2020 m. Gegužę ir tada per ateinančius šešerius metus dėti visas pastangas, kad ją įgyvendintų. CERN generalinis direktorius (dabar Fabiola Janotti) yra asmeniškai atsakingas už strategijos įgyvendinimą.

Nors ESG strateginę grupę sudaro labai gerai žinomi fizikai ir pagrindinių organizacijų atstovai, jie, be abejo, nenuspręs, kokia dalelių fizika imsis 2020-2026 m. ESG grupė sistemina tik konsensusą, prie kurio turėtų prisijungti mokslinė bendruomenė.Šiuo tikslu 2018 m. Kovo mėn. Sekretoriatas kreipėsi į visus pasaulio universitetus, mokslinių tyrimų institutus ir laboratorijas, kurių darbas susijęs su dalelių fizika, parengti ir išsiųsti savo informuotus pasiūlymus dėl to, kur FEC turėtų eiti per šį laikotarpį. Kitas komitetas, Fizikos rengimo grupė (PPG), iš dalies sutampa su ESG, priims ir analizuos pasiūlymus (žr. Detalią komitetų sudėtį).

Pasiūlymų pateikimo terminas yra 2018 m. Gruodžio 18 d. Tai yra prieš keturis mėnesius, todėl ši pagrindinė data dabar tampa gairiu daugeliui administracinių ir net politinių procesų, susijusių su būsimais dideliais dalelių fizikos eksperimentais. Nuo spalio mėn. Bus galima pateikti pasiūlymus CERN tarybos tinklalapyje. Paraiškos jau rengiamos iš atskirų laboratorijų, iš visų šalių ar netgi iš atskirų elementų dalelių fizikos skyrių atstovų.

Darbas atnaujintoje programoje bus pradėtas 2018 m. Rugsėjo 27 d. Reguliarioje CERN tarybos sesijoje, o jo pirmasis etapas truks pusę metų. 2019 m. Gegužės mėn. PPG surengs atvirą simpoziumą, kuriame bus pristatyti tarpiniai šio proceso rezultatai.Pasibaigus simpoziumo darbui, PPG parengs mokslinį pranešimą "Briefing book", kuris bus ESG pagrindu parengti galutinę strategiją (2013 m. Paskutinio strategijos atnaujinimo metu buvo parengtas panašus 220 puslapių dokumentas; taip pat žr. Rusų vertimą dokumentas 2006.). Europos ateities greitintuvų komitetas (ECFA) taip pat prisidės prie šio proceso; ji bus pateikta 2019 m. liepos 14 d. kitoje didžiausioje dalelių fizikos konferencijoje EPS HEP. Po to vyks dar šeši mėnesiai, o 2020 m. Sausio 20-24 d. ESG grupė apibendrins galutinį rezultatą ir parengs Europos strategiją dalelių fizikos srityje. Kovo mėn. Jis bus pristatytas CERN tarybai, kuri, kaip tikimasi, gaus jos 2020 m. Gegužės mėn.

ILC perspektyvos

ILC tarptautinio linijinio kolektoriaus situacija ilgą laiką buvo perkelta iš mokslinės plokštumos į finansinę. Jau keletą metų viską apribojo tik dalyvaujančių šalių vyriausybių pasiryžimas – ir visų pirma Japonija, kurios teritorijoje bus statomas koliažeris, investuoti milijardus dolerių. Jei LHC nustatė aiškius Naujosios fizikos įrodymus, nebūtų jokių kliūčių – e+e"Collider", kurio susidūrimo energija yra 500 GeV, būtų gavęs žalią šviesą. Esant dabartinei situacijai, tik Higso bosonas gali būti vienintelis garantuotas "ILC" tikslas. Norint jį ištirti, reikės daug kuklesnės energijos susidūrimo – 250 GeV, kuri yra tik šiek tiek didesnė nei ankstesnio amžiaus CER collider LEP energija.

Kad padėtis būtų nukreipta žemyn, 2017 m. Pabaigoje buvo pasiūlyta keletas variantų ILC koliažeriui statyti palaipsniui (4 pav.), O tai prasidės nuo "Higso gamyklos" fazės, kurios susidūrimo energija yra 250 GeV. Minimaliu atveju, kolaiderio kaina bus sumažinta 40%. Tokio lengvojo dubliavimo programos mokslinės programos pakeitimai yra aprašyti pridedamoje ataskaitoje. 2017 m. Lapkričio mėn. Tarptautinis ateities pagreičio komitetas ICFA paskelbė visišką šio projekto paramą.

