Kina overvejer at bygge en Super Tau-Charm Factory - Physics World til $640 mio

Kina overvejer at bygge en Super Tau-Charm Factory - Physics World til $640 mio

Tidsstempel: 27. juli 2023 kl. 6

Forskere i Kina ønsker at bygge en Super Tau-Charm Factory til $640 millioner for at teste standardmodellen for partikelfysik og sætte landet i spidsen for præcisionsstudier. Ling Xin rapporter

BESIII på BEPC-anlægget i Kina
En for fremtiden Den foreslåede Super Tau-Charm Factory ville blive en efterfølger til Beijing Electron Positron Collider, som har været i drift siden 1990. (Courtesy: USTC)

Forskere i Kina ønsker at bygge en ny elektron-positron-kollider for at teste standardmodellen for partikelfysik i hidtil uset detalje og holde landet på forkant med præcisionsstudier af charme-kvarker og tau-leptoner. Hvis den godkendes, kan byggeriet af den 4.5 milliarder yuan ($640 mio.) Super Tau-Charm Factory (STCF) i Hefei begynde i 2026. Driften ville derefter starte omkring fem år senere.

STCF ses som en naturlig efterfølger til Beijing Electron Positron Collider (BEPC), som åbnede i 1990. Det består af omkring 240 m underjordiske tunneler i den vestlige del af byen, hvor elektroner og positroner først accelereres til tæt på lysets hastighed, før de bliver smadret ind i hinanden for at generere en række subatomare partikler. Banerne, energierne og de elektriske ladninger registreres derefter af Beijing Spectrometer (BES) for at rekonstruere reaktionsprocesserne.

Ved at arbejde i 2-5 GeV energiområdet har BEPC gjort en række vigtige opdagelser, især inden for charme-kvark og taulepton-fysik. I 1996 brugte forskere for eksempel kollideren til at udføre præcisionsmålinger på massen af ​​tau-partiklen. Det er også blevet brugt til at studere "eksotiske" partikler, der indeholder fire eller flere kvarker.

På forkant

Både acceleratoren og spektrometeret på BEPC gennemgik store opgraderinger i 2000'erne for at blive det, der i dag er kendt som BEPC-II/BESIII, hvor den fornyede kolliderer forventes at fungere langt ind i begyndelsen af ​​2030'erne. Dens placering og relativt lille lagerring betyder dog, at det bliver svært at opnå yderligere ydeevneforbedringer, hvorfor partikelfysikere i Kina nu vender sig til en ny maskine.

Først foreslået i 2011 af Peking University partikelfysiker Zhao Guangda, STCF vil have et lignende design som BEPC, men være mere end dobbelt så stort. Dens lineære accelerator bliver 400 m lang, mens de to ringe til lagring af elektroner og positroner hver vil være omkring 800 m i omkreds. Med nye acceleratorteknologier og et avanceret spektrometer vil STCF operere med et massecenterenergiområde på 2-7 GeV og med en maksimal lysstyrke på mere end 0.5 × 1035 cm-2/s, omkring 100 gange bedre end BEPC-II.

"BEPC er en af ​​de mest frugtbare og succesrige forskningsfaciliteter, Kina har bygget," siger STCF-chefforsker Zhao Zhengguo fra University of Science and Technology of China (USTC). "Alligevel vil STCF i forhold til [BEPC] øge kollisionsraterne med op til 100 gange og åbne op for en helt ny energiregion, som aldrig er blevet direkte undersøgt før." Ifølge projektets stedfortrædende chefforsker Zheng Yangheng fra University of the Chinese Academy of Sciences, vil STCF indsamle den samme mængde data på tre dage, som BESIII kræver et år at indsamle.

Dette vil gøre det muligt for første gang at bekræfte, om en tetraquark virkelig har fire kvarker. "Jeg forventer, at STCF ville være i stand til at foretage definitive målinger for endelig at afsløre den interne kvarkstruktur af flere eksotiske hadroner," siger Ryan Mitchell fra Indiana University Bloomington, som er medlem af BESIII-samarbejdet og understøtter STCF's konceptuelle design. "Vigtigere er det, det vil også hjælpe os med bedre at forstå, hvordan den stærke kraft arbejder for at binde kvarker sammen."

Vi ved bare ikke, hvad vi kan forvente i det energiområde

Ryan Mitchell, Indiana University Bloomington

Da 5-7 GeV energiområdet aldrig er blevet udforsket på nogen partikelkolliderer før, vil STCF åbne døren til ukendte territorier og muligvis endda ny fysik ud over standardmodellen. "Vi ved bare ikke, hvad vi kan forvente i det energiområde," tilføjer Mitchell.

For at opnå velkontrollerede kollisioner inde i STCF har Zhao og hans team udviklet nøgleteknologier såsom højeffekt elektron- og positronkilder, superledende magneter og dem til måling og manipulation af strålerne med høj præcision. "Hver elektron eller positron formodes at passere det potentielle kollisionspunkt millioner af gange i løbet af sin levetid," siger USTC's Shao Ming, en førende fysiker på projektet. "For vores designede lysstyrke skal vi sørge for, at den rammer punktet med ikke mere end et par hundrede nanometers fejl."

For at STCF skal være 100 gange mere lysende end BEPC-II, skal dens spektrometer være bedre til at håndtere elektroniske signaler fra detektoren. Til det formål er partnerskaber blevet fremmet med indenlandske virksomheder. Disse omfatter chip-, sensor- og halvlederproducenter, der kan skabe komponenter, som Kina ikke kan købe fra vestlige nationer på grund af eksportembargoer. "Synergien har fungeret godt for vores projekt og for industrien," tilføjer STCF-chefingeniør Yin Lixin fra Shanghai Advanced Research Institute.

Den næste generation

Mens finansiering er mindre af et problem, end det plejede at være, fordi lokale regeringer sætter flere penge og prioriterer vært for store videnskabsfaciliteter højt, står STCF over for konkurrence. Den ene er fra en næste-generations Higgs-fabrik – Circular Electron Positron Collider (CEPC) – en 100 km ring, der vil køre med meget højere energier, men også være meget dyrere.

CEPC sigter også mod at starte byggeriet i 2030, men det er fortsat en mulighed, at begge kan få grønt lys. "STCF og CEPC behøver ikke at være modstridende, fordi de laver meget forskellig videnskab," siger Zhao. "Selvom det er mindre sandsynligt, at de to projekter sker på samme tid, kan et par års hul i implementering øge chancen for, at begge bliver bygget i sidste ende."

Diskussioner om, hvilke projekter der skal anbefales til Kinas kommende 15. femårsplan, som løber fra 2026 til 2030, er allerede begyndt i Kinas højenergifysiske samfund. Mens både STCF og CEPC vil blive ledet af Kina, har STCF allerede omkring 500 videnskabsmænd fra 74 universiteter og forskningsinstitutter i Asien, Europa og USA. Zhao indrømmer, at det er en udfordring at gøre STCF til en virkelig international indsats på grund af geopolitiske spændinger og andre faktorer, men er positiv, at de vil have en minimal indvirkning.

"Som alle partikelfysiske eksperimenter i verden, vil STCF tjene det globale partikelfysiske samfund, og vi byder kolleger med forskellig ekspertise velkommen til at slutte sig til os i Hefei," tilføjer Zhao. "STCF vil give Kina mulighed for at fortsætte med at føre verden inden for tau-charm fysik og relaterede teknologier i de kommende årtier - Kina står endelig i front."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden