Nyligen presenterade European Organization for Nuclear Research (CERN) en konceptuell design för Future Circular Collider (FCC), som skulle ersätta Large Hadron Collider. Konceptet förutsätter skapandet av en 100 km lång tunnel i närheten av Genève, i vilken det planeras att successivt placera acceleratorringar för att arbeta med balkar av olika slag: från elektroner till tunga kärnor. Varför behöver fysiker en ny collider, vilka uppgifter den kommer att lösa och vilken roll forskare från Ryssland spelar i detta, en deltagare i FCC-projektet, sa professor vid National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI) Vitaly Okorokov till RIA Novosti.
- Vitaly Alekseevich, varför behöver fysiker Future Ring Collider?- FCC-projektet är en av de viktigaste punkterna i den nya utgåvan av den europeiska strategin för partikelfysik, som bildas idag. Forskare från Ryssland deltar i internationella projekt inom detta område med grundläggande vetenskap, både i forskning vid kolliderare och i icke-accelerator-experiment. I modern fysik beskrivs världen av elementära partiklar genom den så kallade Standard Model - kvantfältteori, som inkluderar elektromagnetiska, starka och svaga interaktioner. Sammansättningen av grundläggande partiklar i denna modell bekräftades helt experimentellt med upptäckten av Higgs boson 2012 på Large Hadron Collider (LHC). Svaren på många viktiga frågor, till exempel om arten av mörk materia, om uppkomsten av asymmetri av materia och antimateria i det observerbara universum, och så vidare, ligger utanför standardmodellens omfattning. För att hitta lösningar på viktiga problem inom grundläggande fysik utformar forskare nya, starkare acceleratorkomplex. - Vilka uppgifter kommer Future Ring Collider att lösa? - Detta är mätningen av parametrarna för standardmodellen med en ouppnåbar noggrannhet tidigare, en detaljerad studie av fasövergångar och egenskaper hos materia som äger rum i det mycket tidiga universum under extrema förhållanden, sökandet efter signaler om ny fysik utanför standardmodellen, inklusive mörka materialpartiklar. Ur fysikens synvinkel är det mycket intressant att studera egenskaperna hos stark interaktion vid ultrahöga energier och att utveckla en teori som beskriver den - kvantkromodynamik.- Vilka uppgifter kommer Future Ring Collider att lösa? - Detta är mätningen av parametrarna för standardmodellen med en ouppnåbar noggrannhet tidigare, en detaljerad studie av fasövergångar och egenskaper hos materia som äger rum i det mycket tidiga universum under extrema förhållanden, sökandet efter signaler om ny fysik utanför standardmodellen, inklusive mörka materialpartiklar. Ur fysikens synvinkel är det mycket intressant att studera egenskaperna hos stark interaktion vid ultrahöga energier och att utveckla en teori som beskriver den - kvantkromodynamik.- Vilka uppgifter kommer Future Ring Collider att lösa? - Detta är mätningen av parametrarna för standardmodellen med en ouppnåbar noggrannhet tidigare, en detaljerad studie av fasövergångar och egenskaper hos materia som äger rum i det mycket tidiga universum under extrema förhållanden, sökandet efter signaler från ny fysik utanför standardmodellen, inklusive mörka materialpartiklar. Ur fysikens synvinkel är det mycket intressant att studera egenskaperna hos stark interaktion vid ultrahöga energier och att utveckla en teori som beskriver den - kvantkromodynamik.det är mycket intressant att studera egenskaperna hos stark interaktion vid ultrahöga energier och att utveckla en teori som beskriver den - kvantkromodynamik.det är mycket intressant att studera egenskaperna hos stark interaktion vid ultrahöga energier och att utveckla en teori som beskriver den - kvantkromodynamik.- Vad är essensen i denna teori?- Enligt det har partiklar som kallas hadroner, till exempel protoner och neutroner, en komplex inre struktur som bildas av kvarkar och gluoner - de grundläggande partiklarna i standardmodellen involverade i starka interaktioner. Enligt befintliga begrepp är kvarkar och gluoner begränsade inuti hasroner och kan även under extrema förhållanden vara kvasifria endast på linjära skalor i storleksordningen av en atomkärna. Detta är ett viktigt inslag i stark interaktion, vilket har bekräftats av ett stort antal experimentella och teoretiska studier. Mekanismen för detta viktigaste fenomen - inneslutning av kvarkar och gluoner (inneslutning) - har emellertid ännu inte fastställts. Under flera decennier har inneslutningsproblemet alltid inkluderats i alla slags listor över de viktigaste olösta problemen i grundläggande fysik. Inom ramen för FCC-projektet är det planerat att skaffa nya experimentella data och avsevärt utveckla för att förstå egenskaperna för starka interaktioner, särskilt inneslutning.- Vilka verktyg ska för att lösa dessa problem?- En integrerad strategi används för att genomföra ett omfattande forskningsprogram, enligt vilket FCC-projektet innehåller två steg. Det första steget "FCC-ee" involverar skapandet av en elektron-positron-kollider med en strålenergi i området från 44 till 182,5 gigaelektronvolt. I det andra steget "FCC-hh" kommer experiment att genomföras på kolliderande balkar av protoner och kärnor. I detta fall är det tänkt att påskynda protoner upp till 50 teraelektronvoltar och tunga kärnor (bly) - upp till 19,5 teraelektronvolt. Detta är mer än sju gånger de energier som uppnås vid LHC: s kraftfullaste driftkomplex. Det är planerat att använda den, tillsammans med hela den befintliga infrastrukturen, för att få strålar av accelererade partiklar innan de införs i den huvudsakliga 100 kilometer långa ringen för den nya collideren FCC-hh. Konstruktionen av en extern linjär elektronaccelerator med en energi på 60 gigaelektronvoltar kommer att göra det möjligt att implementera ett program för en detaljerad studie av den inre strukturen hos en proton med djup inelastisk elektron-protonspridning (FCC - eh).- Utveckling och konstruktion av installationer på denna nivå tar decennier. När börjar byggandet? När förväntas de första vetenskapliga resultaten uppnås?- Om konceptet antas planeras början på implementeringen av FCC: s integrerade program runt 2020. Konstruktionen av FCC-ee lepton collider kommer att ta cirka 18 år, med en efterföljande arbetstid på cirka 15 år. Det visar sig att varaktigheten för den första etappen kommer att vara cirka 35 år. Under driften av FCC-ee kommer förberedelserna av projektets andra etapp att påbörjas. I enlighet med konceptet, inom tio år efter slutet av FCC-ee-operationen, kommer den att demonteras, hasroncolliderringen kommer att upprättas och detektorer kommer att installeras. Att få nya data för proton- och kärnstrålar planeras för mitten av 2060. Varaktigheten för FCC-operationen med proton- och kärnstrålar planeras under cirka 25 år, och den totala varaktigheten för det andra steget är cirka 35 år. Således antas att experimenten vid FCC kommer att fortsätta till slutet av 2000-talet. Detta projekt kommer att vara verkligt globalt.
Vilken roll spelar forskare från Ryssland, särskilt NRNU MEPhI, i FCC-projektet?
- NRNU MEPhI, tillsammans med andra ryska organisationer, deltar aktivt i FCC-projektet och bedriver vetenskapligt arbete både för det fysiska programmet för framtida forskning och för acceleratorkomplexet.
Forskare från NRNU MEPhI bidrog till FCC-konceptet, i synnerhet i den första volymen, innehållande en beskrivning av det allmänna fysiska programmet för alla planerade typer av balkar, och i den tredje volymen, ägnad åt forskning med proton- och kärnstrålar (FCC - hh).
- Berätta mer i detalj, snälla
- Som nämnts ovan, vid extremt höga temperaturer (hundratusentals gånger högre än vid solens centrum) och energitäthet, kan kvarkar och gluoner bli kvasifria på kärnkraftsvåg och bilda ett nytt tillstånd, som vanligtvis kallas kvark-gluonplasma.
Kollisioner av protonerstrålar och olika kärnor vid ultrahöga energier hos FCC-hh-kollideraren kommer att göra det möjligt att undersöka de kollektiva egenskaperna hos kvark-gluonmaterial som bildas genom interaktioner mellan både stora system (tunga kärnor) och små (proton-proton, proton-kärnan), tillhandahålla unika förutsättningar för att studera egenskaperna hos många-partikelstillstånd.
Den planerade för FCC-hh, betydande, jämfört med LHC, ökning av energi och integrerad ljusstyrka hos strålar öppnar kvalitativt nya möjligheter för att studera, till exempel beteende hos de tyngsta grundpartiklarna i standardmodellen - Higgs boson (cirka 125 gånger tyngre än en proton) och en tark (tyngre än en proton cirka 175 gånger) - i hett och tätt kvark-gluonämne, liksom deras möjliga användning som "sonder" för att bestämma egenskaperna hos denna materia.
Kampanjvideo:
Sommaren 2014, under en diskussion vid Institute for High Energy Physics. A. A. Logunov från National Research Center "Kurchatov Institute" lade fram ett förslag om att använda Higgs-bosonerna för att studera egenskaperna hos kvark-gluonämne. Detta förslag inkluderades som en av artiklarna i forskningsprogrammet med strålar av tunga kärnor vid FCC. Enligt min mening är denna riktning av stort intresse för fysiken i starka interaktioner.
Vi har bara berört vissa aspekter av framtida forskning. FCC: s vetenskapliga program är mycket omfattande och arbetet inom detta projekt pågår.
