Η Κίνα αποκαλύπτει σχέδιο για σπαστήρα σωματιδίων 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων

ΠΕΚΙΝΟ— Το κέντρο βάρους στη φυσική υψηλής ενέργειας θα μπορούσε να μεταφερθεί στην Ασία εάν πραγματοποιηθεί κάποιο από τα δύο μεγάλα σχέδια. Σε ένα εργαστήριο εδώ την περασμένη εβδομάδα, Κινέζοι επιστήμονες αποκάλυψαν την πλήρη εννοιολογική σχεδίαση για τον προτεινόμενο Επιταχυντή Κυκλικών Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων (CEPC), μια μηχανή 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων για την αντιμετώπιση της επόμενης μεγάλης πρόκλησης στη σωματιδιακή φυσική:τη μελέτη του μποζονίου Higgs. (Μέρος του σχεδιασμού δημοσιεύτηκε το καλοκαίρι.) Τώρα, είναι έτοιμοι να αναπτύξουν λεπτομερή σχέδια, να ξεκινήσουν την κατασκευή το 2022 και να ξεκινήσουν τις εργασίες τους γύρω στο 2030 — εάν η κινεζική κυβέρνηση συμφωνήσει να το χρηματοδοτήσει.

Εν τω μεταξύ, η κυβέρνηση της Ιαπωνίας πρόκειται να αποφασίσει μέχρι τα τέλη Δεκεμβρίου εάν θα φιλοξενήσει μια εξίσου δαπανηρή μηχανή για τη μελέτη του Higgs, του Διεθνούς Γραμμικού Επιταχυντή (ILC). Το πώς η απόφαση της Ιαπωνίας μπορεί να επηρεάσει την Κίνα, η οποία απέχει λίγα χρόνια, είναι ασαφές. Αλλά φαίνεται όλο και πιο πιθανό ότι το μεγαλύτερο μέρος της μελλοντικής δράσης γύρω από το Higgs θα είναι στην Ασία. Τα προτεινόμενα "εργοστάσια Higgs" στην Ευρώπη απέχουν δεκαετίες και οι Ηνωμένες Πολιτείες δεν έχουν σοβαρά σχέδια.

Το μποζόνιο Χιγκς, το κλειδί για να εξηγήσει πώς αποκτούν μάζα άλλα σωματίδια, ανακαλύφθηκε στο CERN, το Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, το 2012—περισσότερα από 40 χρόνια μετά τη θεωρητική πρόβλεψή του. Τώρα, οι επιστήμονες θέλουν να επιβεβαιώσουν τις ιδιότητες του σωματιδίου, πώς αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια και αν συμβάλλει στη σκοτεινή ύλη. Έχοντας μόνο μάζα αλλά χωρίς περιστροφή και χωρίς φορτίο, το Higgs είναι πραγματικά ένα «νέο είδος στοιχειώδους σωματιδίου» που είναι ταυτόχρονα «ένα ειδικό μέρος του τυπικού μοντέλου» και «προάγγελος ορισμένων βαθιών νέων αρχών», λέει ο Nima Arkani-Hamed. , θεωρητικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. Η απάντηση στις πιο σημαντικές ερωτήσεις στη σωματιδιακή φυσική σήμερα "περιλαμβάνει τη μελέτη του Higgs μέχρι θανάτου", λέει.

«Οι φυσικοί θέλουν τουλάχιστον μία μηχανή», λέει ο Joao Guimaraes da Costa, φυσικός στο Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (IHEP) της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, που συνέταξε την κινεζική πρόταση. «Ιδανικά, θα πρέπει να κατασκευαστούν και τα δύο», γιατί το καθένα έχει τα επιστημονικά του πλεονεκτήματα, προσθέτει ο Hitoshi Murayama, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και στο Ινστιτούτο Kavli του Πανεπιστημίου του Τόκιο για τη Φυσική και τα Μαθηματικά του Σύμπαντος στην Kashiwa της Ιαπωνίας. .

Η ανακάλυψη του CERN βασίστηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, έναν δακτύλιο μήκους 27 χιλιομέτρων στον οποίο πρωτόνια υψηλής ενέργειας που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις οδηγούνται σε μετωπικές συγκρούσεις. Αυτό παράγει βροχές πολλών τύπων σωματιδίων, αναγκάζοντας τους φυσικούς να περάσουν από δισεκατομμύρια γεγονότα για να εντοπίσουν το ενδεικτικό σήμα ενός Higgs. Είναι λίγο σαν να συνθλίβετε πίτες κερασιού, λέει ο Μουραγιάμα:"Πολλά λάθη πετάγονται όταν αυτό που πραγματικά ψάχνετε είναι τα μικρά τσουγκρίσματα ανάμεσα σε λάκκους."

Η συντριβή ηλεκτρονίων στα αντίστοιχα της αντιύλης, τα ποζιτρόνια, οδηγεί σε καθαρότερες συγκρούσεις που παράγουν συνήθως ένα σωματίδιο Ζ και ένα μποζόνιο Higgs τη φορά, λέει ο Bill Murray του Πανεπιστημίου του Warwick στο Κόβεντρι, Ηνωμένο Βασίλειο. μπορεί να αποδοθεί στον Higgs "και μπορούμε να παρακολουθούμε τι κάνει", λέει ο Murray.

Το σχέδιο της Ιαπωνίας να κατασκευάσει έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων προέκυψε από διεθνείς έρευνες τη δεκαετία του 1990. Οι φυσικοί ευνόησαν μια γραμμική διάταξη, στην οποία τα σωματίδια στέλνονται σε δύο ευθείες αντίθετες ράγες, συγκρούοντας σαν σφαίρες σε τουφέκια που βάζουν ρύγχος με ρύγχος. Αυτός ο σχεδιασμός υπόσχεται υψηλότερες ενέργειες, επειδή αποφεύγει τις απώλειες που προκύπτουν όταν τα φορτισμένα σωματίδια στέλνονται σε κύκλο, με αποτέλεσμα να αποβάλλουν ενέργεια με τη μορφή ακτίνων Χ. Το μειονέκτημά του είναι ότι χάνονται σωματίδια που δεν συγκρούονται. σε κυκλικό σχέδιο συνεχίζουν γύρω από το δαχτυλίδι για άλλη μια ευκαιρία σύγκρουσης.

Στην πορεία, η Ιαπωνία σηματοδότησε ότι μπορεί να φιλοξενήσει το μηχάνημα και να επωμιστεί τη μερίδα του λέοντος στο κόστος, με άλλες χώρες να συνεισφέρουν ανιχνευτές, άλλα εξαρτήματα και τεχνογνωσία. Ένας βασικός σχεδιασμός του 2013 οραματίστηκε έναν γραμμικό επιταχυντή 500 giga-electrovolt (GeV) σε μια σήραγγα 31 χιλιομέτρων που κοστίζει σχεδόν 8 δισεκατομμύρια δολάρια, χωρίς να υπολογίζεται η εργασία. Αλλά μέχρι τότε, η ομάδα του CERN είχε ήδη δεσμεύσει τη μάζα Higgs στα 125 GeV, κάνοντας το σχέδιο ILC «υπερβολικό», λέει ο Murayama. Έκτοτε, η ομάδα αναθεώρησε το σχέδιο, στοχεύοντας σε έναν επιταχυντή 250GeV που θα στεγάζεται σε μια σήραγγα μήκους 20 χιλιομέτρων και θα κοστίζει 5 δισεκατομμύρια δολάρια, λέει ο Murayama, ο οποίος είναι επίσης αναπληρωτής διευθυντής της Linear Collider Collaboration, η οποία συντονίζει την παγκόσμια εργασία Ε&Α σε πολλά μελλοντικοί επιταχυντές.

Οι επιστήμονες του IHEP έκαναν τη δική τους πρόταση μόλις 2 μήνες μετά την ανακοίνωση του Higgs. Αναγνώρισαν ότι η ενέργεια που απαιτείται για ένα εργοστάσιο Higgs «βρίσκεται ακόμα σε ένα εύρος όπου το κυκλικό είναι καλύτερο», λέει ο Murray. Με τις ακτίνες του θαμμένες σε μια σήραγγα περιφέρειας 100 χιλιομέτρων σε μια τοποθεσία που δεν έχει ακόμη επιλεγεί, το CEPC θα συγκρούεται με ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια έως και 240 GeV.

Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν τα πλεονεκτήματά τους. Το CEPC θα παράγει Higgs με περίπου πέντε φορές το ρυθμό ILC, επιτρέποντας στην έρευνα να προχωρήσει πιο γρήγορα. Αλλά ο Murayama σημειώνει ότι το ILC θα μπορούσε εύκολα να αναβαθμιστεί σε υψηλότερες ενέργειες επεκτείνοντας τη σήραγγα κατά άλλα δύο χιλιόμετρα. Οι περισσότεροι φυσικοί δεν θέλουν να επιλέξουν. Οι δύο επιταχυντές "είναι αρκετά συμπληρωματικοί", λέει ο Murray.

Το αν συμφωνούν πολιτικοί και φορείς χρηματοδότησης μένει να φανεί. Η κατασκευή του CEPC εξαρτάται από τη χρηματοδότηση στο πλαίσιο του επόμενου 5ετούς σχεδίου της Κίνας, το οποίο ξεκινά το 2021, λέει ο διευθυντής του IHEP Wang Yifang. Το IHEP θα αναζητούσε επίσης διεθνείς συνεισφέροντες. Ο Murayama λέει ότι η Ιαπωνία πρέπει να πει ναι στο ILC εγκαίρως για να διαπραγματευτεί την υποστήριξη από την Ευρωπαϊκή Ένωση στο πλαίσιο μιας στρατηγικής φυσικής σωματιδίων που θα δημιουργηθεί το 2019. Η απώλεια αυτής της ευκαιρίας θα μπορούσε να σημαίνει την καθυστέρηση του επιταχυντή κατά 20 χρόνια, λέει — και ίσως την εκχώρηση του πεδίο στην Κίνα.