Äskettäin Euroopan ydintutkimusjärjestö (CERN) esitteli Future Circular Collider (FCC) -konseptin, jonka pitäisi korvata iso hadronikoppuri. Konseptin tarkoituksena on luoda 100 kilometrin pituinen tunneli Geneven läheisyyteen, johon on tarkoitus sijoittaa peräkkäin kiihdyttimen renkaat erityyppisten palkkien kanssa työskentelemistä varten: elektronista raskaisiin ytimiin. Miksi fyysikot tarvitsevat uuden yhteentörmäyksen, mitä tehtäviä se ratkaisee ja mikä on Venäjän tutkijoiden rooli tässä, FCC-hankkeeseen osallistuja, MEPhI: n (NRNU MEPhI) professori Vitaly Okorokov kertoi RIA Novostille.
- Vitaly Alekseevich, miksi fyysikot tarvitsevat Future Ring Collider -sovellusta?- FCC-projekti on yksi tärkeimmistä kohdista tänään muodostettavan hiukkasfysiikan strategian uudelle painikkeelle. Venäjän tutkijat osallistuvat tämän perustieteen alan kansainvälisiin hankkeisiin, sekä törmäysaineiden tutkimukseen että kiihdyttämättömiin kokeisiin. Nykyajan fysiikassa elementtihiukkasten maailmaa kuvataan ns. Standardimallissa - kvantikenttäteoriassa, joka sisältää sähkömagneettiset, vahvat ja heikot vuorovaikutukset. Perushiukkasten koostumus tässä mallissa vahvistettiin täysin kokeellisesti Higgs-bosonin löytöllä vuonna 2012 suuressa hadronikoppistossa (LHC). Kuitenkin, vastaukset moniin tärkeisiin kysymyksiin, esimerkiksi tumman aineen luonteesta, aineen ja antimaterian epäsymmetrian esiintymisestä havaittavissa olevassa universumissa ja niin edelleen, ovat standardimallin ulkopuolella. Löytääkseen ratkaisuja perusfysiikan keskeisiin ongelmiin tutkijat suunnittelevat uusia, entistä tehokkaampia kiihdytinkomplekseja. - Mitä tehtäviä Future Ring Collider ratkaisee? - Tämä on standardimallin parametrien mittaus saavuttamattomalla tarkkuudella ennen, yksityiskohtainen tutkimus vaihevaihteluista ja aineen ominaisuuksista, jotka tapahtuvat hyvin varhaisessa universumissa äärimmäisissä olosuhteissa, signaalien etsiminen uudesta fysiikasta standardimallin ulkopuolella, mukaan lukien tumman aineen hiukkaset. Fysiikan kannalta on erittäin mielenkiintoista tutkia voimakkaiden vuorovaikutusten ominaisuuksia ultrakorkeissa energiaissa ja kehittää sitä kuvaava teoria - kvantikromodynamiikka.- Mitä tehtäviä Future Ring Collider ratkaisee? - Tämä on standardimallin parametrien mittaus aikaisemmin saavuttamattomalla tarkkuudella, yksityiskohtainen tutkimus vaihevaihteluista ja aineen ominaisuuksista, jotka tapahtuvat hyvin varhaisessa universumissa äärimmäisissä olosuhteissa, signaalien etsiminen uudesta fysiikasta standardimallin ulkopuolella, mukaan lukien tumman aineen hiukkaset. Fysiikan kannalta on erittäin mielenkiintoista tutkia voimakkaiden vuorovaikutusten ominaisuuksia ultrakorkeissa energiaissa ja kehittää sitä kuvaava teoria - kvantikromodynamiikka.- Mitä tehtäviä Future Ring Collider ratkaisee? - Tämä on standardimallin parametrien mittaus saavuttamattomalla tarkkuudella ennen yksityiskohtaista tutkimusta erittäin varhaisessa universumissa äärimmäisissä olosuhteissa tapahtuvista vaihesiirtymistä ja aineen ominaisuuksista, uuden fysiikan signaalien etsiminen standardimallin ulkopuolella, mukaan lukien tumman aineen hiukkaset. Fysiikan kannalta on erittäin mielenkiintoista tutkia voimakkaiden vuorovaikutusten ominaisuuksia ultrakorkeissa energiaissa ja kehittää sitä kuvaava teoria - kvantikromodynamiikka.on erittäin mielenkiintoista tutkia voimakkaiden vuorovaikutusten ominaisuuksia ultrakorkeissa energiaissa ja kehittää sitä kuvaava teoria - kvanttikromodynamiikka.on erittäin mielenkiintoista tutkia voimakkaiden vuorovaikutusten ominaisuuksia ultrakorkeissa energiaissa ja kehittää sitä kuvaava teoria - kvanttikromodynamiikka.