Будущий круговой коллайдер ⇐ Васина Википедия

[wiki_de]

«Круговой коллайдер будущего (FCC)» — это запланированный ускоритель частиц с энергией, значительно превышающей энергию предыдущих кольцевых ускорителей, таких как Суперпротонный синхротрон, Тэватрон и Большой адронный коллайдер (БАК).

В FCC-hh общая энергия каждого луча составит 560 МДж. При энергии столкновения центра тяжести 100 ТэВ (по сравнению с 14 ТэВ у БАКа) значение полной энергии увеличивается до 16,7 ГДж. Эти значения полной энергии превышают нынешние значения БАК почти в 30 раз. -0058.pdf стр. 248, Параметры пучка дают ГДж полной энергии на основе количества протонов в сгустке и количества сгустков [10 400] в FCC-hh: https://www.wolframalpha.com/input/?i=10400*1.0*(10% 5E11)*100*(10%5E12)*1,602*(10%5E-19)

ЦЕРН провел исследование FCC, в котором изучалась осуществимость различных сценариев ускорителей частиц с целью значительного увеличения энергии и светимости по сравнению с существующими ускорителями. Он призван дополнить существующие технические конструкции предлагаемых линейных электрон-позитронных коллайдеров, таких как Международный линейный коллайдер и Компактный линейный коллайдер.

В исследовании изучается потенциал адронных | адронных и лептонных кольцевых ускорителей, проводится анализ инфраструктуры и концепций эксплуатации, а также рассматриваются программы технологических исследований и разработок, необходимые для строительства и эксплуатации будущего кольцевого ускорителя. Концептуальный отчет был опубликован в начале 2019 года
== Фон ==
Исследование ЦЕРН было инициировано в ответ на высокопоставленные рекомендации обновленной Европейской стратегии по физике элементарных частиц, опубликованной в 2013 году, которая призывала «ЦЕРН провести проектные исследования для проектов ускорителей в глобальном контексте, с акцентом на протонные исследования». протон и электрон - позитронные новаторские машины высокой энергии. Эти проектные исследования должны сопровождаться энергичной программой исследований и разработок ускорителей, включая магниты сильного поля и структуры высокоградиентного ускорения, в сотрудничестве с национальными институтами, лабораториями и университетами по всему миру». Цель заключалась в том, чтобы проинформировать следующее обновление Европейской стратегии по физике элементарных частиц (2019-2020 гг.) и более широкое физическое сообщество о возможности создания круговых коллайдеров, дополняя предыдущие исследования линейных коллайдеров, а также другие предложения по экспериментам по физике элементарных частиц.

Запуск исследования FCC также соответствовал рекомендациям Группы по определению приоритетов проекта физики элементарных частиц (P5) США и Международного комитета по ускорителям будущего (ICFA).

Открытие бозона Хиггса на БАК и отсутствие на сегодняшний день явлений за пределами Стандартной модели в столкновениях с энергией центра масс до 8 ТэВ стимулировали интерес к будущим круговым коллайдерам для расширения энергетических и прецизионных пределов и исследований. для будущих линейных машин. Открытие «легкого» бозона Хиггса|Бозона Хиггса с массой 125 ГэВ возобновило дискуссию о круговом лептонном коллайдере
Двумя основными ограничениями производительности круговых ускорителей являются потери энергии из-за синхротронного излучения и максимальное значение магнитных полей, которое может быть достигнуто при изгибании магнитов, чтобы удерживать пучки высокой энергии на круговой траектории. Синхротронное излучение имеет особое значение для проектирования и оптимизации кругового лептонного коллайдера и ограничивает максимально достижимую энергию, поскольку явление зависит от массы ускоряемой частицы. Решение этих проблем требует сложной конструкции машин и дальнейшего развития таких технологий, как ускорительные полости (RF) и магниты с сильным полем.

Будущие лептонные коллайдеры с «пределом интенсивности и светимости», подобные тем, которые рассматриваются в исследовании FCC, позволят изучить свойства бозона Хиггса | бозона Хиггса, W- и Z-бозонов и топ-кварков с очень высокой точностью. и определить их взаимодействие с точностью, как минимум на порядок лучшей, чем сегодня. FCC-ee может производить 1012 Z-бозонов, 108 пар W, 106 бозонов Хиггса и 4 10 в год sup >5Собирайте пары топ-кварков. На втором этапе коллайдер на «энергетической границе» с энергией 100 ТэВ (FCC-hh) может стать «машиной открытия», предлагающей восьмикратное увеличение энергии по сравнению с текущим энергетическим диапазоном БАК.

Интегрированный проект FCC, объединяющий FCC-ee и FCC-hh, будет опираться на общую и экономически эффективную техническую и организационную инфраструктуру, как это было в случае с LEP, а затем и с LHC. Такой подход на несколько порядков повышает чувствительность к неуловимым явлениям при малых массах и на порядок дальность открытия новых частиц при самых высоких массах. Это позволит уникальным образом картировать свойства бозона Хиггса и электрослабого взаимодействия и расширить поиск различных частиц-кандидатов в темную материю за счет использования других подходов с пучками нейтрино, эксперименты за пределами которых могут быть дополнены столкновениями и астрофизическими экспериментами. .

== Мотивация ==
БАК продвинул науку о материи (физике)|материи и Стандартной модели|Стандартной модели (СМ). Открытие бозона Хиггса завершило связанный с частицами компонент Стандартной модели физики элементарных частиц — теории, описывающей законы, управляющие большей частью известной Вселенной. Однако Стандартная модель не может объяснить некоторые наблюдения, такие как: Например:

* Доказательства существования темной материи,
*преобладание материи над антиматерией,
* массы нейтрино.

БАК положил начало новому этапу детального изучения свойств бозона Хиггса и его взаимодействия с другими частицами СМ. Будущие коллайдеры с более высокой энергией и частотой столкновений внесут большой вклад в проведение этих измерений, углубление нашего понимания процессов Стандартной модели, проверку ее пределов и поиск возможных отклонений или новых явлений, которые могут дать ключ к разгадке новой физики.< br / >
Исследование Future Circular Collider (FCC) разрабатывает варианты потенциальных круговых ускорителей высокой энергии в ЦЕРН на период после LHC. Помимо прочего, план состоит в поиске частиц темной материи, которые составляют около 25% энергии в наблюдаемой Вселенной.
FCC также могла бы стать инициатором достижений в прецизионных измерениях электрослабых прецизионных наблюдаемых (EWPO). Измерения сыграли ключевую роль в консолидации Стандартной модели и могут служить ориентиром для будущих теоретических разработок. Кроме того, результаты этих измерений могут повлиять на данные астрофизических/космологических наблюдений. Повышенная точность, обеспечиваемая интегрированной программой FCC, увеличивает потенциал открытия новой физики.

Кроме того, FCC-hh позволит продолжить программу исследований столкновений ультрарелятивистских тяжелых ионов RHIC и LHC. Более высокие энергии и светимости, предлагаемые FCC-hh при работе с тяжелыми ионами, откроют новые возможности в изучении коллективных свойств кварков и глюонов.
Исследование FCC также включает точку взаимодействия электронов с протонами (FCC-eh).
== Область применения ==
Первоначально исследование FCC было сосредоточено на высокоэнергетическом протон-протонном ускорителе (адроне или тяжелом ионе), который на первом этапе также мог бы содержать высокоинтенсивный ускоритель предела электронов/позитронов (ee). Однако после оценки готовности различных технологий и физической мотивации сотрудничество FCC пришло к так называемой интегрированной программе FCC, которая в качестве первого шага обеспечивает FCC-ee время работы около 10 лет в различных диапазонах энергии от От 90 ГэВ до 350 ГэВ, а затем FCC-hh со сроком службы около 15 лет.

Сотрудничество FCC определило технологические достижения, необходимые для достижения запланированной энергии и интенсивности, и проводит оценку технологической осуществимости критических элементов будущих круговых коллайдеров (т.е. магнитов сильного поля, сверхпроводников, радиочастотных резонаторов, криогенных и вакуумных систем, энергетических систем, лучевых системы защиты и т. д.). Проекту необходимо дальнейшее развитие этих технологий для удовлетворения потребностей машины после БАКа, а также для обеспечения широкомасштабного применения этих технологий, что может привести к их дальнейшей индустриализации. Исследование также включает анализ инфраструктуры и эксплуатационных затрат, которые могут обеспечить эффективную и надежную работу будущей крупномасштабной исследовательской инфраструктуры. Стратегические исследования и разработки, проводимые в CDR
Ученые и инженеры также работают над концепциями детекторов, необходимыми для ответа на вопросы физики в каждом из сценариев (хм, э-э, он). Программа работы включает исследования экспериментов и концепций детекторов, которые позволят исследовать новые физические вопросы. Детекторные технологии будут основаны на концепциях эксперимента, запланированных характеристиках коллайдера и физических вопросах. Необходимо развивать новые технологии в различных областях, таких как криогеника, сверхпроводимость, материаловедение и информатика, включая новые концепции обработки и управления данными.

== Системы столкновений ==
Исследование FCC разработало и оценило три концепции ускорителей для своего отчета о проектировании.

=== FCC-ee (электрон/позитрон) ===
Лептонный коллайдер с энергией столкновения центра масс от 90 до 350 ГэВ рассматривается как возможный промежуточный шаг на пути к реализации адронной установки. Благодаря чистым экспериментальным условиям накопительные кольца e+e− зарекомендовали себя как для измерения известных частиц с высочайшей точностью, так и для исследования неизвестного.

В частности, высокая светимость и улучшенная обработка лептонных пучков откроют возможность измерения свойств частиц Z, W, Хиггса и Топа, а также сильного взаимодействия с большей точностью.
Он может искать новые частицы, взаимодействующие с бозонами Хиггса и электрослабыми бозонами до масштабов Λ = 7 и 100 ТэВ. Кроме того, измерения невидимых или экзотических распадов бозонов Хиггса и Z откроют возможности для открытия темной материи или тяжелых нейтрино с массой ниже 70 ГэВ. Действительно, FCC-ee может позволить провести глубокие исследования нарушений электрослабой симметрии и открыть широкий косвенный поиск новой физики для нескольких порядков энергии или связей.

Реализация Лептонного коллайдера на пределе интенсивности, FCC-ee, требует в качестве первого шага фазы подготовки продолжительностью почти 8 лет, за которой следует фаза строительства (вся структурная и техническая инфраструктура, машины и детекторы, включая ввод в эксплуатацию), которая длится 10 лет. годы. По оценкам, последующая эксплуатация установки FCC-ee займет 15 лет для завершения запланированной в настоящее время физической программы. В результате общий срок строительства и эксплуатации FCC-ee составляет почти 35 лет

=== FCC-hh (протон/протон и ион/ион) ===
Будущий адронный коллайдер на пределе энергии сможет обнаруживать носители сил новых взаимодействий до масс около 30 ТэВ, если они существуют. Более высокая энергия столкновения расширяет диапазон поиска частиц темной материи далеко за пределы диапазона ТэВ, в то время как суперсимметричные партнеры кварков и глюонов могут быть найдены при массах до 15-20 ТэВ, открывая возможность поиска возможной субструктуры внутри кварков. Шкалы расстояний 10−21 м с возможностью расширения. Благодаря более высокой энергии и частоте столкновений будут созданы миллиарды бозонов Хиггса и триллионы топ-кварков, что создаст новые возможности для изучения редких распадов и физики ароматов.

Адронный ускоритель также расширит изучение бозона Хиггса и взаимодействий калибровочных бозонов до энергий, значительно превышающих ТэВную шкалу, и даст возможность детально проанализировать механизм, лежащий в основе нарушения электрослабой симметрии.

Во время столкновений тяжелых ионов коллайдер FCC-hh позволяет исследовать коллективную структуру материи в более экстремальных условиях плотности и температуры, чем раньше.
Наконец, FCC-eh способствует разнообразию исследовательской программы, предлагаемой этим новым учреждением. При огромной энергии протонного пучка с энергией 50 ТэВ и потенциальной доступности электронного пучка с энергией порядка 60 ГэВ открываются новые горизонты для физики глубоконеупругого рассеяния. Коллайдер FCC-He будет одновременно высокоточной фабрикой Хиггса
В интегрированном сценарии FCC фаза подготовки адронного ускорителя на пределе энергии FCC-hh начинается в первой половине фазы эксплуатации FCC-ee. После прекращения деятельности FCC-ee машины будут демонтированы, будут проведены ограниченные инженерно-строительные работы и налажена общая техническая инфраструктура, после чего последует монтаж и пуско-наладка машин и детекторов FCC-hh, что займет итого около 10 лет. Продолжительность последующей эксплуатации системы FCC-hh оценивается в 25 лет, так что общая продолжительность строительства и эксплуатации FCC-hh составит 35 лет.

Постепенная реализация дает окно от 25 до 30 лет для исследований и разработок ключевых технологий FCC-hh. Это может позволить рассмотреть альтернативные технологии, например. B. сверхпроводящие высокотемпературные магниты, что должно привести к улучшению параметров и снижению рисков реализации, чем при строительстве сразу после HL-LHC.

=== БАК высокой энергии ===
Высокоэнергетический адронный ускоритель, размещенный в том же туннеле, но с использованием новых дипольных магнитов класса FCC-hh (16T), мог бы расширить текущий энергетический предел почти в 2 раза (энергия столкновения 27 ТэВ) и обеспечить интегральную светимость, которая находится на уровне по крайней мере, в 3 раза больше, чем у HL-LHC. Эта машина могла бы обеспечить первое измерение самосвязи Хиггса и напрямую генерировать частицы со значительной скоростью при энергиях до 12 ТэВ, что почти удвоит возможности HL-LHC в открытии новой физики. Проект повторно использует существующую подземную инфраструктуру БАК и большие части инжекторной цепи ЦЕРН.

Ожидается, что на HE-LHC будут размещены две точки взаимодействия высокой светимости (IP) 1 и 5 на местах текущих экспериментов ATLAS и CMS, а на нем могут быть проведены два вторичных эксперимента с использованием инъекции, которую можно объединить, как в текущем LHC. .

HE-LHC мог бы напрямую следовать за HL-LHC и обеспечить исследовательскую программу примерно на 20 лет после середины 21 века.

== Технологии ==
Поскольку разработка ускорителя частиц следующего поколения требует новых технологий, в исследовании FCC было изучено оборудование и техника, необходимые для реализации проекта, с учетом опыта предыдущих и текущих проектов ускорителей. Основу этого прогресса закладывают целевые программы НИОКР:

* магнит ускорителя с силой 16 Тесла и связанные с ним исследования сверхпроводников,
* высокочастотная система ускорения мощностью 100 МВт, способная эффективно передавать энергию из энергосистемы в лучи,
* высокоэффективная крупномасштабная криогенная инфраструктура для охлаждения сверхпроводящих компонентов ускорителя и связанных с ними систем охлаждения.

Для надежной, устойчивой и эффективной работы необходимы многочисленные другие технологии из различных областей (физика ускорителей, сильнополевые магниты, криогеника, вакуум, строительство, материаловедение, сверхпроводники, ...).

=== Магнитные технологии ===
Сверхпроводящие магниты с сильным полем — ключевая технология для создания адронного ускорителя высшего класса. Чтобы направить луч с энергией 50 ТэВ по туннелю длиной 100 км, требуется 16 диполей Тесла, что вдвое превышает силу магнитного поля БАК.
Основная цель исследований и разработок дипольных магнитов 16 Тл для большого ускорителя частиц — продемонстрировать, что этот тип магнита ускорительного качества возможен, и обеспечить адекватную производительность по доступной цене. Таким образом, цели заключаются в том, чтобы повысить характеристики проводника за пределами ограничений по току, уменьшить необходимый «запас по нагрузочной линии» и тем самым уменьшить использование проводника и размер магнита, а также разработать оптимизированную конструкцию магнита, которая оптимизирует максимальная производительность с учетом затрат.
Исследования и разработки в области магнитов направлены на расширение рабочего диапазона ускорительных магнитов на основе низкотемпературных сверхпроводников (НТС) до 16 Тл и исследование технологических задач, связанных с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТС) для Магниты ускорителя в районе 20-Т подключены.

=== Сверхпроводящие высокочастотные резонаторы ===
Пучки, движущиеся в круговом ускорителе, теряют определенный процент своей энергии из-за синхротронного излучения: до 5% при каждом обороте для электронов и позитронов, гораздо меньше для протонов и тяжелых ионов. Для поддержания их энергии система радиочастотных резонаторов постоянно снабжает каждый луч мощностью до 50 МВт. Исследование FCC инициировало создание специализированных линий исследований и разработок для новой технологии сверхпроводящего тонкопленочного покрытия, которая позволит радиочастотным резонаторам работать при более высоких температурах (CERN, Courier, апрель 2018 г.),
=== Криогеника ===
Сжижение газа – энергоемкий криогенный процесс. В будущем будут интенсивно использоваться лептонные и адронные ускорители, низкотемпературные сверхпроводящие устройства на 4,5 К и 1,8 К, что требует очень широкого распространения, восстановления и хранения криогенных жидкостей.
Следовательно, разрабатываемые криогенные системы в два-четыре раза крупнее тех, которые используются в настоящее время, и требуют большей доступности и максимальной энергоэффективности. Ожидается, что дальнейшие усовершенствования криогеники найдут широкое применение в медицинской визуализации.

Криогенно-струйная вакуумная система адронного ускорителя на пределе энергии должна поглощать энергию 50 Вт на метр при криогенных температурах. Чтобы защитить холодное отверстие магнита от нагрузки на головку, вакуумная система должна быть устойчивой к эффектам электронного облака, чрезвычайно прочной и стабильной в условиях сверхпроводящей закалки.

Они также должны обеспечивать быструю обратную связь по эффектам импеданса. Чтобы достичь этих уникальных термомеханических и электрических свойств для коллимационных систем, необходимо разработать новые композиционные материалы. Такие материалы также могут быть дополнены продолжающимися исследованиями тонкопленочного покрытия NEG, используемого внутри медных вакуумных камер.

=== Коллимация ===
Адронный коллайдер на 100 ТэВ требует эффективных и надежных коллиматоров, поскольку в точках взаимодействия ожидается адронный фон мощностью 100 кВт. Также необходимы быстрые, самонастраивающиеся системы управления с субмиллиметровыми коллимационными расстояниями, чтобы предотвратить необратимые повреждения машины и управлять 8,3 ГДж, хранящимися в каждом луче.

Чтобы решить эти проблемы, исследование FCC ищет конструкции, которые могут выдерживать большие энергетические нагрузки с приемлемой временной деформацией и без необратимых повреждений. Новые композиционные материалы с улучшенными термомеханическими и электрическими свойствами исследуются в сотрудничестве с программами FP7 HiLumi LHC DS и EuCARD2.

== Временные рамки ==
Большой адронный коллайдер в ЦЕРН с его модернизированной версией High Luminosity является крупнейшим и самым мощным ускорителем частиц в мире, эксплуатация которого запланирована на 2036 год. На период после создания БАК были выдвинуты различные предложения по исследовательской инфраструктуре в области физики элементарных частиц, включая как линейные, так и круговые машины.

В исследовании FCC рассматриваются сценарии использования различных круглых ускорителей частиц, размещенных в новом туннеле окружностью 100 км. Срок в 30 лет подходит для планирования и строительства крупного ускорительного комплекса и детекторов частиц.

Опыт эксплуатации LEP и LHC и возможность тестирования новых технологий на LHC с высокой светимостью составляют основу для оценки возможности создания ускорителя частиц после LHC. В 2018 году сотрудничество FCC выпустило четырехтомный отчет о концептуальном проектировании (CDR)
== Организация ==
Исследование FCC, проводимое CERN, представляет собой международное сотрудничество 135 исследовательских институтов и университетов и 25 промышленных партнеров со всего мира.