Pav. 4 Linear Collider ILC įgyvendinimo galimybės. Viršuje: pradinis projektas su susidūrimo energija 500 GeV, viduryje: mažiausias naudingas variantas, kurio energija yra 250 GeV, Žemiau: tarpinės parinktys. Nuotrauka iš straipsnio L. Evans, S. Michizono, 2017 m. Tarptautinė linijinių sukrėtimų staklių statistinė ataskaita, 2017 m

Ar šis pasiūlymas paveikė Japonijos vyriausybės poziciją, ar ne?tačiau Japonijos pusės derybos su pirmaujančiomis pasaulio laboratorijomis, informacijos kampanija pačioje Japonijoje ir Japonijos vyriausybės procesai skatina viltis. ICFA atstovo pranešime, paskelbtoje konferencijoje 2018 m. ICHEP, teigiama, kad Japonijos vyriausybė žada baigti ILC projekto peržiūrą ir priimti galutinį sprendimą iki 2018 m. Gruodžio 18 d. ILC kūrimas ar jos atsisakymas bus vienas iš svarbiausių atnaujintos Europos 2020-2026 m. Strategijos punktų ir šis klausimas turėtų būti išspręstas netrukus.

FCC perspektyvos

Jei ILC atveju, per ateinančius mėnesius turi būti priimtas kritinis sprendimas, tada būsimam FCC koleideriui situacija visiškai kitokia. Darbas su projektu prasidėjo tik prieš kelerius metus, ir iki šiol paruošta tik naujojo koliažerio mokslinės galimybės apžvalga (arXiv: 1710.06353). Ekspertai dar turi parengti išsamų techninį koliažerio ir detektorių projektą ir nurodyti, kokias technologijas reikia sukurti ir įgyvendinti per ateinančius kelis dešimtmečius. Visi šie klausimai vykdomi intensyviai, tačiau šiais metais nenumatoma jokių kritinių sprendimų. Tačiau tai nereiškia, kad FCC bendruomenė dirba ramiai.2019 m. Kovo mėn. Planuojama parengti pirmąjį didelį techninį dokumentą – bendras koliažerio projektas (konceptualiojo projekto ataskaita, CDR) ir jo trumpoji versija bus išleisti 2018 m. Lapkričio mėn., Iki pasiūlymų dėl atnaujintos Europos strategijos pabaigos. Šis projektas taps pagrindu planuoti išsamesnį darbą, susijusį su visais techniniais projekto aspektais.

Jei pažvelgsite į numatomą ateinančių trijų dešimtmečių darbo planą (5 pav.), Pamatysite, kad pagrindinis dalykas bus pasirengimas Europos strategijai dėl dalelių fizikos, kuri nebus padaryta šalia, bet kuri įsigalios 2026 m. Iki tol specialistai atsargiai parengs galutinį techninį projektą (techninio projekto ataskaitą, TDR) ir toliau dirbs 16 Tesla superlaidžių magnetų prototipų. Kaip matyti iš fig. 5, šios technologijos kūrimas ir įgyvendinimas yra sudėtingiausias koliažerio įgyvendinimo etapas. Ekstrapoliuodami dabartinę pažangą, technikai tikisi pradėti gaminti pirmuosius pilno dydžio prototipų magnetus geriausiu maždaug 2030 m. Ir užbaigti masinę gamybą iki 2040 m. Pradžios.

Pav. 5 Funkciniai planai, skirti FCC per ateinančius 25 metus. Paveikslas iš M. Benedikto, F. Zimmermanno, 2018 m. Pristatymo.Ateities apykaitinio koleraderio tyrimas: būklė ir planai

Be to, kad gamins stiprius magnetus, specialistai turės išspręsti dar vieną techninę problemą: kaip apsaugoti koladerią nuo galingos protonų spindulio sinchroninio spinduliavimo. Paprastai sinchroninė spinduliuotė laikoma elektroninių-positroninių ciklinių kolaiderių problema, o protonai dėl jų didelės masės yra mažai ištirti. Net LHC, esant didžiausiam veikimui, cirkuliuojantis spindulys išmeta kelis kilovatus. Ši spinduliuotė absorbuojama 27 kilometrų vakuuminės kameros sienų, o šiluma saugiai pašalinama kriogeninės sistemos. FCC sinchroninio radiacijos galia padidės beveik tūkstantį kartų, pasiekusi keletą megavatų. Tai sukurs precedento neturinčią šilumos apkrovą vakuuminėje kameroje, o šiuolaikinės kriogeninės medžiagos neveiks šios situacijos. Laimei, sinchroninės spinduliuotės yra lokalizuotos žiedo plokštumoje, o greitintuvai tikisi įveikti šią problemą naudojant sudėtingą vakuuminės kameros struktūrą ir specialius šilumos skydus (6 pav.).

