Niedawno Europejska Organizacja Badań Jądrowych (CERN) przedstawiła koncepcyjny projekt przyszłego zderzacza kołowego (FCC), który powinien zastąpić Wielki Zderzacz Hadronów. Koncepcja zakłada powstanie 100-kilometrowego tunelu w okolicach Genewy, w którym planowane jest sekwencyjne umieszczanie pierścieni akceleratora do pracy z wiązkami różnego typu: od elektronów po ciężkie jądra. Dlaczego fizycy potrzebują nowego zderzacza, jakie zadania on rozwiąże i jaką rolę odegrają w tym naukowcy z Rosji - powiedział korespondentowi RIA Novosti Witalij Okorokow, uczestnik projektu FCC, profesor z National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI).
- Witalij Aleksiejewiczu, dlaczego fizycy potrzebują zderzacza pierścieni przyszłości?- Projekt FCC to jeden z najważniejszych punktów nowej edycji tworzonej dziś Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek. Naukowcy z Rosji uczestniczą w międzynarodowych projektach w tej dziedzinie nauk podstawowych, zarówno w badaniach zderzaczy, jak i eksperymentach nieakceleratorowych. We współczesnej fizyce świat cząstek elementarnych opisywany jest przez tzw. Model Standardowy - kwantową teorię pola, która obejmuje oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe. Skład cząstek elementarnych w tym modelu został w pełni potwierdzony doświadczalnie odkryciem bozonu Higgsa w 2012 roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Jednak odpowiedzi na wiele ważnych pytań, na przykład o naturę ciemnej materii, pojawienie się asymetrii materii i antymaterii w obserwowanym Wszechświecie, i tak dalej, wykraczają poza zakres Modelu Standardowego. Aby znaleźć rozwiązania kluczowych problemów fizyki fundamentalnej, naukowcy projektują nowe, coraz potężniejsze kompleksy akceleratorów. - Jakie zadania rozwiąże Future Ring Collider? - To pomiar parametrów Modelu Standardowego z nieosiągalną wcześniej dokładnością, szczegółowe badanie przejść fazowych i właściwości materii zachodzących we wczesnym Wszechświecie w ekstremalnych warunkach, poszukiwanie sygnałów z nowej fizyki spoza Modelu Standardowego, w tym cząstek ciemnej materii. Z punktu widzenia fizyki bardzo interesujące jest badanie właściwości oddziaływań silnych przy ultrawysokich energiach i opracowanie opisującej je teorii - chromodynamiki kwantowej.- Jakie zadania rozwiąże Future Ring Collider? - To pomiar parametrów Modelu Standardowego z nieosiągalną dokładnością wcześniej, szczegółowe badanie przejść fazowych i właściwości materii zachodzących w bardzo wczesnym Wszechświecie w ekstremalnych warunkach, poszukiwanie sygnałów nowej fizyki poza Modelem Standardowym, w tym cząstek ciemnej materii. Z punktu widzenia fizyki bardzo interesujące jest badanie właściwości oddziaływań silnych przy ultrawysokich energiach i opracowanie opisującej je teorii - chromodynamiki kwantowej.- Jakie zadania rozwiąże Future Ring Collider? - To pomiar parametrów Modelu Standardowego z nieosiągalną dokładnością wcześniej, szczegółowe badanie przejść fazowych i właściwości materii zachodzących w bardzo wczesnym Wszechświecie w ekstremalnych warunkach, poszukiwanie sygnałów nowej fizyki poza Modelem Standardowym, w tym cząstek ciemnej materii. Z punktu widzenia fizyki bardzo interesujące jest badanie właściwości oddziaływań silnych przy ultrawysokich energiach i opracowanie opisującej je teorii - chromodynamiki kwantowej.bardzo interesujące jest zbadanie właściwości oddziaływań silnych przy ultrawysokich energiach i opracowanie opisującej je teorii - chromodynamiki kwantowej.bardzo interesujące jest zbadanie właściwości oddziaływań silnych przy ultrawysokich energiach i opracowanie opisującej je teorii - chromodynamiki kwantowej.- Jaka jest istota tej teorii?- Według niej cząstki zwane hadronami, na przykład protony i neutrony, mają złożoną strukturę wewnętrzną utworzoną przez kwarki i gluony - podstawowe cząstki Modelu Standardowego zaangażowane w oddziaływania silne. Zgodnie z istniejącymi pomysłami, kwarki i gluony są zamknięte w hadronach i nawet w ekstremalnych warunkach mogą być quasi-wolne tylko w skalach liniowych rzędu wielkości jądra atomowego. Jest to kluczowa cecha silnego oddziaływania, co zostało potwierdzone w wielu badaniach eksperymentalnych i teoretycznych. Jednak mechanizm tego najważniejszego zjawiska - uwięzienia kwarków i gluonów (uwięzienie) - nie został jeszcze określony. Od kilkudziesięciu lat problem uwięzienia jest niezmiennie umieszczany na wszelkiego rodzaju listach głównych nierozwiązanych problemów fizyki fundamentalnej. W ramach projektu FCC planowane jest uzyskanie nowych danych eksperymentalnych i znaczący postęp w zrozumieniu właściwości oddziaływań silnych, w szczególności uwięzienia.- Jakie narzędzia mają rozwiązać te problemy?- Podejście zintegrowane służy do realizacji obszernego programu badawczego, zgodnie z którym projekt FCC obejmuje dwa etapy. Pierwszy etap „FCC-ee” polega na utworzeniu zderzacza elektron-pozyton o energii wiązki w zakresie od 44 do 182,5 gigaelektronowoltów. W drugim etapie eksperymenty „FCC-hh” zostaną przeprowadzone na zderzających się wiązkach protonów i jąder. W tym przypadku ma przyspieszyć protony do energii 50 teraelektronowoltów, a ciężkie jądra (ołów) - do 19,5 teraelektronowoltów. To ponad siedem razy więcej niż energia osiągnięta w najpotężniejszym kompleksie operacyjnym LHC. Planuje się go wykorzystać wraz z całą istniejącą infrastrukturą do pozyskiwania wiązek przyspieszonych cząstek, zanim zostaną one wprowadzone do głównego 100-kilometrowego pierścienia nowego zderzacza FCC-hh. Budowa zewnętrznego liniowego akceleratora elektronów o energii 60 gigaelektronowoltów umożliwi realizację programu do szczegółowego badania wewnętrznej struktury protonu z wykorzystaniem głębokiego nieelastycznego rozpraszania elektron-proton (FCC - eh).- Rozwój i budowa instalacji tego poziomu trwa dziesiątki lat. Kiedy rozpocznie się budowa? Kiedy spodziewane są pierwsze wyniki naukowe?- Jeśli koncepcja zostanie przyjęta, rozpoczęcie realizacji programu integralnego FCC planowane jest około 2020 roku. Budowa zderzacza leptonowego FCC-ee zajmie około 18 lat, a późniejsze prace potrwają około 15 lat. Okazuje się, że czas trwania pierwszego etapu wyniesie około 35 lat. W trakcie funkcjonowania FCC-ee rozpoczną się przygotowania do drugiego etapu projektu. Zgodnie z koncepcją w ciągu dziesięciu lat od zakończenia operacji FCC-ee zostanie on zdemontowany, zostanie wzniesiony pierścień zderzacza hadronów oraz zainstalowane czujniki. Uzyskanie nowych danych dotyczących wiązek protonowych i jądrowych planowane jest na połowę 2060 roku. Czas trwania operacji FCC z wiązkami protonowymi i jądrowymi planowany jest na około 25 lat, a całkowity czas trwania drugiego etapu to około 35 lat. W związku z tym zakłada się, że eksperymenty w FCC będą trwały do końca XXI wieku. Ten projekt będzie naprawdę globalny.
Jaką rolę w projekcie FCC odgrywają naukowcy z Rosji, w szczególności z KSOW MEPhI?
- NRNU MEPhI wraz z innymi rosyjskimi organizacjami aktywnie uczestniczy w projekcie FCC i prowadzi prace naukowe zarówno dla fizycznego programu przyszłych badań, jak i dla kompleksu akceleratorów.
Naukowcy z NRNU MEPhI wnieśli swój wkład w koncepcję FCC, w szczególności w tomie pierwszym, który zawiera opis ogólnego programu fizycznego dla wszystkich planowanych typów wiązek, oraz w tomie trzecim, poświęconym badaniom z użyciem wiązek protonowych i jądrowych (FCC - hh).
- Powiedz nam bardziej szczegółowo, proszę
- Jak wspomniano powyżej, w ekstremalnie wysokich temperaturach (setki tysięcy razy wyższych niż w centrum Słońca) i gęstościach energii kwarki i gluony mogą stać się prawie wolne w skalach jądrowych, tworząc nowy stan materii, który jest zwykle nazywany plazmą kwarkowo-gluonową.
Zderzenia wiązek protonów i różnych jąder przy ultrawysokich energiach zderzacza FCC-hh pozwolą w szczególności zbadać kolektywne właściwości materii kwarkowo-gluonowej powstałej w wyniku oddziaływań zarówno dużych układów (jądra ciężkie), jak i małych (proton-proton, proton-jądro), zapewnienie wyjątkowych warunków do badania właściwości stanów wielocząstkowych.
Zaplanowany dla FCC-hh, znaczny w porównaniu z LHC wzrost energii i całkowitej jasności wiązek otwiera jakościowo nowe możliwości badania np. Zachowania najcięższych cząstek podstawowych Modelu Standardowego - bozonu Higgsa (ok. 125 razy cięższego od protonu) i kwarku t (cięższe od protonu około 175 razy) - w gorącej i gęstej materii kwarkowo-gluonowej, a także ich ewentualne wykorzystanie jako „sond” do określenia właściwości tej materii.
Film promocyjny:
Latem 2014 roku podczas dyskusji w Instytucie Fizyki Wysokich Energii. AA Logunov z Narodowego Centrum Badawczego "Kurchatov Institute" zaproponowano wykorzystanie bozonów Higgsa do badania właściwości materii kwark-gluon. Propozycja ta została uwzględniona jako jeden z punktów programu badań wiązek ciężkich jąder w FCC. Moim zdaniem ten kierunek jest bardzo interesujący dla fizyki oddziaływań silnych.
Dotknęliśmy tylko niektórych aspektów przyszłych badań. Program naukowy FCC jest bardzo obszerny, a prace w ramach tego projektu trwają.