Το πάνελ "P5" των Αμερικανών φυσικών σωματιδίων λέει ότι οι εργασίες για την ανάπτυξη ενός μελλοντικού επιταχυντή μιονίων θα μπορούσαν να επιτρέψουν στις ΗΠΑ να ανακτήσουν τα "ενεργειακά σύνορα", καθώς Μιχάλης Άλεν αποκαλύπτει
Οι ΗΠΑ θα πρέπει να διερευνήσουν την κατασκευή ενός επιταχυντή μιονίων και να επιδιώξουν «επιθετική» έρευνα και ανάπτυξη στις τεχνολογίες που απαιτούνται για μια τέτοια εγκατάσταση. Αυτό είναι το συμπέρασμα μιας επιτροπής υψηλού προφίλ Αμερικανών και διεθνών σωματιδιακών φυσικών μετά από ένα χρόνο συναντήσεων για να συζητηθεί το μέλλον της αμερικανικής έρευνας στη φυσική υψηλής ενέργειας. Οι επιστήμονες αναγνωρίζουν, ωστόσο, ότι θα πρέπει να ξεπεραστούν σημαντικές τεχνικές προκλήσεις για να κατασκευαστεί ένας επιταχυντής μιονίων.
Η πιθανή ανάπτυξη μιας εγκατάστασης μιονίων είναι μέρος ενός μακροπρόθεσμου, 20ετούς οράματος για τη σωματιδιακή φυσική που κυκλοφόρησε στις αρχές Δεκεμβρίου από το Πίνακα Προτεραιότητας του Προγράμματος Σωματιδίων Φυσικής ή P5 (βλ. πλαίσιο παρακάτω). Από το 2003 το P5 συνεδριάζει κάθε δεκαετία για να αξιολογεί μεγάλα και μεσαίου μεγέθους ερευνητικά έργα φυσικής. Στη συνέχεια διαβιβάζει τις συστάσεις του σε φορείς χρηματοδότησης όπως το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
Μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012 στο CERN Large Hadron Collider, οι φυσικοί των σωματιδίων άρχισαν να σχεδιάζουν να χτίσουν ένα λεγόμενο εργοστάσιο Higgs που θα συγκρούονταν τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια για να επιτρέψουν πιο λεπτομερή έρευνα των ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs και άλλων σωματιδίων. Μερικά από αυτά τα σχέδια απαιτούν μια σήραγγα μήκους 90 km που θα συγκρούονταν πρώτα ηλεκτρόνια με ποζιτρόνια στα μέσα της δεκαετίας του 2040 προτού επαναχρησιμοποιηθεί αργότερα αυτόν τον αιώνα ως μηχανή πρωτονίων-πρωτονίων 100 TeV για αναζήτηση νέας φυσικής.
Ωστόσο, η μετάβαση σε αυτές τις ενέργειες – και ενδεχομένως ακόμη υψηλότερες – είναι περίπλοκη. Σε ενέργειες που πλησιάζουν το 1 TeV σε έναν κυκλικό επιταχυντή, τα ηλεκτρόνια χάνουν πολλή ενέργεια μέσω της ακτινοβολίας σύγχροτρον. Αυτό δεν είναι τέτοιο πρόβλημα για τα πρωτόνια, αλλά για να φτάσουμε σε ενέργειες υψηλότερες από 100 TeV απαιτεί έναν ακόμη μεγαλύτερο δακτύλιο από 90 km και πιθανότατα θα χρειαζόταν και νέες τεχνολογίες. Μια εναλλακτική επιλογή είναι η σύγκρουση μιονίων - ξαδέρφια ηλεκτρονίων που είναι 200 φορές βαρύτερα. Δεδομένου ότι τα μιόνια είναι πολύ βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, η απώλεια ενέργειας θα ήταν λιγότερο πρόβλημα σε έναν επιταχυντή μιονίων.
Daniel Schulte, επικεφαλής μελέτης του Διεθνής Συνεργασία Muon Collider, ο οποίος δεν ήταν στην επιτροπή P5, λέει ότι η ακτινοβολία σύγχροτρον «μειώνεται κατά περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο» σε έναν επιταχυντή μιονίων. «[Μουόνια] είναι ενδιαφέροντα επειδή θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν [ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια] άμεσα και η ύπαρξη ενός επιταχυντή μιονίων 10 TeV ισοδυναμεί περίπου με έναν επιταχυντή πρωτονίων 100 TeV από την άποψη της φυσικής εμβέλειας», λέει ο Schulte του οποίου η συνεργασία αποτελείται από περισσότερα από 60 ινστιτούτα. , συμπεριλαμβανομένου του CERN, που καταρτίζουν ένα σχέδιο για μια προηγμένη εγκατάσταση μιονίων. Οποιαδήποτε μελλοντική εγκατάσταση μιονίων θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι πολύ πιο συμπαγής και ίσως φθηνότερη στην κατασκευή - ένας επιταχυντής μιονίων με την ίδια εμβέλεια όπως ένας επιταχυντής πρωτονίων 100 TeV θα χωρούσε στην υπάρχουσα τοποθεσία του Fermilab, για παράδειγμα.
Οι φυσικοί του CERN συναντώνται στο Λονδίνο για να σχεδιάσουν μελλοντικά σχέδια επιταχυντών
Αναφερόμενος σε αυτό ως «το δικό μας πυροβολισμό μιονίων», η επιτροπή P5 δηλώνει ότι ένα πρόγραμμα επιταχυντή μιονίων θα ταίριαζε με τη φιλοδοξία των ΗΠΑ να φιλοξενήσει μια μεγάλη διεθνή εγκατάσταση επιταχυντή, επιτρέποντάς της να ηγηθεί των παγκόσμιων προσπαθειών για την κατανόηση της θεμελιώδους φύσης του σύμπαντος. Το πάνελ P5 συνιστά τώρα στις ΗΠΑ να κατασκευάσουν μεγάλες εγκαταστάσεις δοκιμών και επίδειξης για έναν τόσο προηγμένο επιταχυντή εντός της επόμενης δεκαετίας. Η έκθεση συνιστά επίσης να συμμετάσχουν οι ΗΠΑ στη Διεθνή Συνεργασία Muon Collider και «να αναλάβουν ηγετικό ρόλο στον καθορισμό ενός σχεδίου αναφοράς».
Karsten Heeger, είπε ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ που είναι συμπροεδρεύων του P5 Κόσμος Φυσικής ότι η σύσταση του επιταχυντή μιονίων προήλθε από την επιθυμία να σκεφτούμε το μακροπρόθεσμο μέλλον της σωματιδιακής φυσικής στις ΗΠΑ, πέρα από την τρέχουσα συγκομιδή προγραμματισμένων και αναπτυσσόμενων έργων. Σύμφωνα με τον Heeger, αυτή η σύσταση έρευνας και ανάπτυξης έχει προκαλέσει «πολύ ενθουσιασμό» στην κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής των ΗΠΑ, ιδιαίτερα μεταξύ των νεότερων επιστημόνων. «Αισθάνονται ότι το να μπορούν να επιδιώξουν Ε&Α για να σκεφτούν μια μελλοντική εγκατάσταση επιταχυντή είναι πραγματικά συναρπαστικό, ειδικά αν μπορούμε να το φιλοξενήσουμε στις ΗΠΑ», προσθέτει.