Pav. 6 FCC koliažerio vakuuminės kameros vidinė struktūra bus optimizuota saugiam galingos sinchronotinės spinduliuotės šalinimui iš protonų spindulio ir elektroninių debesų slopinimui. M. Benedikto F. F. pristatymasZimmermann 2018 Ateities Diskiniai greitintuvas Tyrimas: Statusas ir planai

Dėl tos pačios bendros formos sinchrotroninį spinduliavimą akceleratoriaus žiedo nebus apskritimas, apvali daugiakampis (2 pav.). Spinduliuotės bus išmetamų į suapvalinti, kai spindulys yra pasuktas, ir tiesiosios dalys – santykine saugos – bus įdiegta detektoriai, paspartinti skyrių, kolimatorius, sija dempingo sistemą.

Jei 2026 mokslo bendruomenė ir, visų pirma, CERN bus pasirengusi pradėti statyti FCC, tada pradėkite išlaikęs naują 97 kilometrų tunelį turės būti beveik iš karto. Jis bus pro CERN, tačiau tiksli vieta dar nėra nustatyta. Geologiniai tyrimai buvo atlikti, bet iš naujų žiedų trajektorija priklausys, be kita ko, kokios dabartinės greitintuvai bus naudojamas kaip FCC purkštuko: LHC arba atnaujinti BIS greitintuvo (7 pav.)

Pav. 7 Įgyvendinimo variantai BIS LHC arba būti naudojamas kaip FCC įšvirkštimui. Piešimas iš D. Shulte pateikimo, 2018 m FCC HH Konceptualus mašina Dizainas: CDR Būsena

Tikimasi, kad iki 2026 m taip pat bus nuspręsta, kuris iš trijų būdų eiti į 2030-2050-ųjų. Galimos tokios parinktys:

  • FCC-hh: Nedelsiant lažintis dėl 100-tev protonų greitintuvas FCC-hh. Tai pats ambicingas projektas, bet taip pat yra sunku įgyvendinti.Net jei visi sprendimai priimami laiku ir nėra jokių finansinių ir politinių kliūčių, jis gali uždirbti ne anksčiau kaip 2043 m.
  • FCC-ee: Higso bosono ir aukščiausiųjų kvarkų tyrinėjimui tunelyje instaliuoti elektroną-positroną susidarantis collideris, kurio energija yra 250-360 GeV. Jo kaina turėtų būti mažesnė, tačiau jis turės daug kuklesnes fizines užduotis. Šis bendradarbis galės pradėti darbą 2039 m. Bet kokiu atveju, FCC-e variantas yra laikomas vieninteliu ekonomiškesniu tarpiniu 15 metų laikotarpiu, o ne perėjimas prie 100 TEV Hadrono koliažerio.
  • HE-LHC, LHC su padidinta energija 27 TeV. Daroma prielaida, kad pasibaigus "Run 5" sesijai 2034 m. Dabartiniame LHC žiede bus įdiegtos naujos 16 "Tesla" magnetų. Nepaisant to, kad tunelis yra senas, iš tiesų bus sukurtas naujas koliažieris. Jis uždirba ne anksčiau kaip 2040 metais.

Kuris variantas būtų geresnis, priklausys nuo LHC rezultatų. Jei pasibaigus "Run 3" seansui pasirodys, kad dabartiniai "B" mezonių sluoksnių naujosios fizikos patarimai yra stipresni, tai bus tvirtas argumentas naudai tarpinei galimybei – arba FCC-ee, arba HE-LHC.Jei iki 2026 m. Nėra reikšmingų Naujosios fizikos požymių, fizikai greičiausiai sistemingai ruošiasi naujam greitintuvo spurtui, iškart po 100 TeV.

