Gyorsító A holnap világgépe - a tudomány spektruma
Gyorsító: A holnap világgépe
Amikor a részecskefizikusok 2012. július 5-én felébredtek, sokaknak valószínűleg egy speciális kérdés merült fel a fejükben: Egy nehéz bozon leletét egy nappal korábban jelentették be, valójában a Higgs részecskét jósolta meg a fizika standard modellje? Vagy talán valami még összetettebb és érdekesebb, ami szélesebb elméletet sugall? Az erre adott válaszok meghatározhatják a részecskefizika jövőjét.
Sok fizikus reméli - és elvárja -, hogy a genfi nagy hadronütköző (LHC) néhány választ adjon nekik a következő években. Ennek ellenére már finomítják értékesítési taktikájukat, hogy megszerezzék az LHC utódgépét: egy Higgs-gyár, amely a mai korhoz képest lényegesen pontosabb mérésekkel világíthat rá egy új elméletre.
"Tudjuk, hogy a standard modellen túl új fizikának kell lennie" - magyarázza Barry Barish, a pasadenai Kaliforniai Műszaki Intézet. Ez garantált, állítja néhány kolléga bizonyos jelenségeken keresztül, amelyek alig illeszkednek a jelenlegi standard modellbe, például a sötét anyag láthatatlan keretei, amelyek állítólag az univerzum teljes tömegsűrűségének egynegyedét teszik ki, vagy hogy a neutrínók könnyen át tudnak váltani egyik formáról a másikra tud. Barish vezeti az International Linear Collider (ILC) fejlesztésével foglalkozó globális konzorciumot: a következő világgép egyik jelöltje. Különböző tervezési értekezletek, például szeptember 10-től 12-ig Krakkóban vagy 2013 júniusáig az Egyesült Államokban, célja a részecskefizikusok következő néhány évre vonatkozó kutatási prioritásainak lekötése.
A tervek egy dolog, a valóság egy másik: Gazdasági válság idején hatalmas kihívást jelent egy új részecskegyorsító finanszírozása is - figyelmeztet Christopher Llewellyn-Smith az Oxfordi Egyetemről és a CERN korábbi igazgatója. "Attól függ, hogy mely más részecskéket detektálják az LHC-ben, hogy az új rendszert egyhangúlag támogatja-e az egész fizikus közösség, és mennyibe kerül végül. Még akkor is, ha az elméleti megfontolások ugyanolyan megalapozottak, mint az LHC-ben, és a költségeket fedezik nehéz munka - magyarázza.
Az LHC életben van
Az egyik központi kérdés az, hogy az LHC csapatai meddig mehetnek új részecskéjük tulajdonságainak mérésére. Mindenesetre az érintett fizikusok sokkal több adatra és készülékük határozott frissítésére számíthatnak a következő tíz évben. És máris jó híreket tudtak közölni: a Higgs-bozon tömege 125 gigaelektronvolt (GeV) körül van az elméleti szakemberek által becsült súlytartomány enyhe végén. Ennek két fontos következménye van, mert ez azt jelenti, hogy még egy viszonylag szerény új részecskegyorsító is képes Higgs részecskék tömegtermelésére. És az új részecskét a bomlási lehetőségek széles skálájával látja el, így a kutatók könnyebben összehasonlíthatják kölcsönhatásait a standard modell más komponenseivel.
