International Linear Collider

Prezentare schematică a ILC planificat

International Linear Collider ( ILC ) este planificat un accelerator liniar pentru electroni și pozitroni cu un centru de energie în masă de 500  GeV și o lungime totală de 34 de km. Prefectura Iwate din nordul Japoniei este discutată ca o posibilă locație . ILC ar fi un proiect de urmărire a Marelui Colizor Electron-Pozitron (LEP), care a atins cea mai mare energie pentru coliziunile electron-pozitroni de 209 GeV până în prezent.

În decembrie 2018, un comitet de oameni de știință din Japonia care a examinat proiectul s-a pronunțat împotriva construcției. Costurile estimate de 32 de miliarde de euro ar fi prea mari în comparație cu câștigul scontat în cunoștințe. Construcția ILC este pe cale să se termine în Japonia. Faptul că, în afară de descoperirea bosonului Higgs, nu s-au făcut noi descoperiri majore la LHC.

Prezentare generală

ILC este o propunere de proiect pentru un accelerator electron-pozitroni, al cărui centru de greutate este de cel puțin 500 GeV, care este cu mult mai mare decât energia realizată anterior pentru coliziunile electron-pozitroni de 209 GeV. Acest lucru ar face posibilă pentru prima dată investigarea proprietăților bosonului Higgs și a quarkului superior pe un accelerator de electroni-pozitroni, care permite măsurători diferite și mai precise decât pe un accelerator de protoni precum Tevatron sau Large Hadron Collider ( LHC) pe care au fost detectate pentru prima dată aceste particule. Un alt subiect de cercetare va fi căutarea de particule elementare noi, necunoscute .

Spre deosebire de acceleratorul de electroni-pozitroni cu cea mai mare energie anterior LEP, ILC nu este un accelerator circular , ci un accelerator liniar. Acest lucru depășește limitarea energiei fasciculului în acceleratoarele circulare, care rezultă din pierderea crescută de energie datorată radiației sincrotronei .

Pentru a minimiza pierderile de energie, este planificată utilizarea unor module de accelerare supraconductoare din niobiu , care sunt acționate la o temperatură de 2,0  K (-271 ° C) și răcite cu heliu lichid .

Acceleratorul este format din două brațe, fiecare având aproximativ 17 km lungime. În acceleratorul principal al unui braț electronii sunt accelerați, în celălalt pozitroni la o energie de 250 GeV. Aceste fascicule sunt grupate într-un sistem de focalizare a fasciculului și se ciocnesc în punctul de interacțiune. Este planificată construirea a două detectoare care pot fi împinse alternativ în zona de interacțiune pentru a prelua date.

Acceleratorul

Spre deosebire de acceleratoarele inelare precum LHC, particulele accelerate pot fi utilizate o singură dată, astfel încât particulele noi trebuie să fie accelerate constant. În acest scop, un total de 1312 grupuri de electroni („ciorchini”) sunt eliberați dintr-un fotocatod la fiecare 200  ms . Acestea sunt accelerate la 5 GeV și intră într-un inel de stocare („inel de amortizare”), în care sunt comprimate în termen de 200 ms. Acest lucru este necesar pentru a atinge ratele ridicate de coliziune planificate. Electronii sunt apoi direcționați către un capăt al tunelului accelerator lung și accelerat de acolo în direcția punctului de coliziune.

După secțiunea de accelerație, electronii sunt trecuți printr-un ondulator , eliberând radiații gamma . Aceasta se aplică unei plăci de titan ghidate, în care se generează pozitroni și electroni peste producție . Positronii sunt, de asemenea, alimentați într-un inel de stocare și comprimați în decurs de 200 ms. Ele sunt apoi duse la celălalt capăt al tunelului acceleratorului și accelerate de acolo. Ei ajung la punctul de coliziune la 200 ms după electronii cu care au fost generați - așa că au lovit electronii ciclului următor.

Între secțiunile de accelerație și punctul de coliziune, se construiește un „sistem de livrare a fasciculului” lung de 2,2 km pentru electroni și pozitroni, care comprimă pachetele de particule la o lungime de 0,3 mm, o lățime de 700 nm și o înălțime de 6 nm.

Tunelul acceleratorului, partea principală a ILC, se spune că este de peste zece ori mai lung decât cel al acceleratorului liniar SLAC din California, cu o lungime de până la aproximativ 31 km . Finalizarea nu este de așteptat înainte de 2019 . Tehnologia supraconductoare pentru accelerator este deja testată pe laserul cu electroni liberi FLASH la DESY din Hamburg și va fi utilizată și în proiectul european cu raze X XFEL .

Este planificat echiparea ILC cu doi detectoare. Deoarece fasciculele de particule se ciocnesc doar într-un singur punct, detectoarele pot fi deplasate lateral și, prin urmare, pot alterna cu măsurătorile.

Obiective de cercetare

ILC va face coliziune cu electroni și pozitroni cu energie a centrului de greutate între 200 și 500 GeV, este posibilă o expansiune la 1000 GeV (1 TeV).

Principalele obiective de cercetare sunt

Investigații ale bosonului Higgs

Bosonul Higgs a fost 2.012 la acceleratorul LHC al CERN descoperit la Geneva. Bosonul Higgs ocupă o poziție specială în modelul standard de fizică a particulelor elementare. Este singura particulă fără rotire (impuls unghiular intrinsec). Existența bosonului Higgs este o consecință a mecanismului Higgs , care explică de ce particulele elementare, cum ar fi electronii , quarcii și purtătorii interacțiunii slabe, au masă. Acest lucru explică în special de ce interacțiunea slabă, de ex. B. este responsabil pentru degradarea beta radioactivă, deci slabă și cu rază scurtă de acțiune: Cuplarea la câmpul Higgs înseamnă că bosonii W și Z , care mediază interacțiunea slabă, au o masă de 80 și respectiv 91 GeV și, prin urmare, pot să  fie schimbat numai pe distanțe extrem de scurte de aproximativ 10 −17 m (1/100 rază de proton).

Așa-numita problemă de ierarhie există în modelul standard al fizicii particulelor : corecțiile cuantice duc la faptul că masa bosonului Higgs este extrem de sensibilă la scara energetică pe care modelul standard își pierde valabilitatea. Multe abordări pentru rezolvarea problemei ierarhiei se bazează pe presupunerea de noi particule elementare (de exemplu, parteneri supersimetrici) sau noi interacțiuni. În astfel de cazuri, se așteaptă proprietăți ușor diferite ale bosonului Higgs, de exemplu, relații de ramificare diferite în canale de decădere diferite de cele prevăzute de modelul standard. Prin urmare, o măsurare exactă a acestor rapoarte de ramificare este de o importanță fundamentală.

Investigații ale quarkului de top

Cu o masă de 173 GeV (care corespunde aproximativ cu masa unui atom de aur ), quarkul superior este de departe cel mai greu quarc și cea mai grea particulă elementară cunoscută. Datorită masei sale mari, quarkul superior se cuplează mai puternic decât toate celelalte particule la bosonul Higgs și aduce o contribuție deosebit de puternică la corecțiile cuantice ale proprietăților altor particule elementare, de exemplu, masa bosonului W.

Quarkii superiori pot fi produși în perechi la un accelerator de electroni-pozitroni (ca o pereche de un quark superior și un antiquark superior ) dacă centrul de greutate al energiei este peste așa-numitul prag superior la dublul masei superioare de 346 GeV. Anterior, acceleratorii electron-pozitroni nu aveau suficientă energie pentru a genera perechi superioare; numai ILC ar face posibilă această măsurare.

O măsurare a ratei de generare în funcție de energia centrului de greutate arată o creștere abruptă a zonei din jurul pragului superior, a cărei poziție și înălțime sunt prezise foarte precis de teorie și permit astfel o măsurare foarte precisă a masei și lățimea de descompunere a quarkului superior.

Măsurătorile distribuției direcțiilor de zbor ale quarcurilor superioare (unghiul de generare) oferă informații despre diferitele cuplaje ale quarcurilor superiori stângaci și dreapta către bosonii Z. Din nou, această măsurare este un test sensibil al predicțiilor modelului standard, iar abaterile ar oferi inferențe despre fizică dincolo de modelul standard.

Căutați particule elementare necunoscute

Cu o energie a centrului de masă de 500 GeV, ILC ar putea produce perechi particule-antiparticule de particule noi, necunoscute, cu o masă de până la 250 GeV (aproximativ aceeași cu masa unui atom de uraniu ), după o extindere la 1 centru de energie TeV de masă ar fi dublul acestei zone. Căutarea de noi particule va fi, prin urmare, un focus de cercetare la ILC, așa cum este cazul oricărui accelerator de particule care obține o energie mai mare decât instalațiile anterioare.

Pentru a putea descoperi o nouă particulă, aceasta trebuie generată suficient de des, iar evenimentele cu noua particulă trebuie să difere cu suficientă certitudine de alte evenimente (calitativ sau cantitativ). Prin urmare, centrul disponibil de energie de masă este doar un parametru care influențează perspectiva de a găsi noi particule. Alți parametri sunt tipul de particule de fascicul (electroni și pozitroni sau quarcuri sau gluoni de la protoni) și rata la care sunt generate alte evenimente (așa-numitul fond). Deși acceleratorul LHC de la CERN poate produce deja particule cu mase peste 250 GeV sau 500 GeV, unele teorii prezic particule cu mase mai mici care probabil vor fi descoperite doar la ILC datorită ratei inferioare a suprafeței sau vor fi examinate mai atent acolo.

