For nylig præsenterede Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning (CERN) et konceptuelt design til Future Circular Collider (FCC), som skulle erstatte Large Hadron Collider. Konceptet forestiller oprettelsen af en 100 km lang tunnel i nærheden af Genève, hvor det planlægges at placere acceleratorringe i rækkefølge til arbejde med bjælker af forskellige typer: fra elektroner til tunge kerner. Hvorfor har fysikere brug for en ny collider, hvilke opgaver den vil løse, og hvilken rolle videnskabsfolk fra Rusland spiller i dette, fortalte Vitaly Okorokov, en deltager i FCC-projektet, professor ved National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI), korrespondent til RIA Novosti.
- Vitaly Alekseevich, hvorfor har fysik brug for den fremtidige Ring Collider?- FCC-projektet er et af de vigtigste punkter i den nye udgave af den europæiske strategi for partikelfysik, der er ved at blive dannet i dag. Forskere fra Rusland deltager i internationale projekter inden for dette område af grundlæggende videnskab, både i forskning hos kolliderne og i ikke-accelerator-eksperimenter. I moderne fysik beskrives verden af elementære partikler ved den såkaldte Standard Model - kvantefeltteori, der inkluderer elektromagnetiske, stærke og svage interaktioner. Sammensætningen af grundlæggende partikler i denne model blev fuldstændigt eksperimentelt bekræftet med opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012 hos Large Hadron Collider (LHC). Svar på mange vigtige spørgsmål, for eksempel om arten af mørkt stof, om fremkomsten af asymmetri af stof og antimaterie i det observerbare univers og så videre, ligger uden for standardmodellen. For at finde løsninger på centrale problemer i grundlæggende fysik designer forskere nye, stadig kraftigere acceleratorkomplekser. - Hvilke opgaver vil Future Ring Collider løse? - Dette er en måling af parametre for standardmodellen med en uopnåelig nøjagtighed før, en detaljeret undersøgelse af faseovergange og egenskaber af stof, der finder sted i det meget tidlige univers under ekstreme forhold, en søgning efter signaler fra ny fysik uden for standardmodellen, inklusive mørke stofpartikler. Fra fysikens synspunkt er det meget interessant at undersøge egenskaberne ved stærk interaktion ved ultrahøje energier og at udvikle en teori, der beskriver det - kvante kromodynamik.- Hvilke opgaver vil Future Ring Collider løse? - Dette er måling af parametre for standardmodellen med en uopnåelig nøjagtighed før, en detaljeret undersøgelse af faseovergange og egenskaber ved stof, der finder sted i det meget tidlige univers under ekstreme forhold, søgning efter signaler om ny fysik uden for standardmodellen, inklusive mørke stofpartikler. Fra fysikens synspunkt er det meget interessant at undersøge egenskaberne ved stærk interaktion ved ultrahøje energier og at udvikle en teori, der beskriver det - kvante kromodynamik.- Hvilke opgaver vil Future Ring Collider løse? - Dette er måling af parametre for standardmodellen med en uopnåelig nøjagtighed før, en detaljeret undersøgelse af faseovergange og egenskaber ved stof, der finder sted i det meget tidlige univers under ekstreme forhold, søgning efter signaler om ny fysik uden for standardmodellen, inklusive mørke stofpartikler. Fra fysikens synspunkt er det meget interessant at undersøge egenskaberne ved stærk interaktion ved ultrahøje energier og at udvikle en teori, der beskriver det - kvante kromodynamik.det er meget interessant at studere egenskaberne ved stærk interaktion ved ultrahøj energi og at udvikle en teori, der beskriver det - kvante kromodynamik.det er meget interessant at studere egenskaberne ved stærk interaktion ved ultrahøj energi og at udvikle en teori, der beskriver det - kvante kromodynamik.- Hvad er essensen af denne teori?- I henhold til det har partikler kaldet hadroner, for eksempel protoner og neutroner, en kompleks indre struktur dannet af kvarker og gluoner - de grundlæggende partikler i standardmodellen involveret i stærke interaktioner. I henhold til eksisterende begreber er kvarker og gluoner indkapslet inde i hasroner, og selv under ekstreme forhold kan de kun være kvasi-fri på lineære skalaer i størrelsesordenen til en atomkerne. Dette er et centralt træk ved stærk interaktion, som er blevet bekræftet af et stort antal eksperimentelle og teoretiske studier. Mekanismen for dette vigtigste fænomen - indeslutningen af kvarker og gluoner (indeslutning) - er dog endnu ikke bestemt. I flere årtier er indeslutningsproblemet altid inkluderet i alle slags lister over de vigtigste uløste problemer inden for grundlæggende fysik. Inden for rammerne af FCC-projektet er det planlagt at hente nye eksperimentelle data og væsentligt gå videre med hensyn til at forstå egenskaberne ved stærke interaktioner, især indeslutning.- Hvilke værktøjer skal til at løse disse problemer?- En integreret tilgang anvendes til at gennemføre et omfattende forskningsprogram, hvorefter FCC-projektet inkluderer to faser. Den første fase "FCC-ee" involverer oprettelsen af en elektron-positron collider med en strålenergi i området fra 44 til 182,5 gigaelektronvolt. På det andet trin "FCC-hh" vil der blive udført eksperimenter på kolliderende stråler af protoner og kerner. I dette tilfælde formodes det at accelerere protoner til en energi på 50 teraelektronvolt og tunge kerner (bly) - op til 19,5 teraelektronvolt. Dette er mere end syv gange de energier, der opnås ved det kraftigste driftskompleks af LHC. Det er planlagt at bruge det sammen med hele den eksisterende infrastruktur til at få bjælker af accelererede partikler, før de introduceres i den vigtigste 100 kilometer lange ring af den nye collider FCC-hh. Konstruktionen af en ekstern lineær elektronaccelerator med en energi på 60 gigaelektronvolt vil gøre det muligt at implementere et program til en detaljeret undersøgelse af den interne struktur af en proton ved hjælp af dybt uelastisk elektron-proton-spredning (FCC - eh).- Udvikling og konstruktion af installationer på dette niveau tager årtier. Hvornår starter konstruktionen? Hvornår forventes de første videnskabelige resultater at blive opnået?- Hvis konceptet vedtages, planlægges starten på implementeringen af FCC's integrerede program omkring 2020. Konstruktionen af FCC-ee lepton collider vil tage omkring 18 år med en efterfølgende arbejdstid på ca. 15 år. Det viser sig, at varigheden af den første fase er omkring 35 år. Under driften af FCC-ee vil forberedelsen af projektets anden fase begynde. I overensstemmelse med konceptet, inden ti år efter afslutningen af FCC-ee-operationen, vil den blive afmonteret, hasroncolliderringen opført og detektorer installeret. Det er planlagt at få nye data til proton- og atomstråler i midten af 2060. Varigheden af FCC-operationen med proton og atomstråler er planlagt i cirka 25 år, og den samlede varighed af den anden fase er omkring 35 år. Det antages således, at eksperimenter ved FCC vil fortsætte indtil slutningen af det 21. århundrede. Dette projekt vil virkelig være globalt.
Hvilken rolle spiller forskere fra Rusland, især fra NRNU MEPhI, i FCC-projektet?
- NRNU MEPhI deltager sammen med andre russiske organisationer aktivt i FCC-projektet og udfører videnskabeligt arbejde både til det fysiske program for fremtidig forskning og til acceleratorkomplekset.
Forskere fra NRNU MEPhI bidragede til FCC-konceptet, især i det første bind, indeholdende en beskrivelse af det generelle fysiske program for alle planlagte bjælketyper og i det tredje bind, der er afsat til forskning med proton- og nukleare bjælker (FCC - hh).
- Fortæl os mere detaljeret, tak
- Som nævnt ovenfor kan kvarker og gluoner ved ekstremt høje temperaturer (hundreder af tusinder af gange højere end i midten af solen) og energitætheder blive kvasi-fri på nukleare skalaer, hvilket danner en ny stofstilstand, som normalt kaldes quark-gluon plasma.
Kollision af stråler af protoner og forskellige kerner ved ultrahøje energier i FCC-hh-collideren vil gøre det muligt at undersøge de kollektive egenskaber ved kvark-gluonstof dannet ved interaktioner mellem både store systemer (tunge kerner) og små (proton-proton, proton-kerne), tilvejebringelse af unikke betingelser for undersøgelse af egenskaber ved mange-partikelstilstande.
Den planlagte til FCC-hh, signifikant sammenlignet med LHC, stigning i energier og integreret lysstyrke af bjælker åbner kvalitativt nye muligheder for at studere for eksempel opførslen af de tyngste grundlæggende partikler i standardmodellen - Higgs boson (ca. 125 gange tungere end en proton) og en t-kvark (tungere end en proton ca. 175 gange) - i varmt og tæt quark-gluonstof, såvel som deres mulige anvendelse som "sonder" til at bestemme egenskaberne ved denne sag.
Salgsfremmende video:
I sommeren 2014 under en diskussion ved Institut for Højenergifysik. A. A. Logunov fra National Research Center "Kurchatov Institute", blev der fremsat et forslag om at bruge Higgs-bosonerne til at undersøge egenskaberne ved quark-gluon-stof. Dette forslag blev inkluderet som et af elementerne i forskningsprogrammet med stråler af tunge kerner ved FCC. Efter min mening er denne retning af betydelig interesse for fysikken i stærke interaktioner.
Vi har kun berørt nogle aspekter af fremtidig forskning. FCCs videnskabelige program er meget omfattende, og arbejdet under dette projekt pågår.