Például a tudósok elsősorban azt akarják kipróbálni, hogy a Higgs miként lép kölcsönhatásba a standard modell fermionjaival, azaz 0,5-es spin-kvantumszámú elektronokkal, müonokkal és kvarkokkal. Az egyes részecskékkel való kölcsönhatás valószínűségének arányosnak kell lennie a tömegével - már csak azért sem, mert a standard modell szerint éppen ez a Higgs részecskével való kölcsönhatás hozza létre a tényleges tömeget. A második prioritás annak tesztelése, hogy az új részecske saját spinje megfelel-e a standard modell 0 értékének. Az LHC fizikusai már elmondhatják, hogy az új részecske egy bozon, amelynek spinjének 0, 1, 2 vagy valamilyen más egész számnak kell lennie. Már kizárhatod az 1-es centrifugálást, mivel a bozonok fotonpárokra bomlanak, amelyek szintén egyenként bozonok, és így 1 részecskét forognak. Egyetlen fizikus sem állt még elő olyan őrült elméletekkel, amelyek 2-nél nagyobb spinű bozonokat tartalmaznának - mondja Albert de Roeck a CERN-től, aki az LHC Compact Muon mágnesszelep-detektorát koordinálja. Ezért a kutatók most megpróbálták meghatározni, hogy spin 2 vagy spin 0 bozonról van-e szó, az előrejelzések szerint.
Az LHC tisztázza ezt a kérdést - hangsúlyozza Rolf Heuer, a CERN főigazgatója. Az azonban még mindig nem világos, hogy a gépe milyen messzire képes megszakítani a bozon és más részecskék közötti kapcsolatokat - főleg mi adja a Higgs saját tömegét. Eddig az érintett fizikusok csak azt tudták bizonyítani, hogy a Higgs-bozon és más részecskék kölcsönhatásai ésszerű mértékben összhangban vannak a standard modell jóslataival a jelenlegi 30–40 százalékos mérési bizonytalanságon belül. De Roeck szerint a gázpedálnak ezt az értéket 2012 végéig körülbelül 20 százalékra kell csökkentenie; az elkövetkező 10-15 évben még "nagyon kevés százalék" is lehetséges.
De éppen ezért szorgalmazza sok fizikus egy új részecskegyorsítót. A standard modell valóban kötelező erejű tesztje - amely a legkisebb eltéréseket is feltárja, és ezáltal megmutatja az utat egy még jobb elméleti struktúra felé - megköveteli a Higgs-kölcsönhatások mérési pontosságát, legfeljebb egy százalékos eltéréssel. Akár 0,1 százalékos érték is optimális lenne, ha az elméleti előrejelzések is javulnának a következő néhány évben. És ez az a szint, amelyet az LHC alig tud elérni.
A durva tömb a gépek között
Mivel a gép úgy működik, mint egy szánkó: a protonok százmilliárdjainak áramai ütköznek benne olyan energia szinten, amely nyalábonként eléri a hét teraelektronvoltot (TeV). Ez megkönnyíti az új nehéz részecskék felfedezését, de megnehezíti a pontos méréseket, mivel a protonok kvarkok és gluonok kaotikus hullámából állnak, amelyek kaotikussá teszik az ütközéseket.
Ehelyett a fizikusok egyfajta leptongyorsítót követelnek alkalmazásaikban, mert a leptonok - olyan fényrészecskék csoportja, mint az elektronok, a müonok vagy a neutrínók - elkerülik a káoszt, mert nem vesznek részt az erős kvark-gluon kölcsönhatásokban, amelyek viszont hozzájuk vezetnek Készítsen rendetlenséget. A leptonok olyan elemi részecskék, amelyek csak viszonylag kicsi hatással vannak egymásra elektromágneses és gyenge erők révén. Ezért a leptongyorsítók jobban működnek, mint a szikék, és nem úgy, mint a kalapácsok: Ütközéseik finoman beállíthatók az adott részecske tömegéhez, és a keletkező részecskehő viszonylag tiszta és könnyen értelmezhető lenne.
A költségek megtakarítása érdekében egyes fizikusok azt javasolják, hogy egyszerűen tegyék az új gyorsító csöveit az LHC csövei mellé, és ezzel ellentétes elektron- és positronnyalábok ütközését okozzák. Ez a javaslat - LEP3 néven ismert (annak a nagy elektron-pozitron ütközőnek a tiszteletére, amely Genf alatt alagutat vezetett az LHC elé) - csak tavaly jelent meg, amikor az új részecske első bizonyítékai kezdtek felhalmozódni. A LEP3 Higgs-bozonokat képes előállítani csak 120 GeV/sugárral - a teljes energia 240 GeV: Az eredeti 209 GeV LEP maximális értékhez képest csak egy kis fogat kell fokoznia. Az újabb technikai fejlesztések még tovább növelhetik a gyártási arányt, mivel 500-szor nagyobb ütközési arányt tesznek lehetővé, mint az eredeti LEP.
"Most talán itt az ideje, hogy Európa visszatérjen a szívességhez"
(Lyn Evans)
Ha a meglévő LHC alagútba építenék az LEP3-at, a kutatók nemcsak az érzékelők egy részét újrahasznosíthatnák, hanem a CERN infrastruktúráját is használhatják, például az áramellátást vagy az adatfeldolgozást. Ezek a szinergiák az LEP3 becsült költségeit 1-2 milliárd dollárra csökkentenék - jóval kevesebbet, mint az LHC végső költsége. "Van valami meggyőző a javaslatban" - hangsúlyozza Alain Blondel, a LEP3 híve a genfi egyetemről. Rámutat, hogy amúgy is van elég hely a leptongyorsítóhoz anélkül, hogy ki kellene venni az LHC-t: Eredetileg az alagutat úgy tervezték, hogy mindkét gyorsítót egyszerre helyezzék el.
Muonok vagy elektronok
A rendkívül produktív Higgs-gyár minden előnye ellenére az LEP3-nak egy fő hátránya is van: nem tudja megvizsgálni a Higgs-részecskénél nehezebb részecskéket. És ez problémává válna, ha az LHC felfedez más nehéz részecskéket, amelyeket az elméleti szakemberek a szuperszimmetria alapján jósolnak, vagy ha a gyorsító még feltételezhetően más dimenziókra is utal. Gyakorlatilag lehetetlen olyan magasra emelni az LEP3 energiaszintjét, hogy az lehetővé tegye a nehezebb részecskék tanulmányozását is, mivel ez a szinkrotron sugárzás elvesztését eredményezné: azok az elektromágneses hullámok, amelyeket az elektronok vagy a pozitronok "kibocsátanak", amikor mágneses mezőn versenyeznek. elzavarodni.
Ez nem jelent problémát az LHC protonjai számára, mivel a szinkrotron sugárzás miatti energiaveszteség drasztikusan csökken a nagyobb tömegű részecskéknél, és a protonok kétszázszor olyan nehézek, mint az elektronok; a LEP3-mal ez komoly lenne. A gázpedál energiaszintje csak akkor növelhető, ha a sugara nagyobb lesz - ami nem lenne lehetséges újabb alagút nélkül. Néhány fizikus ezért már javasolta egy új cső fúrását a Genfi-tó alá annak érdekében, hogy 80-kilométeres sugarú elektron-pozitron gépet telepítsen. Belátható időn belül azonban nem lát erre esélyt - mondja Heuer.
Világszerte sok tudós vitatja ezért a Higgs-gyár alternatív koncepcióit, amelyek 1,5 kilométeres kerületük lényegesen kisebb lenne, mint az LEP3. Itt ütköznek össze a müonáramok, amelyek 207-szerese az elektron tömegének, jelentős szinkrotron sugárzási veszteség nélkül. Több tízezer Higgs-bozon keletkezhet, bár a teljes ütközési energia csak 125 GeV és nem 240 GeV, mint az LEP3-ban. Ezenkívül a technikusok olyan magasra fordíthatják az energiamennyiséget, hogy még nehezebb részecskék is megvizsgálhatók.
