Znajdź zawartość

CERN opublikował wstępny raport projektowy (Conceptual Design Report), w którym zarysowano plany nowego akceleratora zderzeniowego. Future Circular Collider (FCC) miałby być niemal 4-krotnie dłuższy niż Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) i sześciokrotnie bardziej potężny. Urządzenie, w zależności od jego konfiguracji, miałoby kosztować od 9 do 21 miliardów euro. Publikacja raportu odbyła się w ramach programu European Strategy Update for Particle Pysics. Przez dwa kolejne lata specjaliści będą zastanawiali się nad priorytetami w fizyce cząstek, a podjęte decyzje wpłyną na to, co w tej dziedzinie będzie się działo w Europie w drugiej połowie bieżącego stulecia. To olbrzymi krok, tak jakbyśmy planowali załogową misję nie na Marsa, a na Uran, mówi Gian Francesco Giudice, który stoi na czele wydziału fizyki teoretycznej CERN i jest przedstawicielem tej organizacji w Physics Preparatory Group. Od czasu odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku LHC nie odkrył żadnej nowej cząstki. To pokazuje, że potrzebne jest urządzenie, które będzie pracowało z większymi energiami. Halina Abramowicz, fizyk z Tel Aviv University, która kieruje europejskim procesem opracowywania strategii rozwoju fizyki cząstek, nazwała propozycję CERN „bardzo ekscytującą”. Dodała, że projekt FCC będzie szczegółowo rozważany razem z innymi propozycjami. Następnie Rada CERN podejmie ostateczną decyzję, czy należy sfinansować FCC. Jednak nie wszyscy uważają, że nowy zderzacz jest potrzebny. Nie ma żadnych podstaw, by sądzić, że przy energiach, jakie mógłby osiągnąć ten zderzacz, można będzie dokonać jakichś znaczących odkryć. Wszyscy to wiedzą, ale nich nie chce o tym mówić, stwierdza Sabine Hossenfelder, fizyk teoretyk z Frankfurckiego Instytutu Zaawansowanych Badań. Jej zdaniem pieniądze, które miałyby zostać wydane w FCC można z większym pożytkiem wydać na inne urządzenia, na przykład na umieszczenie na niewidocznej stronie Księżyca dużego radioteleskopu czy też zbudowanie na orbicie wykrywacza fal grawitacyjnych. Takie inwestycje z większym prawdopodobieństwem przyniosą znaczące odkrycia naukowe. Jednak Michael Benedikt, fizyk, który stał na czele grupy opracowującej raport nt. FCC mówi, że warto wybudować nowy zderzacz niezależnie od spodziewanych korzyści naukowych, gdyż tego typu wielkie projekty łączą instytucje naukowe ponad granicami. Hossenfelder zauważa, że podobnie łączą je inne duże projekty naukowe. Prace nad FCC rozpoczęły się w 2014 roku i zaangażowało się w nie ponad 1300 osób i instytucji. Rozważanych jest kilka konfiguracji, a większość z nich zakłada, że FCC powstanie obok LCH, a jego tunele będą miało 100 kilometrów długości. Sama budowa tunelu i powiązanej z nim infrastruktury naziemnej pochłoną około 5 miliardów euro. Kolejne 4 miliardy będzie kosztował akcelerator, w którym będą zderzanie elektrony z pozytonami. urządzenie miałoby pracować z energię do 365 gigaelektronowoltów. To mniejsza energia niż w LHC, jednak zderzenia lżejszych cząstek, jak elektron z pozytonem, dają znacznie bardziej szczegółowe dane niż zderzanie protonów, jakie zachodzi w LHC, zatem w FCC można by bardziej szczegółowo zbadać np. bozon Higgsa. FCC miałby zostać uruchomiony około roku 2040. Warto tutaj na chwilę się zatrzymać i przypomnieć opisywany przez nas projekt International Linear Collider. Przed ponad pięciu laty świat obiegła wiadomość o złożeniu szczegółowego raportu technicznego 31-kilometrowego liniowego zderzacza elektronów i pozytonów. Raport taki oznaczał, że można rozpocząć budowę ILC. Urządzenie to, dzięki swojej odmiennej od LHC architekturze, ma pracować – podobnie jak FCC – z elektronami i pozytonami i ma dostarczać bardziej szczegółowych danych niż LHC. W projekcie ILC biorą udział rządy wielu krajów, a najbardziej zainteresowana jego budową była Japonia, skłonna wyłożyć nawet 50% jego kosztów. Jednak budowa ILC dotychczas nie ruszyła. Brak kolejnych odkryć w LHC spowodował, że szanse na budowę ILC znacznie zmalały. Rząd Japonii ma 7 marca zdecydować, czy chce u siebie ILC. Inny scenariusz budowy FCC zakłada wydatkowanie 15 miliardów euro i wybudowanie w 100-kilometrowym tunelu zderzacza hadronów (kolizje proton–proton) pracującego z energią dochodzącą do 100 TeV, czyli wielokrotnie wyższą niż 16 TeV uzyskiwane w LHC. Jednak bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest zbudowanie najpierw zderzacza elektronów i pozytonów, a pod koniec lat 50. bieżżcego wieku rozbudowanie go do zderzacza hadronów. Scenariusz taki jest bardziej prawdopodobny z tego względu, że skonstruowanie 100-teraelektronowoltowego zderzacza hadronów wymaga znacznie więcej badań. Gdybyśmy dysponowali 100-kilometrowym tunelem, to już moglibyśmy rozpocząć budowę zderzacza elektronów i pozytonów, gdyż dysponujemy odpowiednią technologią. Stworzenie magnesów dla 100-teraelektronowego zderzacza wymaga jeszcze wielu prac badawczo-rozwojowych, mówi Guidice. Trzeba w tym miejscu wspomnieć, że podobny projekt prowadzą też Chiny. Państwo Środka również chce zbudować wielki zderzacz. O ile jednak w FCC miałyby zostać wykorzystane magnesy ze stopu Nb3Tn, to Chińczycy pracują nad bardziej zaawansowanymi, ale mniej sprawdzonymi, nadprzewodnikami bazującymi na żelazie. Ich zaletą jest fakt, że mogą pracować w wyższych temperaturach. Jeśli pracowałyby przy 20 kelwinach, to można osiągnąć olbrzymie oszczędności, mówi Wang Yifang, dyrektor chińskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii. Także i Chińczycy uważają, że najpierw powinien powstać zderzacz elektronów i pozytonów, a następnie należy go rozbudować do zderzacza hadronów. Jako, że oba urządzenia miałyby bardzo podobne możliwości, powstaje pytanie, czy na świecie są potrzebne dwa takie same wielkie zderzacze. « powrót do artykułu

Fizycy na całym świecie mają powody do radości. Komitet naukowy amerykańskich Narodowych Akademii Nauki, Inżynierii i Medycyny pozytywnie zaopiniował propozycje celów naukowych, które miałyby zostać osiągnięte dzięki budowie Electron-Ion Collider (EIC). Akcelerator, którego budowa ma pochłonąć miliard dolarów, pozwoli na badanie wnętrz protonów i neutronów. Opinia wydana przez Akademie Narodowe to ważny dokument, który pozwoli urzędnikom z Departamentu Energii uzasadnić wydatkowanie takiej kwoty na instrument naukowy. EIC ma powstać w jednym z konkurujących o niego laboratoriów narodowych. Może minąć jeszcze wiele lat, zanim budowa akceleratora dostanie zielone światło. W EIC ma dochodzić do zderzeń protonów z elektronami. Badanie wyników zderzeń pozwoli na poznanie struktury wewnętrznej protonu, ma dać odpowiedź na pytanie, skąd bierze się spin protonu oraz wyjaśnić właściwości gluonów. Obecnie bardzo słabo rozumiemy wewnętrzną strukturę protonów. Wiemy, że proton składa się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi. Jednak jako, że wkraczamy tutaj na pole fizyki kwantowej, pozostaje wiele niepewności. Wewnątrz protonu pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, ważny udział odgrywają też gluony, łączące wszystko w całość. Jednak pozostaje jeszcze do wyjaśnienia wiele tajemnic. Na przykład trzy kwarki tworzące proton stanowią mniej niż 5% jego