Onlangs presenteerde de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) een conceptueel ontwerp voor de Future Circular Collider (FCC), die de Large Hadron Collider moet vervangen. Het concept beoogt de aanleg van een 100 km lange tunnel in de buurt van Genève, waarin het de bedoeling is om opeenvolgend versnellingsringen te plaatsen voor het werken met verschillende soorten bundels: van elektronen tot zware kernen. Waarom hebben natuurkundigen een nieuwe collider nodig, welke taken het zal oplossen en welke rol wetenschappers uit Rusland hierin spelen, een deelnemer aan het FCC-project, vertelde professor van de National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI) Vitaly Okorokov aan RIA Novosti.
- Vitaly Alekseevich, waarom hebben natuurkundigen de Future Ring Collider nodig?- Het FCC-project is een van de belangrijkste punten van de nieuwe editie van de Europese strategie voor deeltjesfysica, die vandaag wordt gevormd. Wetenschappers uit Rusland nemen deel aan internationale projecten op dit gebied van fundamentele wetenschap, zowel in onderzoek bij botsers als in niet-versneller experimenten. In de moderne natuurkunde wordt de wereld van elementaire deeltjes beschreven door het zogenaamde standaardmodel - kwantumveldentheorie, die elektromagnetische, sterke en zwakke interacties omvat. De samenstelling van fundamentele deeltjes in dit model werd volledig experimenteel bevestigd met de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 bij de Large Hadron Collider (LHC). De antwoorden op veel belangrijke vragen, bijvoorbeeld over de aard van donkere materie, over het ontstaan van asymmetrie van materie en antimaterie in het waarneembare heelal, enzovoort, vallen echter buiten het bestek van het standaardmodel. Om oplossingen te vinden voor belangrijke problemen in de fundamentele fysica, ontwerpen wetenschappers nieuwe, steeds krachtigere versnellercomplexen. - Welke taken zal de Future Ring Collider oplossen? - Dit is een meting van de parameters van het Standaardmodel met een voorheen onbereikbare nauwkeurigheid, een gedetailleerde studie van faseovergangen en eigenschappen van materie die plaatsvinden in het zeer vroege heelal onder extreme omstandigheden, een zoektocht naar signalen uit de nieuwe fysica buiten het Standaardmodel, inclusief donkere materiedeeltjes. Vanuit het oogpunt van fysica is het erg interessant om de eigenschappen van sterke interactie bij ultrahoge energieën te bestuderen en een theorie te ontwikkelen die deze beschrijft - kwantumchromodynamica.- Welke taken zal de Future Ring Collider oplossen? - Dit is een meting van de parameters van het Standaardmodel met een voorheen onbereikbare nauwkeurigheid, een gedetailleerde studie van faseovergangen en eigenschappen van materie die plaatsvinden in het zeer vroege heelal onder extreme omstandigheden, een zoektocht naar signalen uit de nieuwe fysica buiten het Standaardmodel, inclusief donkere materiedeeltjes. Vanuit het oogpunt van fysica is het erg interessant om de eigenschappen van sterke interactie bij ultrahoge energieën te bestuderen en een theorie te ontwikkelen die deze beschrijft - kwantumchromodynamica.- Welke taken zal de Future Ring Collider oplossen? - Dit is de meting van de parameters van het standaardmodel met een onbereikbare nauwkeurigheid eerder, een gedetailleerde studie van faseovergangen en eigenschappen van materie die plaatsvinden in het zeer vroege heelal onder extreme omstandigheden, het zoeken naar signalen van nieuwe fysica buiten het standaardmodel, inclusief donkere materiedeeltjes. Vanuit het oogpunt van fysica is het erg interessant om de eigenschappen van sterke interactie bij ultrahoge energieën te bestuderen en een theorie te ontwikkelen die deze beschrijft - kwantumchromodynamica.het is erg interessant om de eigenschappen van sterke interactie bij ultrahoge energieën te bestuderen en een theorie te ontwikkelen die dit beschrijft - kwantumchromodynamica.het is erg interessant om de eigenschappen van sterke interactie bij ultrahoge energieën te bestuderen en een theorie te ontwikkelen die dit beschrijft - kwantumchromodynamica.- Wat is de essentie van deze theorie?- Volgens het hebben deeltjes die hadronen worden genoemd, bijvoorbeeld protonen en neutronen, een complexe interne structuur gevormd door quarks en gluonen - de fundamentele deeltjes van het standaardmodel die betrokken zijn bij sterke interacties. Volgens bestaande concepten zijn quarks en gluonen opgesloten in hadronen en kunnen ze, zelfs onder extreme omstandigheden, alleen quasi-vrij zijn op lineaire schalen in de orde van grootte van een atoomkern. Dit is een belangrijk kenmerk van sterke interactie, wat is bevestigd door een groot aantal experimentele en theoretische studies. Het mechanisme van dit belangrijkste fenomeen - de opsluiting van quarks en gluonen (opsluiting) - is echter nog niet vastgesteld. Decennia lang is het probleem van de opsluiting steevast opgenomen in allerlei lijsten van de belangrijkste onopgeloste problemen van de fundamentele fysica. In het kader van het FCC-project is het de bedoeling nieuwe experimentele gegevens te verkrijgen en aanzienlijk meer inzicht te krijgen in de eigenschappen van sterke interacties, in het bijzonder opsluiting.- Welke tools zijn bedoeld om deze problemen op te lossen?- Er wordt gebruik gemaakt van een geïntegreerde aanpak om een uitgebreid onderzoeksprogramma uit te voeren, waarbij het FCC-project twee fasen omvat. De eerste fase "FCC-ee" omvat het creëren van een elektronen-positron-collider met een stralingsenergie in het bereik van 44 tot 182,5 giga-elektronvolt. In de tweede fase zullen "FCC-hh" experimenten worden uitgevoerd op botsende bundels van protonen en kernen. In dit geval wordt verondersteld dat het protonen versnelt tot een energie van 50 tera-elektronvolt en zware kernen (lood) - tot 19,5 tera-elektronvolt. Dit is meer dan zeven keer de energie die wordt bereikt bij het krachtigste operationele complex van de LHC. Het is de bedoeling om het, samen met de volledige bestaande infrastructuur, te gebruiken om bundels versnelde deeltjes te verkrijgen voordat ze in de hoofdring van 100 kilometer van de nieuwe FCC-hh-botser worden geïntroduceerd. De constructie van een externe lineaire elektronenversneller met een energie van 60 giga-elektronvolt zal het mogelijk maken om een programma te implementeren voor een gedetailleerde studie van de interne structuur van een proton met behulp van diepe inelastische elektronen-protonverstrooiing (FCC - eh).- De ontwikkeling en bouw van installaties van dit niveau neemt decennia in beslag. Wanneer begint de bouw? Wanneer worden de eerste wetenschappelijke resultaten verwacht?- Als het concept wordt overgenomen, is de start van de uitvoering van het integrale programma van de FCC gepland rond 2020. De bouw van de FCC-ee lepton collider zal ongeveer 18 jaar in beslag nemen, met een aansluitende werkduur van ongeveer 15 jaar. Het blijkt dat de duur van de eerste fase ongeveer 35 jaar zal zijn. Tijdens de werking van de FCC-ee begint de voorbereiding van de tweede fase van het project. In overeenstemming met het concept zal het binnen tien jaar na het einde van de FCC-ee-operatie worden ontmanteld, de hadron-colliderring worden geplaatst en detectoren worden geïnstalleerd. Het verkrijgen van nieuwe gegevens voor protonen- en nucleaire bundels is gepland voor medio 2060. De duur van de FCC-operatie met protonen- en nucleaire bundels is gepland voor ongeveer 25 jaar en de totale duur van de tweede fase is ongeveer 35 jaar. Er wordt dus van uitgegaan dat experimenten bij de FCC doorgaan tot het einde van de 21e eeuw. Dit project zal echt wereldwijd zijn.
Welke rol spelen wetenschappers uit Rusland, in het bijzonder van NRNU MEPhI, in het FCC-project?
- NRNU MEPhI neemt, samen met andere Russische organisaties, actief deel aan het FCC-project en verricht wetenschappelijk werk voor zowel het fysieke programma van toekomstig onderzoek als voor het acceleratorcomplex.
Wetenschappers van NRNU MEPhI hebben een bijdrage geleverd aan het FCC-concept, met name in het eerste deel, dat een beschrijving bevat van het algemene fysieke programma voor alle geplande soorten bundels, en in het derde deel, gewijd aan onderzoek met protonen en nucleaire bundels (FCC - hh).
- Vertel ons alstublieft meer in detail
- Zoals hierboven vermeld, kunnen bij extreem hoge temperaturen (honderdduizenden keren hoger dan in het centrum van de zon) en energiedichtheden quarks en gluonen quasi-vrij worden op nucleaire schaal en een nieuwe toestand van materie vormen, die meestal quark-gluon-plasma wordt genoemd.
Botsingen van protonenbundels en verschillende kernen bij ultrahoge energieën van de FCC-hh-collider zullen het mogelijk maken om met name de collectieve eigenschappen van quark-gluon-materie te bestuderen die wordt gevormd tijdens interacties van zowel grote systemen (zware kernen) als kleine (proton-proton, proton-kern), het bieden van unieke voorwaarden voor het bestuderen van de eigenschappen van toestanden met veel deeltjes.
De geplande FCC-hh, aanzienlijke, vergeleken met de LHC, toename van de energie en integrale helderheid van bundels opent kwalitatief nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van bijvoorbeeld het gedrag van de zwaarste fundamentele deeltjes van het standaardmodel - het Higgs-deeltje (ongeveer 125 keer zwaarder dan een proton) en een t-quark (ongeveer 175 keer zwaarder dan een proton) - in hete en dichte quark-gluon-materie, evenals hun mogelijke gebruik als "sondes" om de eigenschappen van deze materie te bepalen.
Promotie video:
In de zomer van 2014 tijdens een gesprek bij het Instituut voor Hoge Energiefysica. A. A. Logunov van het National Research Center "Kurchatov Institute" werd een voorstel gedaan om de Higgs-bosonen te gebruiken om de eigenschappen van quark-gluon-materie te bestuderen. Dit voorstel is als een van de items opgenomen in het programma van onderzoek met bundels zware kernen bij de FCC. Naar mijn mening is deze richting van groot belang voor de fysica van sterke interacties.
We hebben slechts enkele aspecten van toekomstig onderzoek aangestipt. Het wetenschappelijke programma van de FCC is zeer uitgebreid en het werk in het kader van dit project is aan de gang.