A müongyorsítónak azonban megvannak a maga problémái. A müonok mindössze 2,2 mikroszekundum után bomlanak elektronokká és neutronokká - ami elvileg hosszú élettartamot jelent a szubatomi területen, egymilliárdos nanoszekundumos tartományával, gyakorlatilag azonnal a mérnökök számára. A müonokat úgy kellene előállítani, hogy egy protonnyalábot fémes célzattá kergetnek, majd az eredményt szabályozott nyalává alakítják, majd felgyorsítják a szükséges energiává. Mindennek pedig egy szempillantásnál rövidebb időn belül kell megtörténnie. Az oxford melletti Rutherford Appleton laboratóriumban a Muon-ionizációs hűtési kísérlet (MICE) ezzel a kihívással küzd. Az eredményeknek 2016-ig rendelkezésre kell állniuk, és a folyamatnak érettnek kell lennie, hogy a CERN felhasználhassa a neutrino termelés megkezdéséhez, a müon neutrínók sugarainak a földön keresztül történő elküldéséhez az ezer kilométerre lévő detektorokhoz.
A lineáris gyorsító
Ennek ellenére sok fizikus szkeptikus. "Kétlem, hogy látni fogok egy müongyorsítót az életemben" - mondja Brian Foster, az Oxfordi Egyetem munkatársa. "Több mint tíz éve próbálkozunk a müonok" lehűlésével ", ami rendkívül nehéz." Foster egy lineáris LEP-gyorsító versengő projektjének európai regionális igazgatója: egy hosszú, egyenes elektrongyorsító, amely közvetlenül egy ugyanolyan hosszú és egyenes pozitron-gyorsító csövére lő, úgy hogy sugara pontosan középen találkozik. Mivel nincsenek görbék, nincsenek szinkrotron sugárzási veszteségek sem. Azok is frissíthetők, ahányszor csak akarják, egyszerűen kiterjesztve a végpontjaikat.
Ez az ötlet először az 1980-as években jelent meg, ami végül két koncepciót eredményezett. Az ILC 30 kilométer hosszú lenne, és a gyakorlatban kipróbált és kipróbált technológiákat használna 0,5 TeV energia eléréséhez - azzal a lehetőséggel, hogy 2 TeV-ra növelje. Költség: körülbelül 6,7 milliárd dollár. A CERN által támogatott Compact Linear Collider (CLIC) viszont 50 kilométert tett meg, de új gyorsító technológiákra támaszkodna, amelyek 3 TeV teljes energiát adnának neki. Költségei még mindig teljesen tisztázatlanok, de legalább energiaszintje teljesen új lehetőségeket nyit meg a felfedezésre és a pontosabb mérésekre. Az erő egyesítése érdekében az ILC és a CLIC részecskefizikusai Lyn Evans volt LHC-igazgató vezetésével azon dolgoznak, hogy 2015-ig kidolgozzák az egyetlen lineáris gyorsítóra vonatkozó javaslatot.
Van értelme egy lineáris gyorsítóval kezdeni, amely eléri a 250 GeV-ot, hogy tesztelje a Higgs-bozont; akkor az energiát fokozatosan 500 GeV értékig növelik, gondolja Evans. Ezután előállíthat Higgs-bozonpárokat, amelyeket a kutatók megvizsgálhatnak egymással kötődési tulajdonságaik és kölcsönhatásaik szempontjából a legnehezebb anyagrészecskével - a felső kvarkkal. A magasabb energiaszint műszakilag megvalósítható, de több villamos energiát emészt fel, például egy közepes méretű erőmű termelési kapacitását. "Egy ilyen rendszer felső határa valószínűleg a maximális energiaellátás tartományában van a CERN-ben. Ez jelenleg 300 megawatt" - mondta Evans.
De hol kell elhelyezni ezt a leptongyorsítót? Az ökölszabály az, hogy a fogadó ország fizeti a költségek felét - a hosszú távú gazdasági nyereségre számítva. A gazdasági környezet azonban jelenleg megnehezíti ezt az érvelést, ami különösen igaz azokra a projektekre, amelyekről a politikusok úgy vélik, hogy rövid távú előnyöket nem ígérnek szavazóiknak.
