Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) nedávno představila koncepční návrh pro budoucí cirkulační srážku (FCC), který by měl nahradit velkého hadronového srážce. Koncept předpokládá vytvoření 100 km dlouhého tunelu v blízkosti Ženevy, ve kterém se plánuje postupné umisťování urychlovacích prstenů pro práci s paprsky různých typů: od elektronů po těžká jádra. Proč fyzici potřebují nového střižníka, jaké úkoly bude řešit a jakou roli v tom hrají vědci z Ruska?
- Vitalij Alekseeviči, proč fyzici potřebují křídel budoucího prstence?- Projekt FCC je jedním z nejdůležitějších bodů nového vydání Evropské strategie pro fyziku částic, která se formuje dnes. Vědci z Ruska se podílejí na mezinárodních projektech v této oblasti základní vědy, a to jak ve výzkumu srážky, tak v experimentech bez urychlovače. V moderní fyzice je svět elementárních částic popsán tzv. Standardním modelem - teorií kvantového pole, která zahrnuje elektromagnetické, silné a slabé interakce. Složení základních částic v tomto modelu bylo zcela experimentálně potvrzeno objevem Higgsova bosonu v roce 2012 ve velkém hadronovém kluzáku (LHC). Odpovědi na mnoho důležitých otázek, například o povaze temné hmoty, o vzniku asymetrie hmoty a antihmoty v pozorovatelném vesmíru atd., Však přesahují rámec standardního modelu. Vědci navrhují nové, stále silnější akcelerační komplexy, aby našli řešení klíčových problémů v základní fyzice. - Jaké úkoly bude Future Ring Collider řešit? - Jedná se o měření parametrů standardního modelu s nedosažitelnou přesností dříve, podrobné studium fázových přechodů a vlastností látek probíhajících ve velmi raných vesmírech za extrémních podmínek, hledání signálů z nové fyziky mimo standardní model, včetně částic temné hmoty. Z pohledu fyziky je velmi zajímavé studovat vlastnosti silné interakce na ultravysokých energiích a vyvinout teorii, která ji popisuje - kvantovou chromodynamiku.- Jaké úkoly bude Future Ring Collider řešit? - Jedná se o měření parametrů standardního modelu s nedosažitelnou přesností dříve, podrobné studium fázových přechodů a vlastností látek probíhajících ve velmi raném vesmíru v extrémních podmínkách, hledání signálů nové fyziky mimo standardní model, včetně částic temné hmoty. Z pohledu fyziky je velmi zajímavé studovat vlastnosti silné interakce na ultravysokých energiích a vyvinout teorii, která ji popisuje - kvantovou chromodynamiku.- Jaké úkoly bude Future Ring Collider řešit? - Jedná se o měření parametrů standardního modelu s nedosažitelnou přesností dříve, podrobné studium fázových přechodů a vlastností látek probíhajících ve velmi raném vesmíru v extrémních podmínkách, hledání signálů nové fyziky mimo standardní model, včetně částic temné hmoty. Z pohledu fyziky je velmi zajímavé studovat vlastnosti silné interakce na ultravysokých energiích a vyvinout teorii, která ji popisuje - kvantovou chromodynamiku.je velmi zajímavé studovat vlastnosti silné interakce na ultravysokých energiích a vyvinout teorii, která ji popisuje - kvantovou chromodynamiku.je velmi zajímavé studovat vlastnosti silné interakce na ultravysokých energiích a vyvinout teorii, která ji popisuje - kvantovou chromodynamiku.- Jaká je podstata této teorie?- Podle toho mají částice zvané hadrony, například protony a neutrony, složitou vnitřní strukturu tvořenou kvarky a gluony - základní částice standardního modelu zapojené do silných interakcí. Podle stávajících myšlenek jsou kvarky a gluony uzavřeny uvnitř hadronů a dokonce i za extrémních podmínek mohou být kvazi-volné pouze na lineárních stupnicích řádu velikosti atomového jádra. To je klíčový znak silné interakce, což bylo potvrzeno velkým počtem experimentálních a teoretických studií. Mechanismus tohoto nejdůležitějšího fenoménu - uvěznění kvarků a gluonů (uvěznění) - však dosud nebyl stanoven. Po několik desetiletí byl problém uvěznění trvale zahrnut do všech druhů seznamů hlavních nevyřešených problémů základní fyziky. V rámci projektu FCC se plánuje získání nových experimentálních údajů a podstatný pokrok v porozumění vlastností silných interakcí, zejména uvěznění.- Jaké nástroje mají tyto problémy řešit?- Integrovaný přístup se používá k provádění rozsáhlého výzkumného programu, podle kterého projekt FCC zahrnuje dvě fáze. První fáze "FCC-ee" zahrnuje vytvoření elektron-pozitronového srážce s energií paprsku v rozsahu od 44 do 182,5 gigaelektronvoltů. Ve druhé fázi budou provedeny experimenty „FCC-hh“na kolizních paprskech protonů a jader. V tomto případě má urychlit protony na energii 50 teraelektronvoltů a těžkých jader (olovo) - až 19,5 teraelektronvoltů. To je více než sedmkrát energie dosažené v nejsilnějším operačním komplexu LHC. Plánuje se použít spolu s celou existující infrastrukturou k získání paprsků zrychlených částic dříve, než budou zavedeny do hlavního 100 kilometrového okruhu nového kolizoru FCC-hh. Konstrukce externího lineárního urychlovače elektronů s energií 60 gigaelektronvoltů umožní realizovat program pro podrobné studium vnitřní struktury protonu pomocí hluboce nepružného rozptylu elektron-proton (FCC - eh).- Vývoj a konstrukce zařízení této úrovně trvá desetiletí. Kdy začne výstavba? Kdy se očekávají první vědecké výsledky?- Pokud bude koncepce přijata, plánuje se zahájení provádění integrálního programu FCC kolem roku 2020. Konstrukce srážky FCC-ee lepton bude trvat asi 18 let, s následným trváním práce asi 15 let. Ukazuje se, že první fáze bude trvat asi 35 let. Během provozu FCC-ee začne příprava druhé fáze projektu. V souladu s touto koncepcí bude do deseti let po ukončení provozu FCC-ee demontována, bude postaven hadronový srážkový kroužek a budou nainstalovány detektory. V polovině roku 2060 se plánuje získání nových dat pro protonové a jaderné paprsky. Doba provozu FCC s protonovými a nukleárními paprsky je plánována na přibližně 25 let a celková doba trvání druhé fáze je přibližně 35 let. Předpokládá se tedy, že pokusy na FCC budou pokračovat až do konce 21. století. Tento projekt bude skutečně globální.
Jakou roli hrají v projektu FCC vědci z Ruska, zejména z NRNU MEPhI?
- NRNU MEPhI se spolu s dalšími ruskými organizacemi aktivně účastní projektu FCC a provádí vědeckou práci jak pro fyzický program budoucího výzkumu, tak pro komplex urychlovače.
Vědci z NRNU MEPhI přispěli k konceptu FCC, zejména v prvním svazku, který obsahoval popis obecného fyzického programu pro všechny plánované typy paprsků, a ve třetím svazku, věnovaném výzkumu protonových a jaderných paprsků (FCC - hh).
- Řekněte nám podrobněji, prosím
- Jak již bylo zmíněno výše, při extrémně vysokých teplotách (stovky tisíckrát vyšších než ve středu Slunce) a hustotě energie se mohou kvarky a gluony v jaderných měřítcích stát téměř kvazity a vytvářet nový stav hmoty, který se obvykle nazývá kvark-gluonová plazma.
Srážky paprsků protonů a různých jader na ultravysokých energiích srážky FCC-hh umožní zkoumat zejména kolektivní vlastnosti kvark-gluonové hmoty vytvořené interakcemi jak velkých systémů (těžkých jader), tak malých (proton-proton, protonová jádra), poskytuje jedinečné podmínky pro studium vlastností stavů mnoha částic.
Plánované zvýšení FCC-hh, ve srovnání s LHC, zvýšení energie a integrální svítivosti paprsků otevírá kvalitativně nové možnosti pro studium, například chování nejtěžších základních částic standardního modelu - Higgsův boson (asi 125krát těžší než proton) a t-kvark (těžší než proton asi 175krát) - v horké a husté hmotě kvark-gluon, jakož i jejich možné použití jako „sondy“k určení vlastností této hmoty.
Propagační video:
V létě 2014 během diskuse na Ústavu pro fyziku vysokých energií. A. A. Logunov Národního výzkumného střediska „Kurchatovův institut“byl předložen návrh na použití Higgsových bosonů ke studiu vlastností kvark-gluonové hmoty. Tento návrh byl zařazen jako jedna z položek do výzkumného programu s paprsky těžkých jader na FCC. Podle mého názoru je tento směr velmi zajímavý pro fyziku silných interakcí.
Dotkli jsme se pouze některých aspektů budoucího výzkumu. Vědecký program FCC je velmi rozsáhlý a práce na tomto projektu probíhají.