Προκλήσεις μπροστά
Ένας επιταχυντής μιονίων, ωστόσο, αντιμετωπίζει μεγάλες τεχνικές προκλήσεις και θα περάσουν δεκαετίες μέχρι να ληφθεί οποιαδήποτε απόφαση για την κατασκευή ενός. Ένα πρόβλημα με τα μιόνια είναι ότι διασπώνται σε μόλις 2.2 μικροδευτερόλεπτα κατά τη διάρκεια των οποίων θα έπρεπε να συλληφθούν, να ψυχθούν και να επιταχυνθούν. «Πραγματικά ωθεί τα τεχνικά σύνορα σε όλα τα στοιχεία», λέει ο Heeger. «Η ανάπτυξη του μαγνήτη, η τεχνολογία επιτάχυνσης, η εστίαση της δέσμης. όλα αυτά τα πράγματα θα είναι εξαιρετικά σημαντικά και πρέπει να βελτιωθούν σε σχέση με το πού βρίσκονται τα πράγματα τώρα», προσθέτει.
Ο Schulte συμφωνεί ότι αν δεν υπήρχε η περιορισμένη διάρκεια ζωής του μιονίου, ένας επιταχυντής μιονίων θα ήταν «απευθείας». Λέει ότι μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις θα είναι η ανάπτυξη της απαιτούμενης τεχνολογίας μαγνητών. Για παράδειγμα, όταν τα μιόνια έχουν παραχθεί από συγκρούσεις πρωτονίων, θα χρειαστούν υπεραγώγιμοι μαγνήτες υψηλής θερμοκρασίας για να κρυώσουν και να επιβραδυνθούν. Και αυτή η τεχνολογία θα πρέπει να συμπιεστεί σε ένα μικροσκοπικό χώρο για να μειωθεί η απώλεια μιονίων. Στη συνέχεια, θα χρειαστούν μαγνήτες υψηλής ταχύτητας που μπορούν να ανακυκλωθούν πολύ γρήγορα για να επιταχύνουν τη δέσμη μιονίων.
Φυσική υψηλής ενέργειας: τελειώνουν οι μέρες της διεθνούς συνεργασίας;
Το πρόβλημα είναι ότι μεγάλο μέρος αυτής της τεχνολογίας δεν υπάρχει ακόμη ή βρίσκεται στα σπάργανα. Παρά αυτές τις προκλήσεις, ο Heeger είναι πεπεισμένος ότι θα μπορούσε να κατασκευαστεί ένας επιταχυντής μιονίων: «Οι φυσικοί των σωματιδίων και οι φυσικοί επιταχυντών έχουν δείξει απίστευτη εφευρετικότητα τα τελευταία χρόνια και δεκαετίες, και έτσι είμαι αισιόδοξος», λέει. Αλλά ακόμα κι αν μια τέτοια εγκατάσταση δεν είναι εφικτή, η εργασία προς αυτήν θα βασιστεί στις τρέχουσες δυνάμεις των ΗΠΑ στη σωματιδιακή φυσική και θα τροφοδοτήσει βελτιώσεις στις εγκαταστάσεις δέσμης πρωτονίων και νετρίνων. Πιθανότατα θα είχε επίσης ευρύ όφελος για την κοινωνία, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ιατρικών ισοτόπων, της επιστήμης των υλικών και της πυρηνικής φυσικής, οπότε ο Heeger πιστεύει ότι θα ήταν μια «επένδυση που ξοδεύτηκε σωστά».
Η ανάπτυξη υπεραγώγιμων μαγνητών υψηλής θερμοκρασίας, για παράδειγμα, θα είχε σημαντικές επιπτώσεις πέρα από τη σωματιδιακή φυσική. Θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης και μπορεί να βελτιώσουν την απόδοση των ανεμογεννητριών. Ο Schulte πιστεύει επίσης ότι η εργασία προς έναν επιταχυντή μιονίων θα προσφέρει σημαντικά οφέλη όταν πρόκειται για την εκπαίδευση της επόμενης γενιάς επιστημόνων. «Αυτό είναι ένα υπέροχο έργο γιατί τα πράγματα είναι νέα, υπάρχει χώρος για εφευρέσεις, για δημιουργικότητα, το πνεύμα είναι πολύ διαφορετικό από ένα έργο που κάνει ξανά κάτι που κάναμε στο παρελθόν με μεγαλύτερο τρόπο», προσθέτει.