Исследование FCC было начато в ответ на рекомендацию, содержащуюся в обновленной версии Европейской стратегии по физике элементарных частиц в 2013 году, принятой Советом ЦЕРН. Исследование проводится тремя комитетами: Советом по международному сотрудничеству (ICB), Международным руководящим комитетом (ISC) и Международным консультативным комитетом (IAC).
ICB изучает потребности исследования в ресурсах и находит соглашения в рамках сотрудничества. Таким образом, он направляет вклады участников сотрудничества с целью создания географически сбалансированной и тематически дополняющей сети вкладов. ISC является надзорным и главным органом управления проведением исследования и действует от имени сотрудничества.

ISC отвечает за надлежащую реализацию решений ICB, разработку и формулирование стратегических рамок, отдельных целей и рабочей программы исследования. Работу ЦИЦ поддерживает Координационная группа – главный исполнительный орган проекта, который координирует отдельные пакеты работ и осуществляет оперативное управление исследованием.

Наконец, IAC рассматривает научно-технический прогресс исследования и представляет научные и технические рекомендации Международному руководящему комитету для поддержки и облегчения принятия важных технических решений.

== Критика ==
Предложенный FCC ускоритель частиц подвергся критике за его стоимость: вариант энергетического адронного коллайдера (FCC-hh) оценивается в более чем 20 миллиардов долларов. Физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер раскритиковала соответствующий рекламный ролик, в котором освещено большое количество открытых проблем в физике, хотя ускоритель, вероятно, сможет решить лишь небольшую часть из них. Она отметила, что (по состоянию на 2019 год) «нет причин, по которым новые физические эффекты, такие как частицы, составляющие темную материю, должны быть доступны с помощью следующего более крупного ускорителя».
Эту критику высказали физики, а также философы и историки науки, которые подчеркнули исследовательский потенциал будущего крупномасштабного ускорителя. Подробное обсуждение физики включено в первый том отчета FCC о концептуальном проекте. Джан Джудис, глава отдела теоретической физики ЦЕРН, написал пост на тему «Будущее ускорителей высоких энергий», а среди других комментариев были Джереми Бернштейн, Лиза Рэндалл, Джеймс Бичем, Гарри Клифф и Томмазо Дориго. В недавнем интервью CERN Courier теоретик Нима Аркани-Хамед описала конкретную экспериментальную цель коллайдера после LHC: «Хотя нет никакой гарантии, что мы создадим новые частицы, мы определенно будем уважать наши существующие законы, прошедшие стресс-тестирование в самые экстремальные условия, которые мы когда-либо исследовали. Однако измерение свойств Хиггса гарантированно ответит на некоторые животрепещущие вопросы. [...] Фабрика Хиггса решительно ответит на этот вопрос посредством прецизионных измерений связи бозона Хиггса с рядом других частиц в очень чистой экспериментальной среде». Микела Массими, которая подчеркнула исследовательский потенциал будущих коллайдеров: «Физика высоких энергий является прекрасным примером другого типа прогрессивного мышления, в котором прогресс измеряется путем исключения возможностей существования путем исключения определенных физически мыслимых сценариев с высокой степенью достоверности (95%) и, таким образом, представляет собой пространство того, что может быть объективно возможно в природе. В 99,9% случаев физика развивается таким образом, а в остальное время кто-то получает Нобелевскую премию за открытие новой частицы».
== Исследования по линейным ускорителям ==
Была одобрена модернизация БАК высокой светимости [HL-LHC] для продления срока его эксплуатации до середины 2030-х годов. Обновление облегчит обнаружение редких процессов и улучшит статистические измерения.

Исследование «Цирковой коллайдер будущего» дополняет предыдущие исследования линейных коллайдеров. Компактный линейный коллайдер (CLIC) был запущен в ЦЕРНе в 1985 году. CLIC исследует возможность создания ускорителя лептонов (электронов/позитронов) высокой энергии (до 3 ТэВ) и высокой светимости.

Международный линейный ускоритель представляет собой проект, аналогичный CLIC, и, как ожидается, его энергия столкновения составит 500 ГэВ. Технический отчет был представлен в 2013 году. В 2013 году два исследования сформировали организационное партнерство Linear Collider Collaboration (LCC) для координации и продвижения глобальной разработки линейного коллайдера.

== Доказательства ==

Категория:ЦЕРН
Категория:Ускорители частиц

Подробнее: https://de.wikipedia.org/wiki/Future_Circular_Collider