masy. Reszta masy pojawia się w jakiś sposób z energii wirtualnych kwarków i gluonów. Nie wiemy też, skąd się bierze spin protonu. Nie jest on prostą sumą spinów trzech kwarków. Znaczenie mają też gluony oraz orbitujące wokół siebie kwarki. Niewiele wiemy też o gluonach. Zgodnie z niektórymi teoriami, łączą się one w pojedynczą falę kwantową. EIC znacznie bardziej nadaje się do tego typu badań, niż Wielki Zderzacz Hadronów, w którym protony zderzane są z protonami. W EIC wykorzystywane będą znacznie mniejsze od protonów elektrony, co da łatwiejsze do interpretacji wyniki. Gordon Baym, fizyk z University of Illinois i współprzewodniczący komitetu, który rozpatrywał projekt EIC, mówi, że akcelerator pozwoli na utrzymanie odpowiedniego poziomu naukowego amerykańskiej fizyce cząstek. To jedyny akcelerator zderzeniowy, jaki jest rozważany w USA w kontekście kolejnych 50 lat. Obecnie na świecie pracuje jedynie kilka akceleratorów zderzeniowych. Elektrony z pozytonami są zderzane w VEPP-5 (Nowosybirsk, Rosja), SuperKEKB (Tsukuba, Japonia), Dafne (Frascati, Włochy), BEPC II (Pekin, Chiny), natomiast jedyne zderzacze hadronów to RHIC (Nowy Jork, USA) i LHC (Francja/Szwajcaria). Naukowcy z laboratoriów, które konkurują o zbudowanie u siebie EIC mają różne pomysły na projekt akceleratora. Fizycy z Brookhaven National Laboratory, gdzie pracuje RHIC, proponują dodanie doń akceleratora elektronów i zmienienie Relativistic Heavy Ion Collider w EIC. Obecnie  RHIC zderza ze sobą ciężkie jądra atomów (np. złota), a w wyniku kolizji powstaje plazma kwarkowo-gluonowa, stan materii, który istniał bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Z kolei w Thomas Jefferson National Accelerator Facility pracuje rozbudowany niedawno Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), który bombarduje elektronami cele stacjonarne i bada protony, neutrony oraz jądra atomowe. Fizycy z Jeffersona chcieliby dodać do swojego urządzenia akcelerator jonów i zaminić je w EIC. Jako, że Jefferson Lab jest mniejszym laboratorium, znacznie bardziej wyspecjalizowanym w fizyce atomowej niż Brookhaven, jego długoterminowe przetrwanie może zależeć od tego, czy EIC powstanie właśnie tam. Donald Geesaman, fizyk z Argonne National Laboratory i były przewodniczący Nuclear Science Advisory Committee przy Departamencie Energii (DOE) zauważa, że biuro fizyki atomowej DOE, które w bieżącym roku podatkowym dysponuje budżetem w wysokości 684 milionów dolarów, utrzymuje za te pieniądze nie tylko RHIC i CEBAF, ale buduje też kosztem 730 milionów dolarów Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) na Michigan State University. Koniec budowy przewidziano na 2020 rok, a we FRIB mają powstawać jądra egzotycznych pierwiastków. Dlatego też, zdaniem Geesamana, nie należy spodziewać się szybkiego rozpoczęcia prac nad EIC. Dodatkowy czas przyda się też fizykom z Brookhaven i Jefferson. Na razie nie tyle konkurują oni ze sobą, co współpracują na polu badawczo-rozwojowym nad EIC. Żadne z laboratoriów nie jest bowiem gotowe, by już w tej chwili gościć nowy akcelerator. W latach 1992-2007 w Niemczech pracował akcelerator HERA. On również zderzał elektrony i protony. EIC będzie pracował z mniejszymi energiami niż HERA, ale by osiągnąć stawiane przed nim cele będzie musiał doprowadzać do zderzeń 100-1000 razy częściej niż HERA. To poważne wyzwanie technologiczne, stąd współpraca laboratoriów, które starają się o EIC. Dyrektorzy obu laboratoriów chwalą sobie tę współpracę. Jeśli jednak wszystko pójdzie po ich myśli, za jakiś czas ze współpracowników zamienią się w rywali. « powrót do artykułu