Pred kratkim je Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN) predstavila idejno zasnovo za krožni trkalnik prihodnosti (FCC), ki naj bi nadomestil Veliki hadronski trkalnik. Koncept predvideva oblikovanje 100 km dolgega predora v bližini Ženeve, v katerem je predvideno zaporedno postavljanje pospeševalnih obročev za delo s snopi različnih vrst: od elektronov do težkih jeder. Zakaj fiziki potrebujejo nov trkalnik, katere naloge bo rešil in kakšno vlogo imajo pri tem znanstveniki iz Rusije, je za RIA Novosti povedal udeleženec v projektu FCC, profesor Nacionalne raziskovalne jedrske univerze MEPhI (NRNU MEPhI) Vitaly Okorokov.
- Vitalij Aleksejevič, zakaj fiziki potrebujejo Future Ring Collider?- Projekt FCC je ena najpomembnejših točk nove izdaje Evropske strategije za fiziko delcev, ki se oblikuje danes. Znanstveniki iz Rusije sodelujejo v mednarodnih projektih na tem področju temeljne znanosti, tako v raziskavah na trkaljih kot v poskusih brez pospeševalnika. V sodobni fiziki svet elementarnih delcev opisuje tako imenovani standardni model - kvantna teorija polja, ki vključuje elektromagnetne, močne in šibke interakcije. Sestava temeljnih delcev v tem modelu je bila v celoti eksperimentalno potrjena z odkritjem Higgsovega bozona leta 2012 na Velikem hadronskem trkalniku (LHC). Vendar odgovori na številna pomembna vprašanja, na primer o naravi temne snovi, o pojavu asimetrije materije in antimaterije v opazovanem vesolju in tako naprej, ne spadajo v okvir standardnega modela. Znanstveniki načrtujejo nove, vedno močnejše komplekse za pospeševalnike, da bi našli rešitve za ključne težave v osnovni fiziki. - Katere naloge bo rešil Future Ring Collider? - To je merjenje parametrov standardnega modela z nedosegljivo natančnostjo, podrobna študija faznih prehodov in lastnosti snovi, ki poteka v zelo zgodnjem vesolju v ekstremnih pogojih, iskanje signalov nove fizike zunaj standardnega modela, vključno z delci temne snovi. Z vidika fizike je zelo zanimivo preučiti lastnosti močne interakcije pri ultralahkih energijah in razviti teorijo, ki jo opisuje - kvantno kromodinamiko.- Katere naloge bo rešil Future Ring Collider? - To je merjenje parametrov standardnega modela z nedosegljivo natančnostjo, podrobna študija faznih prehodov in lastnosti snovi, ki poteka v zelo zgodnjem vesolju v ekstremnih pogojih, iskanje signalov nove fizike zunaj standardnega modela, vključno z delci temne snovi. Z vidika fizike je zelo zanimivo preučiti lastnosti močne interakcije pri ultralahkih energijah in razviti teorijo, ki jo opisuje - kvantno kromodinamiko.- Katere naloge bo rešil Future Ring Collider? - To je meritev parametrov standardnega modela z nedosegljivo natančnostjo, podrobna študija faznih prehodov in lastnosti snovi, ki poteka v zelo zgodnjem vesolju v ekstremnih pogojih, iskanje signalov iz nove fizike zunaj standardnega modela, vključno z delci temne snovi. Z vidika fizike je zelo zanimivo preučiti lastnosti močne interakcije pri ultralahkih energijah in razviti teorijo, ki jo opisuje - kvantno kromodinamiko.zelo zanimivo je proučiti lastnosti močne interakcije pri ultralahkih energijah in razviti teorijo, ki jo opisuje - kvantno kromodinamiko.zelo zanimivo je proučiti lastnosti močne interakcije pri ultralahkih energijah in razviti teorijo, ki jo opisuje - kvantno kromodinamiko.- Kaj je bistvo te teorije?- V skladu z njim imajo delci, imenovani hadroni, na primer protoni in nevtroni, zapleteno notranjo strukturo, ki jo tvorijo kvarki in gluoni - temeljni delci Standardnega modela, ki sodelujejo v močnih interakcijah. Po obstoječih idejah so kvarki in gluoni zaprti v hadronih in tudi v ekstremnih pogojih so lahko navidezno prosti le na linearnih lestvicah velikosti atomskega jedra. To je ključna značilnost močne interakcije, ki jo je potrdilo veliko število eksperimentalnih in teoretičnih študij. Vendar mehanizem tega najpomembnejšega pojava - zaprtost kvarkov in gluonov (konfinacija) - še ni določen. Že nekaj desetletij je bil problem zaprtosti vedno vključen v vse vrste seznamov glavnih nerešenih problemov fundamentalne fizike. V okviru projekta FCC naj bi dobili nove eksperimentalne podatke in bistveno napredovali pri razumevanju lastnosti močnih interakcij, zlasti zaprtosti.