Σχεδιάζοντας τη μελλοντική πορεία της σωματιδιακής φυσικής των ΗΠΑ
Η αναφορά του P5 - Μονοπάτια προς την Καινοτομία και την Ανακάλυψη στη Φυσική των Σωματιδίων – βασίζεται στα αποτελέσματα μιας διάσκεψης Snowmass, η οποία συγκέντρωσε σωματιδιακούς φυσικούς και κοσμολόγους από όλο τον κόσμο στο Σιάτλ για 10 ημέρες τον Ιούλιο του 2022 για να συζητήσουν τις ερευνητικές προτεραιότητες και τα μελλοντικά πειράματα. Η έκθεση P5 στοχεύει στη δημιουργία ενός ερευνητικού χαρτοφυλακίου που μελετά σχεδόν όλα τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος και τις αλληλεπιδράσεις τους, καλύπτοντας τόσο το κοσμικό παρελθόν όσο και το μέλλον.
Όσον αφορά τα υφιστάμενα έργα, η κορυφαία προτεραιότητα της επιτροπής P5 είναι η ολοκλήρωση της αναβάθμισης υψηλής φωτεινότητας στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN καθώς και η πρώτη φάση του Βαθύ υπόγειο πείραμα νετρίνων (DUNE) στο Lead της Νότιας Ντακότα, το οποίο θα μελετήσει μια δέσμη νετρίνων υψηλής ενέργειας που παράγεται στο Fermilab καθώς ταξιδεύουν 1280 km μέσω της Γης. Το DUNE πρόκειται να αρχίσει να λειτουργεί γύρω στο 2030. Άλλες συνιστώμενες προτεραιότητες περιλαμβάνουν το Σχέδιο Βελτίωσης Πρωτονίων II της Fermilab και το Παρατηρητήριο Vera Rubin στη Χιλή, το οποίο αναμένει το πρώτο φως το 2025 και θα πραγματοποιήσει μια 10ετή έρευνα του νότιου ουρανού.
Άλλες συστάσεις περιλαμβάνουν το CMB-S4 πείραμα – μια σειρά από επίγεια τηλεσκόπια, που βρίσκονται στο Νότιο Πόλο και στην έρημο Ατακάμα της Χιλής που θα παρατηρούσε το κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων για να διερευνήσει τις φυσικές διεργασίες στο σύμπαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το P5 συνιστά επίσης τη συνεργασία των ΗΠΑ με διεθνείς εταίρους σε ένα εργοστάσιο Higgs. ένα πείραμα άμεσης ανίχνευσης σκοτεινής ύλης επόμενης γενιάς. και το παρατηρητήριο IceCube-Gen2, το οποίο θα προσφέρει 10πλάσια βελτίωση στην ευαισθησία στα κοσμικά νετρίνα σε σχέση με το σημερινό παρατηρητήριο IceCube στο Νότιο Πόλο.
«Προσπαθήσαμε να επιτύχουμε μια ισορροπία μεταξύ της εκτέλεσης του τρέχοντος προγράμματος, της έναρξης νέων έργων και της δημιουργίας των βάσεων όσον αφορά την Ε&Α για το μέλλον», λέει ο συμπρόεδρος του P5, Karsten Heeger. Προσθέτει ότι ήταν σημαντικό να εξεταστεί τι ακολουθεί μετά από έργα όπως το εργοστάσιο Higgs και η ολοκλήρωση του DUNE για τη σωματιδιακή φυσική καθώς και για την επόμενη γενιά επιστημόνων στις ΗΠΑ. «Αν εστιάσουμε πλήρως αυτή τη στιγμή μόνο στην εκτέλεση των έργων που βρίσκονται σε εξέλιξη, τότε μπορεί να βρεθούμε σε 10-15 χρόνια να μην έχουμε θέσει τις βάσεις για αυτό που ακολουθεί», λέει.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/