Kalbant apie FCC kainą bet kuria iš šių galimybių, dar nėra tikslios sąmatos (ji pasirodys per metus, baigus CDR), tačiau akivaizdu, kad tai kainuoja apie 10 milijardų eurų. Išlaidos bus visų pirma CERN ir per ją dalyvaujančios šalys. Valstybės stebėtojai, ypač JAV ir Rusija, taip pat prisidės prie medžiagų ir įrangos. Kalbant apie finansavimą, FCC yra įdomu apie šį akimirką. Daugiau nei 70% dabartinio CERN biudžeto (apie 1 milijardas eurų per metus) yra LHC veiklos sąnaudos. Akivaizdu, kad šios išlaidos niekur nebus. Todėl ji galės pradėti kurti CERN FCC, užimdama didelę Europos bankų paskolą apie 30-40 metų laikotarpį. Tai nėra pirmas kartas, kai atsirado toks poreikis, čia nėra jokių reikšmingų problemų, tačiau planavimo mastas yra įspūdingas.

Galiausiai neįmanoma išspręsti tokio krašto klausimo. Jei iki sprendimo priėmimo 2026 m. Pasirodys, kad LHC neatrado jokios naujos fizikos, ar kitas milžiniškas projektas, kaip FCC, nebus nereikalinga pinigų švaistymas? Niekas teigia, kad reikalingas fundamentalus mokslas ir, ypač, elementariųjų dalelių fizika.Bet galbūt daugiausia dėmesio skiriant mažesniems eksperimentams? Pavyzdžiui, tose pačiose B gamyklose, kruopščiai tiriantys B-mezolų skilimus, iš tikrųjų jose yra randama stipriausių nukrypimų nuo SM prognozių. Arba net kurkite kitus, be dalelerio metodus, skirtus dalelių fizikai. Galų gale toje pačioje CERN yra iniciatyva "Physics Beyond Colliders". Arba galbūt palaukti iki HL-LHC darbo pabaigos, pažvelgti į jos pasiekimus ir 2040 m. Nuspręsti, kur eiti toliau?

Atsakymas, kurį teikia CERN ir kurį dalijasi didelė fizikų dalis: ne, ne geriau. Yra dvi priežastys: mokslinė ir inžinerinė. Netolimoje ateityje nebus galima pastebėti jokios alternatyvos, galinčios paskatinti mūsų supratimą apie "microworld" tiek, kiek plataus užmojo 100 TEV kolaideris. Net jei "B" fabrikus įrodytų visiškai įsitikinęs, kad taip, nukrypimai nuo krūvio yra besąlyginė nuoroda į "Naująją fiziką", mes negalėsime nuraminti, kol mes to nedelsdami atidarysime! Jei po ilgo ieškojimo metalo detektoriumi radote lobį, kuris yra palaidotas žemėje, tada jūs negalėsite manyti, kad tai daroma, kol nepasiekėte jo. Taigi būtent čia: žingsniai nuo tiesioginio gamtos paslapčių atskleidimo fizikai neapsiriboja.

Antroji priežastis yra būtinybė nuolat perduoti technines žinias ir įgūdžius. Ši grandinė bus nutraukta per 20-30 metų trukusį pasaulinį bendradarbiavimą vykdančio projekto atsisakymą. Jei naujos kartos greitintuvo fizikų nėra mokoma nustatyti ir pasiekti pasaulinius inžinerijos tikslus, šiuos įgūdžius bus labai sunku atkurti savarankiškai. Pavyzdžiui, jau dabar, FCC projekto pagrindu, pradedamas mokyklų, mokymų ir kitų renginių tinklas studentams ir magistrantams, kurie specializuojasi superlaidumo ir galingų magnetinių laukų srityse. Kol kas negalime išspręsti FCC uždavinių, nes mums reikia naujų žmonių, naujų idėjų ir naujovių. Tačiau po 20 metų, kai bus sukurta technologija, bus sukurtos ne tik naujos greitintuvų, bet ir daugybė kitų aukštųjų technologijų taikomųjų programų. Ir tai yra pusė, bet ne mažiau svarbi viešoji nauda iš ambicingų mokslinių projektų.

Šaltiniai:
1) 2018 m. FCC savaitės konferencija, 2018 m. Balandžio 9-13 d
2) M. Mangano. FCC ataskaita 2008 m. Balandžio 20 d. 5-osios Korėjos ateities kolektorių tyrimo grupės posėdyje
3) H. Abramovič. Europos dalelių fizikos strategijos atnaujinimas 2020 m. – ataskaita 2017 m. Gruodžio 14 d

Taip pat žiūrėkite:
Europos elementariosios dalelės fizikos strategijos link. Trumpa apžvalga, 2006 m. Versija.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: