stringtranslate.com

Международный линейный коллайдер

Обзорное изображение планируемого МЛЦ на основе проекта ускорителя из отчета о техническом проекте.

Международный линейный коллайдер ( ILC ) – это предлагаемый линейный ускоритель частиц . [1] Первоначально планируется иметь энергию столкновения 500  ГэВ с возможностью последующего повышения до 1000 ГэВ (1 ТэВ). Хотя ранними предложенными местами для размещения МЛЦ были Япония, Европа ( ЦЕРН ) и США ( Лаборатория Ферми ), [2] высокогорье Китаками в префектуре Иватэ на севере Японии было в центре внимания усилий по проектированию МЛЦ с 2013 года. [3] Японцы По словам координатора исследования детекторов в ILC, правительство готово оплатить половину расходов. [4]

ILC будет сталкивать электроны с позитронами . Его длина будет от 30 до 50 км (19–31 миль), что более чем в 10 раз длиннее Стэнфордского линейного ускорителя на 50 ГэВ , самого длинного из существующих линейных ускорителей частиц. Предложение основано на предыдущих аналогичных предложениях из Европы, США и Японии.

При поэтапном подходе ILC может первоначально быть построен на 250 ГэВ и использоваться в качестве фабрики Хиггса . [5] Длина такой конструкции составит около 20 км.

Также ведутся исследования альтернативного проекта — Компактного линейного коллайдера (CLIC), который будет работать при более высоких энергиях (до 3 ТэВ) в машине длиной, аналогичной ILC. Эти два проекта, CLIC и ILC, были объединены в рамках сотрудничества Linear Collider Collaboration . [6]

Предыстория: линейные ускорители и синхротроны.

Существует две основные формы ускорителей. Линейные ускорители («линеки») ускоряют элементарные частицы по прямолинейному пути. Круговые ускорители («синхротроны»), такие как Тэватрон , LEP и Большой адронный коллайдер (LHC), используют круговые траектории. Круговая геометрия имеет значительные преимущества при энергиях до десятков ГэВ включительно : благодаря круговой конструкции частицы можно эффективно ускорять на больших расстояниях. Кроме того, на самом деле сталкивается только часть частиц, попавших на курс столкновения. В линейном ускорителе остальные частицы теряются; в кольцевом ускорителе они продолжают циркулировать и доступны для будущих столкновений. Недостаток кольцевых ускорителей состоит в том, что заряженные частицы, движущиеся по искривленным траекториям, обязательно будут излучать электромагнитное излучение, известное как синхротронное излучение . Потери энергии из-за синхротронного излучения обратно пропорциональны четвертой степени массы рассматриваемых частиц. Именно поэтому имеет смысл строить круговые ускорители для тяжелых частиц — адронные коллайдеры, такие как БАК для протонов или, альтернативно, для ядер свинца . Электронно-позитронный коллайдер того же размера никогда не сможет достичь таких же энергий столкновения. Фактически, энергия на LEP, которая раньше занимала туннель, теперь отданный БАКу, была ограничена до 209 ГэВ из-за потерь энергии из-за синхротронного излучения.

Несмотря на то, что номинальная энергия столкновения на LHC будет выше, чем энергия столкновения ILC (14 000  ГэВ для LHC [7] против ~500 ГэВ для ILC), измерения на ILC можно было бы проводить более точно. Столкновения между электронами и позитронами гораздо проще анализировать , чем столкновения, в которых энергия распределяется между составляющими кварками , антикварками и глюонами барионных частиц. Таким образом, одной из задач ILC будет проведение прецизионных измерений свойств частиц, обнаруженных на БАК.

ILC физика и детекторы

Ожидается, что в ходе экспериментов на предлагаемом ILC будут обнаружены физические эффекты, выходящие за рамки описанных в текущей Стандартной модели . [8] Кроме того, ожидается, что будут обнаружены и измерены частицы и взаимодействия, описываемые Стандартной моделью. В МЛЦ физики надеются получить возможность:

Для достижения этих целей необходимы детекторы частиц нового поколения.

Объединение региональных предложений в глобальный проект

В августе 2004 года Международная группа технологических рекомендаций (ITRP) рекомендовала [9] сверхпроводящую радиочастотную технологию для ускорителя. После этого решения три существующих проекта линейных коллайдеров — Следующий линейный коллайдер (NLC), Глобальный линейный коллайдер (GLC) и сверхпроводящий линейный ускоритель тераэлектронвольтовой энергии (TESLA) — объединили свои усилия в один проект (ILC). В марте 2005 года Международный комитет по ускорителям будущего (ICFA) объявил профессора Барри Бариша , директора лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте с 1997 по 2005 год, директором Глобальных усилий по проектированию (GDE). В августе 2007 года был опубликован отчет об эталонном проекте ILC. [10] Физики , работающие над GDE, завершили подробный отчет о конструкции ILC и опубликовали его в июне 2013 года. [6]

Дизайн

Источник электронов для ILC будет использовать импульсы лазерного света длительностью 2 наносекунды для выбрасывания электронов из фотокатода . Этот метод позволяет поляризовать до 80% электронов; затем электроны будут ускорены до 5 ГэВ на 370-метровой ступени линейного ускорителя. Синхротронное излучение электронов высокой энергии будет создавать электрон-позитронные пары на мишени из титанового сплава с поляризацией до 60%; Позитроны от этих столкновений будут собраны и ускорены до 5 ГэВ в отдельном линейном ускорителе.

Чтобы сжать сгустки электронов и позитронов с энергией 5 ГэВ до достаточно малого размера для полезного столкновения, они будут циркулировать в течение 0,1–0,2 секунды в паре демпфирующих колец длиной 3,24 км, в которых их размер уменьшится до 6 мм. в длину, а также вертикальный и горизонтальный эмиттанс 2 пм и 0,6 нм соответственно.

Из демпфирующих колец сгустки частиц будут направляться в сверхпроводящие радиочастотные магистральные ускорители длиной 11 км каждый, где они будут ускоряться до 250 ГэВ. При такой энергии каждый луч будет иметь среднюю мощность около 5,3 мегаватт . В секунду будет производиться и ускоряться пять групповых поездов.

Чтобы поддерживать достаточную яркость для получения результатов в разумные сроки после ускорения, сгустки будут фокусироваться на несколько нанометров в высоту и несколько сотен нанометров в ширину. Затем сфокусированные сгустки столкнутся внутри одного из двух больших детекторов частиц .

Предлагаемые сайты

Первоначально три площадки для Международного линейного коллайдера были ведущими претендентами в авторитетных центрах физики высоких энергий в Европе. [12] В ЦЕРН в Женеве туннель расположен глубоко под землей, в непроницаемой скальной породе. Это место считалось благоприятным по ряду практических причин, но из-за БАКа оно оказалось нежелательным. В DESY в Гамбурге туннель находится близко к поверхности, в водонасыщенном грунте. Германия лидирует в Европе по научному финансированию и поэтому считалась надежной с точки зрения финансирования. В ОИЯИ в Дубне тоннель расположен близко к поверхности, в непроницаемом грунте. В Дубне имеется предускорительный комплекс, который можно было бы легко адаптировать для нужд МЛЦ. Но все три более или менее хорошо подходили для размещения линейного коллайдера, а у одного был широкий выбор места для выбора места в Европе.

За пределами Европы ряд стран выразили интерес. Япония получает большое количество финансирования для нейтринной деятельности, такой как эксперимент Т2К , что является фактором не в ее пользу, хотя в Японии уже построено 20 огромных пещер с туннелями доступа для гидроэлектростанций (например, ГЭС Каннагава ). После закрытия Тэватрона некоторые группы в США проявили интерес, при этом Фермилаб стал предпочтительным местом из-за уже имеющихся объектов и экспертов. Большая часть предполагаемого интереса со стороны других стран была слухами внутри научного сообщества, и очень немногие факты были опубликованы официально. Представленная выше информация представляет собой краткое изложение информации, содержащейся на Международном семинаре по линейным коллайдерам 2010 года (совместное заседание ECFA-CLIC-ILC) в ЦЕРН. [13]

Экономический кризис 2008 года заставил США и Великобританию сократить финансирование проекта коллайдера, [14] что привело к позиции Японии как наиболее вероятной принимающей стороны Международного линейного коллайдера. [15] 23 августа 2013 года комитет по оценке объекта японского сообщества физиков высоких энергий предложил расположить его в горах Китаками в префектурах Иватэ и Мияги . [16] По состоянию на 7 марта 2019 года правительство Японии заявило, что не готово поддержать строительство коллайдера из-за его высокой предполагаемой стоимости, составляющей около 7 миллиардов долларов. Это решение было частично проинформировано Научным советом Японии . Японское правительство запросило денежную поддержку у других стран для финансирования этого проекта. [17]

В 2022 году японский план создания МЛЦ был «отложен» комиссией Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) [18] . Было указано несколько причин, включая потенциально недостаточную международную поддержку и предложение ЦЕРН о Будущий круговой коллайдер , физические цели которого совпадают с целями ILC.

Если запуск ILC в Японии в 2022 году не будет одобрен, ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми предлагают построить ILC на территории Фермилаб. [19] Этот план предполагает поэтапный подход, начиная с фабрики Хиггса . Служба инженерной поддержки Fermilab разработала потенциальные планировки, в которых используется участок земли и сервитут ComEd, проходящий к северу и югу от участка. Предлагаемый проект считается «готовым к реализации».

Расходы

В отчете об эталонном проектировании стоимость строительства МЛЦ, исключая НИОКР, прототипирование, приобретение земли, затраты на подземные сервитуты, детекторы, непредвиденные расходы и инфляцию, оценивается в 6,75 миллиардов долларов США [20] (в ценах 2007 года). Ожидается, что с момента официального утверждения проекта завершение строительства ускорительного комплекса и детекторов займет семь лет. Принимающая страна должна будет заплатить 1,8 миллиарда долларов за расходы на конкретном объекте, такие как рытье туннелей и шахт, а также поставка воды и электричества.

Бывший министр энергетики США Стивен Чу оценил общую стоимость проекта в 25 миллиардов долларов США. Директор ILC Бариш заявил, что это, вероятно, завышенная оценка. Другие представители Министерства энергетики оценили общую сумму в 20 миллиардов долларов. [21] После завершения отчета о проектировании МЛЦ за 2013 год Бариш сообщил, что стоимость строительства МЛЦ была эквивалентна 7,78 миллиардам долларов США в 2012 году; это потребует «22,6 миллиона часов труда и затрат с учетом местоположения, включая подготовку места, научные детекторы и эксплуатацию объекта». [22]

Примечания

  1. ^ «Международный линейный коллайдер - ворота в квантовую вселенную». Сообщество МЛЦ. 18 октября 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2 марта 2009 г. Проверено 21 мая 2009 г.
  2. ^ Хэмиш Джонстон. «Где построить Международный линейный коллайдер?». Physicsworld.com . Проверено 2 августа 2012 г.
  3. ^ «ILC - Статус проекта» . www.linearcollider.org . Архивировано из оригинала 27 сентября 2016 г. Проверено 14 декабря 2016 г.
  4. ^ «Новый ускоритель частиц ILC будет завершен не раньше 2026 года, - говорит Франсуа Ришар (испанский)». 11 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 02 июля 2012 г. Проверено 2 августа 2012 г.
  5. ↑ Список, Дженни (28 января 2021 г.). «ILC: за пределами Хиггса». Курьер ЦЕРН . Проверено 26 апреля 2022 г.
  6. ^ ab "LCC - Сотрудничество в области линейного коллайдера" . www.linearcollider.org . Проверено 14 декабря 2016 г.
  7. ^ Поскольку фактические столкновения происходят между компонентами протонов — кварками , антикварками и глюонами — эффективная энергия столкновений будет ниже 14 000 ГэВ, но все же выше 500 ГэВ), типичное столкновение на БАКе будет иметь более высокую энергию, чем типичное столкновение ILC.
  8. ^ Г. Ааронс; и другие. (2007), Отчет об эталонном проектировании Международного линейного коллайдера, том 2: Физика в ILC (PDF) , arXiv : 0709.1893 , Bibcode : 2007arXiv0709.1893D
  9. ^ «Окончательный отчет Международной группы по технологическим рекомендациям» (PDF) . ICFA (Международный комитет по акселераторам будущего). 2004 . Проверено 19 ноября 2012 г.
  10. ^ «Отчет об эталонном проекте ILC» . Глобальные усилия ILC по проектированию и всемирное исследование. Август 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 18 декабря 2008 г. Проверено 21 мая 2009 г.
  11. ^ Отчет о техническом проектировании Международного линейного коллайдера за 2013 год. Международный линейный коллайдер. 2013 . Проверено 14 августа 2015 г.
  12. ↑ Вильгельм Беловонс, Джон Эндрю Осборн и Григорий Ширков (31 марта 2010 г.). «Исследование выбора места для европейских площадок МЛЦ» (PDF) . ILC-HiGrade-Report-2010-004-1.
  13. ^ «Международный семинар по линейным коллайдерам 2010». 22 октября 2010 г.
  14. ^ Хэнд, Эрик; Брамфил, Джефф (9 января 2008 г.). «Планы ускорения застопорились после сокращений в США и Великобритании». Природа . 451 (7175): 112–113. Бибкод : 2008Natur.451..112H. дои : 10.1038/451112а . ПМИД  18185548.
  15. ↑ Брамфилд, Джефф (14 декабря 2012 г.). «Япония находится в выигрышном положении, чтобы принять у себя ускоритель частиц» . Природа . дои : 10.1038/nature.2012.12047. S2CID  124158663.
  16. ^ Келен Таттл; Кэтрин Джепсен (23 августа 2013 г.). «Япония выбирает место-кандидат для линейного коллайдера». Журнал «Симметрия» . Фермилаб . Проверено 23 августа 2013 г.
  17. ^ Гаристо, Дэниел. «Япония откладывает решение о размещении следующего большого коллайдера частиц». Научный американец . Проверено 14 марта 2019 г.
  18. ↑ Майкл Бэнкс (1 марта 2022 г.). «Группа призывает физиков «отложить» идею о том, что в Японии будет размещен Международный линейный коллайдер». Мир физики, Издательство IOP.
  19. ^ Бхат, ПК; и другие. (15 марта 2022 г.). «Варианты будущего коллайдера для США». Официальные документы Snowmass 2021 . arXiv : 2203.08088 .
  20. ^ Прощай, Деннис (8 февраля 2007 г.). «Цена следующего большого открытия в физике: 6,7 миллиарда долларов». Нью-Йорк Таймс . Проверено 5 мая 2010 г.
  21. ^ «Чу привязывает ILC к стоимости в 25 миллиардов долларов» . НаукаИнсайдер. 2009. Архивировано из оригинала 5 января 2010 года.
  22. ^ Таттл, Кен (22 февраля 2013 г.). «Планы линейного коллайдера продвигаются вперед». журнал «Симметрия» . Проверено 8 марта 2017 г.

Внешние ссылки