Kürzlich hat die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) ein Konzept für den Future Circular Collider (FCC) vorgestellt, der den Large Hadron Collider ersetzen soll. Das Konzept sieht die Schaffung eines 100 km langen Tunnels in der Nähe von Genf vor, in dem nacheinander Beschleunigerringe platziert werden sollen, um mit Strahlen verschiedener Typen zu arbeiten: von Elektronen bis zu schweren Kernen. Warum brauchen Physiker einen neuen Collider, welche Aufgaben er lösen wird und welche Rolle Wissenschaftler aus Russland dabei spielen, sagte Vitaly Okorokov, Teilnehmer am FCC-Projekt, Professor an der Nationalen Forschungsnuklearuniversität MEPhI (NRNU MEPhI), gegenüber dem Korrespondenten der RIA Novosti.
- Vitaly Alekseevich, warum brauchen Physiker den Future Ring Collider?- Das FCC-Projekt ist einer der wichtigsten Punkte der neuen Ausgabe der Europäischen Strategie für Teilchenphysik, die heute ausgearbeitet wird. Wissenschaftler aus Russland beteiligen sich an internationalen Projekten auf diesem Gebiet der Grundlagenforschung, sowohl an der Forschung an Kollidern als auch an Experimenten ohne Beschleuniger. In der modernen Physik wird die Welt der Elementarteilchen durch das sogenannte Standardmodell beschrieben - die Quantenfeldtheorie, die elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkungen umfasst. Die Zusammensetzung der Grundpartikel in diesem Modell wurde mit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 am Large Hadron Collider (LHC) vollständig experimentell bestätigt. Antworten auf viele wichtige Fragen, beispielsweise zur Natur der Dunklen Materie, zur Entstehung einer Asymmetrie von Materie und Antimaterie im beobachtbaren Universum usw., liegen jedoch außerhalb des Rahmens des Standardmodells. Um Lösungen für Schlüsselprobleme in der Grundlagenphysik zu finden, entwerfen Wissenschaftler neue, immer leistungsfähigere Beschleunigerkomplexe. - Welche Aufgaben wird der Future Ring Collider lösen? - Dies ist die Messung der Parameter des Standardmodells mit einer unerreichbaren Genauigkeit zuvor, eine detaillierte Untersuchung der Phasenübergänge und Eigenschaften der Materie im sehr frühen Universum unter extremen Bedingungen, die Suche nach Signalen neuer Physik außerhalb des Standardmodells, einschließlich Teilchen der dunklen Materie. Aus physikalischer Sicht ist es sehr interessant, die Eigenschaften starker Wechselwirkungen bei ultrahohen Energien zu untersuchen und eine Theorie zu entwickeln, die sie beschreibt - die Quantenchromodynamik.- Welche Aufgaben wird der Future Ring Collider lösen? - Dies ist die Messung der Parameter des Standardmodells mit einer unerreichbaren Genauigkeit zuvor, eine detaillierte Untersuchung der Phasenübergänge und Eigenschaften der Materie im sehr frühen Universum unter extremen Bedingungen, die Suche nach Signalen neuer Physik außerhalb des Standardmodells, einschließlich Teilchen der dunklen Materie. Aus physikalischer Sicht ist es sehr interessant, die Eigenschaften starker Wechselwirkungen bei ultrahohen Energien zu untersuchen und eine Theorie zu entwickeln, die sie beschreibt - die Quantenchromodynamik.- Welche Aufgaben wird der Future Ring Collider lösen? - Dies ist die Messung der Parameter des Standardmodells mit einer unerreichbaren Genauigkeit zuvor, eine detaillierte Untersuchung der Phasenübergänge und Eigenschaften der Materie im sehr frühen Universum unter extremen Bedingungen, die Suche nach Signalen neuer Physik außerhalb des Standardmodells, einschließlich Teilchen der dunklen Materie. Aus physikalischer Sicht ist es sehr interessant, die Eigenschaften starker Wechselwirkungen bei ultrahohen Energien zu untersuchen und eine Theorie zu entwickeln, die sie beschreibt - die Quantenchromodynamik. Es ist sehr interessant, die Eigenschaften starker Wechselwirkungen bei ultrahohen Energien zu untersuchen und eine Theorie zu entwickeln, die sie beschreibt - die Quantenchromodynamik. Es ist sehr interessant, die Eigenschaften starker Wechselwirkungen bei ultrahohen Energien zu untersuchen und eine Theorie zu entwickeln, die sie beschreibt - die Quantenchromodynamik.- Was ist das Wesentliche dieser Theorie?- Demnach haben Teilchen, die Hadronen genannt werden, zum Beispiel Protonen und Neutronen, eine komplexe innere Struktur, die aus Quarks und Gluonen besteht - den grundlegenden Teilchen des Standardmodells, die an starken Wechselwirkungen beteiligt sind. Nach bestehenden Konzepten sind Quarks und Gluonen in Hadronen eingeschlossen und können selbst unter extremen Bedingungen nur auf linearen Skalen in der Größenordnung eines Atomkerns quasi frei sein. Dies ist ein Schlüsselmerkmal einer starken Wechselwirkung, die durch eine Vielzahl von experimentellen und theoretischen Studien bestätigt wurde. Der Mechanismus dieses wichtigsten Phänomens - der Einschluss von Quarks und Gluonen (Einschluss) - wurde jedoch noch nicht bestimmt. Seit mehreren Jahrzehnten ist das Problem der Beschränkung ausnahmslos in allen möglichen Listen der wichtigsten ungelösten Probleme der Grundlagenphysik enthalten. Im Rahmen des FCC-Projekts ist geplant, neue experimentelle Daten zu erhalten und das Verständnis der Eigenschaften starker Wechselwirkungen, insbesondere des Einschlusses, erheblich zu verbessern.- Welche Tools sollen diese Probleme lösen?- Mit einem integrierten Ansatz wird ein umfangreiches Forschungsprogramm durchgeführt, nach dem das FCC-Projekt zwei Phasen umfasst. In der ersten Stufe "FCC-ee" wird ein Elektron-Positron-Kollider mit einer Strahlenergie im Bereich von 44 bis 182,5 Gigaelektronvolt erzeugt. In der zweiten Stufe werden "FCC-hh" -Experimente an kollidierenden Strahlen von Protonen und Kernen durchgeführt. In diesem Fall soll es Protonen auf eine Energie von 50 Teraelektronvolt und schweren Kernen (Blei) beschleunigen - bis zu 19,5 Teraelektronvolt. Dies ist mehr als das Siebenfache der Energien, die im leistungsstärksten Betriebskomplex des LHC erzielt werden. Es ist geplant, es zusammen mit der gesamten vorhandenen Infrastruktur zu nutzen, um Strahlen beschleunigter Partikel zu erhalten, bevor sie in den 100-Kilometer-Hauptring des neuen FCC-hh-Kolliders eingeführt werden. Der Aufbau eines externen linearen Elektronenbeschleunigers mit einer Energie von 60 Gigaelektronvolt ermöglicht die Implementierung eines Programms zur detaillierten Untersuchung der inneren Struktur eines Protons mithilfe der tiefen inelastischen Elektronen-Protonen-Streuung (FCC - eh).- Die Entwicklung und der Bau von Anlagen dieser Ebene dauern Jahrzehnte. Wann beginnen die Bauarbeiten? Wann werden die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse erwartet?- Wenn das Konzept angenommen wird, ist der Beginn der Umsetzung des FCC-Integralprogramms um 2020 geplant. Der Bau des FCC-ee Lepton Colliders wird ungefähr 18 Jahre dauern, mit einer anschließenden Arbeitsdauer von ungefähr 15 Jahren. Es stellt sich heraus, dass die Dauer der ersten Stufe etwa 35 Jahre betragen wird. Während des Betriebs der FCC-ee beginnt die Vorbereitung der zweiten Phase des Projekts. Entsprechend dem Konzept wird es innerhalb von zehn Jahren nach dem Ende des FCC-ee-Betriebs abgebaut, der Hadron-Kolliderring wird aufgestellt und Detektoren werden installiert. Die Erlangung neuer Daten für Protonen- und Kernstrahlen ist für Mitte 2060 geplant. Die Dauer des FCC-Betriebs mit Protonen- und Kernstrahlen ist für etwa 25 Jahre geplant, und die Gesamtdauer der zweiten Stufe beträgt etwa 35 Jahre. Daher wird davon ausgegangen, dass die Experimente an der FCC bis zum Ende des 21. Jahrhunderts fortgesetzt werden. Dieses Projekt wird wirklich global sein.
Welche Rolle spielen insbesondere Wissenschaftler aus Russland, insbesondere vom NRNU MEPhI, im FCC-Projekt?
- NRNU MEPhI beteiligt sich zusammen mit anderen russischen Organisationen aktiv am FCC-Projekt und führt wissenschaftliche Arbeiten sowohl für das physikalische Programm der zukünftigen Forschung als auch für den Beschleunigerkomplex durch.
Wissenschaftler des NRNU MEPhI leisteten einen Beitrag zum FCC-Konzept, insbesondere im ersten Band, der eine Beschreibung des allgemeinen physikalischen Programms für alle geplanten Strahlentypen enthält, und im dritten Band, der der Forschung mit Protonen- und Kernstrahlen (FCC - hh) gewidmet ist.
- Sagen Sie es uns bitte genauer
- Wie oben erwähnt, können Quarks und Gluonen bei extrem hohen Temperaturen (hunderttausende Male höher als im Zentrum der Sonne) und Energiedichten auf nuklearen Skalen quasi frei werden und einen neuen Materiezustand bilden, der üblicherweise als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet wird.
Kollisionen von Protonenstrahlen und verschiedenen Kernen bei ultrahohen Energien des FCC-hh-Kolliders ermöglichen es, insbesondere die kollektiven Eigenschaften von Quark-Gluon-Materie zu untersuchen, die bei Wechselwirkungen zwischen großen Systemen (schwere Kerne) und kleinen (Proton-Proton, Proton-Kern) gebildet werden. Bereitstellung einzigartiger Bedingungen für die Untersuchung der Eigenschaften von Vielteilchenzuständen.
Die für FCC-hh geplante, im Vergleich zum LHC signifikante Steigerung der Energie und der integralen Leuchtkraft von Strahlen eröffnet qualitativ neue Möglichkeiten, um beispielsweise das Verhalten der schwersten Grundpartikel des Standardmodells zu untersuchen - des Higgs-Bosons (etwa 125-mal schwerer als ein Proton) und eines t-Quarks (etwa 175-mal schwerer als ein Proton) - in heißer und dichter Quark-Gluon-Materie sowie deren mögliche Verwendung als "Sonden" zur Bestimmung der Eigenschaften dieser Materie.
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Im Sommer 2014 während einer Diskussion am Institut für Hochenergiephysik. A. A. Logunov vom Nationalen Forschungszentrum "Kurchatov Institute" wurde ein Vorschlag unterbreitet, die Higgs-Bosonen zur Untersuchung der Eigenschaften von Quark-Gluon-Materie zu verwenden. Dieser Vorschlag wurde als einer der Punkte in das Forschungsprogramm mit Strahlen schwerer Kerne an der FCC aufgenommen. Meiner Meinung nach ist diese Richtung für die Physik starker Wechselwirkungen von erheblichem Interesse.
Wir haben nur einige Aspekte der zukünftigen Forschung angesprochen. Das wissenschaftliche Programm der FCC ist sehr umfangreich und die Arbeiten im Rahmen dieses Projekts dauern an.