- Katera orodja naj bi rešila te težave?- Za izvedbo obsežnega raziskovalnega programa se uporablja integrirani pristop, po katerem projekt FCC vključuje dve fazi. Prva stopnja "FCC-ee" vključuje ustvarjanje elektron-pozitronskega trkalnika z energijo žarka v območju od 44 do 182,5 gigaelektronvoltov. Na drugi stopnji se bodo izvedli poskusi FCC-hh na trkujočih se žarkih protonov in jeder. V tem primeru naj bi pospešili protone do energije 50 teraelektronvoltov in težkih jeder (svinca) - do 19,5 teraelektronvoltov. To je več kot sedemkrat večja energija, dosežena v najmočnejšem operacijskem kompleksu LHC. Načrtuje se, da ga bodo skupaj s celotno obstoječo infrastrukturo pridobili snopi pospešenih delcev, preden bodo vstavljeni v glavni 100-kilometrski obroč novega trkalnika FCC-hh. Zgradba zunanjega linearnega pospeševalnika elektronov z energijo 60 gigaelektronskih voltov bo omogočila izvedbo programa za podrobno preučevanje notranje strukture protona z uporabo globokega neelastičnega elektronsko-protonskega sipanja (FCC - eh).- Razvoj in izgradnja naprav na tej ravni traja desetletja. Kdaj se bo začela gradnja? Kdaj naj bi se dobili prvi znanstveni rezultati?- Če bo koncept sprejet, je začetek izvajanja celovitega programa FCC predviden okoli leta 2020. Izgradnja leptonskega trkalnika FCC-ee bo trajala približno 18 let, nadaljnje trajanje dela pa bo približno 15 let. Izkaže se, da bo trajanje prve stopnje približno 35 let. Med delovanjem FCC-ee se bo začela priprava druge faze projekta. V skladu s konceptom jo bodo v desetih letih po koncu operacije FCC-ee razstavili, postavili obroč hadronskega trkalnika in postavili detektorje. Pridobivanje novih podatkov za protonske in jedrske žarke je načrtovano za sredino leta 2060. Trajanje operacije FCC s protonskimi in jedrskimi žarki je načrtovano približno 25 let, skupno drugo obdobje pa približno 35 let. Tako se domneva, da se bodo poskusi na FCC nadaljevali do konca 21. stoletja. Ta projekt bo resnično globalen.
Kakšno vlogo igrajo znanstveniki iz Rusije, zlasti NRNU MEPhI, v projektu FCC?
- NRNU MEPhI skupaj z drugimi ruskimi organizacijami aktivno sodeluje pri projektu FCC in izvaja znanstveno delo tako za fizični program prihodnjih raziskav kot za pospeševalni kompleks.
Znanstveniki NRNU MEPhI so prispevali k konceptu FCC, zlasti v prvem zvezku, ki vsebuje opis splošnega fizikalnega programa za vse načrtovane vrste žarkov, in v tretjem zvezku, namenjenem raziskovanju protonskih in jedrskih žarkov (FCC - hh).
- Povejte nam podrobneje, prosim
- Kot že omenjeno, lahko pri izredno visokih temperaturah (sto tisočkrat višjih kot v središču Sonca) in energijski gostoti, kvarki in gluoni na jedrskih lestvicah postanejo navidezno prosti in tvorijo novo stanje snovi, ki se običajno imenuje kvark-gluonska plazma.
Trčenja protonov snopov in različnih jeder pri ultra visokih energijah trkalnika FCC-hh bodo omogočila raziskavo zlasti skupnih lastnosti kvark-gluonske snovi, ki nastanejo z medsebojnimi vplivi tako velikih sistemov (težka jedra) kot majhnih (protonski-protonski, protonski-jeder), zagotavljanje edinstvenih pogojev za preučevanje lastnosti stanj z več delci.
Načrtovan za FCC-hh pomemben v primerjavi z LHC povečanje energije in integralne svetilnosti žarkov odpira kakovostno nove možnosti za preučevanje na primer obnašanja najtežjih temeljnih delcev Standardnega modela - Higgsovega bozona (približno 125-krat težji od protona) in t-kvarka (težji od protona približno 175-krat) - v vroči in gosti kvarki-gluonski snovi, pa tudi njihova možna uporaba kot "sonde" za določitev lastnosti te snovi.
Promocijski video:
Poleti 2014 med razpravo na Inštitutu za visoko energijsko fiziko. A. A. Logunov iz Nacionalnega raziskovalnega središča "Kurchatov inštitut" je bil predstavljen predlog, da se Higgsovi bozoni uporabijo za preučevanje lastnosti kvark-gluonske snovi. Ta predlog je bil vključen kot ena izmed točk v programu raziskovanja s snopi težkih jeder na FCC. Po mojem mnenju je ta smer pomembna za fiziko močnih interakcij.
Dotaknili smo se samo nekaterih vidikov prihodnjih raziskav. Znanstveni program FCC je zelo obsežen, delo v okviru tega projekta pa še poteka.