A gyorsító globalizációja
Ha a következő években valóban új lineáris gyorsítóról döntenek, valószínűleg nem Genfben fogják megépíteni - gondolja Evans. A mindent elsöprő technikai és politikai infrastruktúra ellenére a CERN-nek elég hosszú ideje van köze az LHC-hez, amely szintén legkorábban 2014-ben éri el maximális 7 TeV energiáját. Kreatív fényességének csúcsát 2022-re sem tervezik.
Pier Oddone, a Fermilab igazgatója azt gyanítja, hogy az USA is valószínűtlen lesz: "El kellene kezdeni egy drasztikus újragondolást". Miután a Fermilab Tevatron gyorsítóját bezárták, a nagy energiájú részecskefizika középpontba helyezte Európát. Az amerikai kutatók viszont az intenzitás területére koncentrálnak, és azt vizsgálják, hogy a ritka részecskék hogyan hatnak egymással, például intenzív neutrino áramok előállításával. És mégis, mondja Oddone, "a költségvetésünket ebben az évben jelentősen csökkentették, és azért küzdöttünk, hogy megfelelően működtessünk egy olyan létesítményt, amely csak az ILC tizedébe kerül". Ezenkívül az Egyesült Államok számára "nagyon nehéz" lenne jelentősen hozzájárulni ahhoz, hogy a leptongyorsító jelenleg másutt épüljön.
"Valószínűleg az elnök és a miniszterelnök közötti telefonbeszélgetés dönt erről"
(Pier Oddone)
Sok megfigyelő ezért úgy gondolja, hogy Japán lesz a legígéretesebb jelölt a jövő gépeinek elhelyezésére. Például az ország jelentős mértékben hozzájárult az LHC-hez az 1990-es évek közepén, amikor pénzügyi nehézségekbe ütközött. "Most talán itt az ideje, hogy Európa visszatérjen a szívességbe" - mondta Evans. A japán miniszterelnök szintén pozitívan nyilatkozott az ILC-ről tavaly decemberben, nem sokkal az új bozonnal kapcsolatos előzetes eredmények közzététele után. Finom utalások vannak a kiegészítő finanszírozásra, mivel az új gyorsítót egy nagyobb gazdasági terv részeként tárgyalják: Célja, hogy a földrengés és a cunami által pusztított régió gazdaságilag talpra álljon.
A gép egy "nemzetközi város" támaszpontjaként szolgál, amely magában foglal más kutatási létesítményeket, ipari területeket és oktatási központokat. Végül az ILC továbbra is a japán részecskefizikusok kívánságlistáján maradt, amikor nemrégiben elkészítették legújabb ötéves tervüket.
Tehát az ILC-t biztonságos fogadásnak lehet-e nevezni? - Jóisten, nem - kiáltja Foster. - De ez a legnagyobb esélyünk, amire hosszú ideje volt lehetőségünk. Womersley becslése szerint a gép építésének valószínűsége 50/50. "Nem szabad természetesnek tekintenünk a finanszírozást csak azért, mert megtalálták a Higgeket." Oddone becslése szerint tíz évbe telik az úttörőtől a teljesen működőképes ILC-ig; ezen kívül lenne a felkészülési idő. "Tehát leghamarabb a 2025-ös évről beszélünk. De ki indít ilyen projektet, még mielőtt kiderülne, mit fedezhet fel az LHC? Talán még mindig vannak olyan dolgok, amelyek sokkal egzotikusabbak, mint a Higgs-bozon."
Összességében sok részecskefizikus egy olyan általános konstellációról álmodozik, amely mindhárom területet magában foglalja: Az LHC Európában kutatja a nagy energiájú frontot, az Egyesült Államokban különböző neutrínókísérletek elérik az intenzitás határát, Japánban pedig egy új leptongyorsító szögezi le más egzotikus új részecskék minden részletét, amelyek Az LHC még nem észlelte. Oddone úgy véli, hogy ez az álom valóra válik-e, nem csak a tudósokon múlik: "Valószínűleg az elnök és a miniszterelnök közötti telefonbeszélgetés dönt."
Az eredeti szöveg "Az új részecsketáj" címmel jelent meg a Nature 488-ban, 572-575.