- Mikä on tämän teorian ydin?- Sen mukaan hadroniksi kutsuttuina hiukkasina, esimerkiksi protoneina ja neutroneina, on kvarkkien ja gluonien muodostama monimutkainen sisäinen rakenne - standardimallin perustavanlaatuiset hiukkaset, jotka osallistuvat vahvoihin vuorovaikutuksiin. Nykyisten konseptien mukaan kvarkit ja gluonit rajoittuvat hadronien sisäpuolelle ja jopa äärimmäisissä olosuhteissa ne voivat olla lähes vapaita vain lineaarisissa asteikoissa, jotka ovat atom atomin ytimen kokoisia. Tämä on vahvan vuorovaikutuksen avainominaisuus, joka on vahvistettu useilla kokeellisilla ja teoreettisilla tutkimuksilla. Tämän tärkeimmän ilmiön - kvarkkien ja gluonien rajoittamista (sulkeminen) - mekanismia ei kuitenkaan ole vielä määritetty. Useiden vuosikymmenien ajan synnytyksen ongelma on aina sisällytetty kaikenlaisiin luetteloihin keskeisimmistä ratkaisemattomista perusfysiikan ongelmista. FCC-hankkeen puitteissa on tarkoitus hankkia uutta kokeellista tietoa ja edetä merkittävästi ymmärtämään vahvan vuorovaikutuksen, etenkin synnytyksen, ominaisuuksia.- Mitä työkaluja on tarkoitus ratkaista nämä ongelmat?- Laajan tutkimusohjelman toteuttamiseen käytetään integroitua lähestymistapaa, jonka mukaan FCC-projekti sisältää kaksi vaihetta. Ensimmäiseen vaiheeseen "FCC-ee" sisältyy elektroni-positronikopterin luominen, jonka säteen energia on alueella 44 - 182,5 gigaelektronivolt. Toisessa vaiheessa "FCC-hh" -kokeet suoritetaan protonien ja ytimien törmäävillä säteillä. Tässä tapauksessa sen oletetaan kiihdyttävän protoneja 50 teraelektronvoltin ja raskaiden ytimien (lyijy) energiaan - jopa 19,5 teraelektronvolttia. Tämä on yli seitsemän kertaa LHC: n tehokkaimmassa toimintakompleksissa saavutetut energiat. Sitä on tarkoitus käyttää yhdessä koko olemassa olevan infrastruktuurin kanssa kiihdytettyjen hiukkasten palkkien saamiseksi ennen kuin ne johdetaan uuden FCC-hh-yhteentörmäyttimen 100 kilometrin päärenkaaseen. Ulkoisen lineaarisen elektronikiihdyttimen rakentaminen, jonka energia on 60 gigaelektronvolttia, mahdollistaa protonin sisäisen rakenteen yksityiskohtaista tutkimusta koskevan ohjelman toteuttamisen syvästi joustamattomalla elektroniprotonin sironnalla (FCC - eh).- Tämän tason laitteistojen kehittäminen ja rakentaminen vie vuosikymmeniä. Milloin rakentaminen alkaa? Milloin ensimmäisten tieteellisten tulosten odotetaan saavan?- Jos konsepti hyväksytään, FCC: n integroidun ohjelman toteuttamisen on tarkoitus alkaa vuoden 2020 jälkeen FCC-ee-leptoni-kolaritin rakentaminen vie noin 18 vuotta, ja sen jälkeinen työaika on noin 15 vuotta. Osoittautuu, että ensimmäisen vaiheen kesto on noin 35 vuotta. FCC-ee: n toiminnan aikana projektin toisen vaiheen valmistelu alkaa. Konseptin mukaisesti se puretaan kymmenen vuoden kuluessa FCC-ee-toiminnan päättymisestä, asennetaan hadronin törmäysrengas ja asennetaan ilmaisimet. Uuden tiedon hankkiminen protoni- ja ydinkeilan sädeistä on suunniteltu vuoden 2060 puoliväliin. FCC-toiminnan kesto protoni- ja ydinsäteillä on suunniteltu noin 25 vuodeksi, ja toisen vaiheen kokonaiskesto on noin 35 vuotta. Siksi oletetaan, että kokeilut FCC: ssä jatkuvat 2000-luvun loppuun. Tämä projekti on todella globaali.
Mikä rooli etenkin NRNU MEPhI: n Venäjän tutkijoilla on FCC-projektissa?
- NRNU MEPhI, yhdessä muiden venäläisten organisaatioiden kanssa, osallistuu aktiivisesti FCC-projektiin ja suorittaa tieteellistä työtä sekä tulevan tutkimuksen fyysisen ohjelman että kiihdyttimen yhteydessä.
NRNU MEPhI: n tutkijat antoivat panoksensa FCC-konseptiin etenkin ensimmäisessä osassa, joka sisälsi kuvaus kaikista suunnitelluista säteilytyypeistä käytetystä yleisestä fyysisestä ohjelmasta, ja kolmannessa osassa, joka oli omistettu protonien ja ydinpalkkien tutkimukselle (FCC - hh).
- Kerro meille tarkemmin
- Kuten edellä mainittiin, kvarkeista ja gluoneista erittäin korkeissa lämpötiloissa (satoja tuhansia kertoja korkeampia kuin auringon keskipisteessä) ja energiatiheyksissä voi tulla lähes vapaa ydinvaakoissa, jolloin ne muodostavat uuden aineen tilan, jota yleensä kutsutaan kvarki-gluoniplasmaan.
Protonipalkkien ja erilaisten ytimien törmäykset FCC-hh-törmäysaineen ultrakorkeisiin energioihin antavat mahdollisuuden tutkia erityisesti kvarki-gluoniaineen kollektiivisia ominaisuuksia, jotka muodostuvat sekä suurten järjestelmien (raskasydin) että pienten (protoni-protoni, protonituuma) vuorovaikutuksesta. tarjoamalla ainutlaatuiset olosuhteet monipartikkelisten tilojen ominaisuuksien tutkimiseksi.
FCC-hh: lle suunniteltu, merkittävä LHC: hen verrattuna, palkkien energian ja kiinteän valoisuuden lisääntyminen avaa laadullisesti uusia mahdollisuuksia tutkia esimerkiksi standardimallin raskaimpien perushiukkasten - Higgs-bosonin (noin 125 kertaa raskaampi kuin protoni) ja t-kvarkin - käyttäytymistä (raskaampi kuin protoni noin 175 kertaa) - kuumassa ja tiheässä kvarki-gluoni-aineessa, samoin kuin niiden mahdollinen käyttö "koettimina" tämän aineen ominaisuuksien määrittämiseksi.
Mainosvideo:
Kesällä 2014 keskustelun aikana korkean energian fysiikan instituutissa. A. A. Logunov Kansallisesta tutkimuskeskuksesta "Kurchatov Institute" esitti ehdotuksen Higgsin bosonien käyttämiseksi kvarki-gluoniaineen ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä ehdotus sisällytettiin yhdeksi aiheeksi tutkimusohjelmaan raskaan ytimen säteillä FCC: ssä. Mielestäni tämä suunta kiinnostaa huomattavasti vahvojen vuorovaikutusten fysiikkaa.
Olemme koskettaneet vain joitain tulevaisuuden tutkimuksen näkökohtia. FCC: n tieteellinen ohjelma on erittäin laaja ja työ tämän hankkeen puitteissa jatkuu.