În multe modele, datele de la un accelerator de electroni-pozitroni sunt absolut necesare pentru a putea demonstra sau exclude în mod fiabil existența unor particule noi în anumite intervale de masă. Acest lucru se aplică și multor modele din domeniul supersimetriei, în care, în funcție de valorile unor parametri, chiar și particulele ușor comparabile pot fi generate prea rar în coliziuni proton-proton sau pot genera semnale care sunt prea puțin vizibile pentru a putea să fie detectat în mod fiabil. Un accelerator de electroni-pozitroni cu cel mai mare centru de greutate posibil, cum ar fi ILC, ar fi astfel complementar LHC.

Relația cu marele coliziune de hadroni (LHC)

Large Hadron Collider (LHC) funcționează din 2008 și când protonii se ciocnesc cu protoni, atinge un centru de energie de masă de 13 TeV, care poate genera, de asemenea, particule a căror masă este prea mare pentru a fi generată direct la ILC. Comparativ cu un accelerator proton-proton, un accelerator de electroni-pozitroni are mai multe proprietăți care fac utilizarea sa atractivă în ciuda energiei centrului de greutate în general mai scăzut:

  • Când electronii sunt anihilați cu pozitroni, întregul centru de greutate este disponibil pentru generarea de noi particule, în timp ce în coliziile proton-proton și coliziuni proton- antiproton , sunt distruse gluoni sau perechi quark-antiquark care conțin doar unul (necunoscut a priori ) Transportați o parte din centrul de greutate. Ca rezultat, energia efectivă a centrului de greutate în coliziile proton-proton este cu aproximativ un ordin de mărime mai mică decât energia nominală a centrului de greutate.
  • Datorită anihilării complete a perechilor electron-pozitron, se cunoaște întreaga energie și întregul impuls al particulelor rezultate. Particulele invizibile, cum ar fi neutrinii, pot fi detectate și măsurate datorită reculului lor (metoda reculului).
  • Coliziunile proton-proton au loc predominant prin împrăștierea de quarks și gluoni între ele, ceea ce duce la rate ridicate de evenimente cu jeturi de particule parțial cu energie ridicată, care reprezintă un fundal perturbator pentru detectarea și investigarea noilor particule și solicită mari funcționarea detectoarelor. În schimb, rata de fond în coliziunile electron-pozitroni este mai mică cu câteva ordine de mărime. Acest fundal mai mic face posibilă detectarea mai multor evenimente rare sau a celor cu semnături mai puțin concise care nu mai pot fi separate de fundal în coliziuni proton-proton.

În general, acceleratorii de electroni-pozitroni precum ILC și acceleratorii de protoni-protoni precum LHC sunt dispozitive de cercetare complementare; Acceleratoarele electron-pozitroni au avantaje în precizie și în studiul evenimentelor rare, mai ales atunci când acestea sunt mediate de interacțiunea electro-slabă, în timp ce acceleratorii de protoni (anti) protoni precum LHC ajung la energii mai mari și mai ales în studiul particulelor care interacționează puternic, cum ar fi cele grele quarkii (sau super-partenerii lor ipotetici, squarkii) oferă avantaje.

Link-uri web

Dovezi individuale

  1. ^ T. Behnke și colab.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volumul 1: Rezumat . 2013, arxiv : 1306.6327 ( ILC TDR Vol. 1 ).
  2. ↑ linearcollider.org
  3. ↑ Rika Takahashi: anunțat site-ul candidatului ILC în Japonia. 29 august 2013. Adus pe 2 septembrie 2013 .
  4. ^ [Jan Osterkamp, ​​Nou accelerator de particule înainte de sfârșit], Spektrum.de, 20 decembrie 2018
  5. ^ H. Baer și colab.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volumul 2: Fizică . 2013, arxiv : 1306.6352 ( ILC TDR Vol. 2 ).
  6. ^ C. Adolphsen și colab.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volumul 3. II : Accelerator Baseline Design . 2013, arxiv : 1306.6328 ( ILC TDR Vol. 3.II ).
  7. ^ T. Behnke și colab.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volumul 4: Detectoare . 2013, arxiv : 1306.6329 ( ILC TDR Vol. 4 ).
  8. ↑ ILC Technical Design Report, Volumul 1, p. 10 ( versiune online )
  9. ↑ Barry Barish la www.linearcollider.org (engleză)
  10. ^ Raportul de proiectare tehnică ILC