China erwägt den Bau einer Super-Tau-Charm-Fabrik im Wert von 640 Millionen US-Dollar – Physics World

Wissenschaftler in China wollen einen neuen Elektron-Positron-Kollider bauen, um das Standardmodell der Teilchenphysik in beispielloser Detailliertheit zu testen und das Land an der Spitze der Präzisionsstudien zu Charm-Quarks und Tau-Leptonen zu halten. Im Falle einer Genehmigung könnte der Bau der 4.5 Milliarden Yuan (640 Millionen US-Dollar) teuren Super Tau-Charm Factory (STCF) in Hefei im Jahr 2026 beginnen. Der Betrieb würde dann etwa fünf Jahre später beginnen.

Der STCF gilt als natürlicher Nachfolger des Beijing Electron Positron Collider (BEPC), das 1990 eröffnet wurde. Es besteht aus rund 240 m unterirdischen Tunneln im Westen der Stadt, in denen Elektronen und Positronen zunächst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, bevor sie ineinander geschleudert werden, um eine Vielzahl subatomarer Teilchen zu erzeugen Partikel. Die Flugbahnen, Energien und elektrischen Ladungen werden dann vom Beijing Spectrometer (BES) aufgezeichnet, um die Reaktionsprozesse zu rekonstruieren.

Das BEPC hat im Energiebereich von 2–5 GeV eine Reihe wichtiger Entdeckungen gemacht, insbesondere in der Charm-Quark- und Tau-Lepton-Physik. 1996 nutzten Forscher beispielsweise den Collider, um Präzisionsmessungen der Masse des Tau-Partikels durchzuführen. Es wurde auch verwendet, um „exotische“ Teilchen zu untersuchen, die vier oder mehr Quarks enthalten.

An vorderster Front

Sowohl der Beschleuniger als auch das Spektrometer am BEPC wurden in den 2000er Jahren umfassend modernisiert und wurden zu dem, was heute als BEPC-II/BESIII bekannt ist. Der überarbeitete Collider wird voraussichtlich bis weit in die frühen 2030er Jahre hinein in Betrieb sein. Aufgrund des Standorts und des relativ kleinen Speicherrings wird es jedoch schwierig sein, weitere Leistungssteigerungen zu erzielen, weshalb Teilchenphysiker in China nun auf eine neue Maschine zurückgreifen.

Das erstmals 2011 vom Teilchenphysiker Zhao Guangda von der Universität Peking vorgeschlagene STCF wird ein ähnliches Design wie das BEPC haben, aber mehr als doppelt so groß sein. Sein Linearbeschleuniger wird 400 m lang sein, während die beiden Ringe zur Speicherung von Elektronen und Positronen jeweils einen Umfang von etwa 800 m haben werden. Mit neuen Beschleunigertechnologien und einem hochmodernen Spektrometer wird STCF mit einem Schwerpunktenergiebereich von 2–7 GeV und einer Spitzenleuchtkraft von mehr als 0.5 × 10 arbeiten³⁵ cm^-2/s, etwa 100-mal besser als BEPC-II.

„Das BEPC ist eine der fruchtbarsten und erfolgreichsten Forschungseinrichtungen, die China je gebaut hat“, sagt STCF-Chefwissenschaftler Zhao Zhengguo von der University of Science and Technology of China (USTC). „Doch im Vergleich zu [BEPC] wird STCF die Kollisionsraten um das bis zu Hundertfache erhöhen und eine völlig neue Energieregion eröffnen, die noch nie zuvor direkt untersucht wurde.“ Laut dem stellvertretenden Projektleiter Zheng Yangheng von der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wird das STCF in drei Tagen die gleiche Datenmenge sammeln, für deren Erfassung BESIII ein Jahr benötigt.

Damit lässt sich erstmals bestätigen, ob ein Tetraquark tatsächlich aus vier Quarks besteht. „Ich gehe davon aus, dass das STCF in der Lage sein wird, endgültige Messungen durchzuführen, um endlich die interne Quarkstruktur mehrerer exotischer Hadronen aufzudecken“, sagt er Ryan Mitchell von der Indiana University Bloomington, der Mitglied der BESIII-Kollaboration ist und das STCF-Konzeptdesign unterstützt. „Noch wichtiger ist, dass es uns auch helfen würde, besser zu verstehen, wie die starke Kraft funktioniert, um Quarks zusammenzubinden.“

Wir wissen einfach nicht, was uns in diesem Energiebereich erwartet

Ryan Mitchell, Indiana University Bloomington

Da der Energiebereich von 5–7 GeV noch nie zuvor mit einem Teilchenbeschleuniger erforscht wurde, wird der STCF die Tür zu unbekannten Gebieten und möglicherweise sogar zu neuer Physik jenseits des Standardmodells öffnen. „Wir wissen einfach nicht, was uns in diesem Energiebereich erwartet“, fügt Mitchell hinzu.

Um gut kontrollierte Kollisionen innerhalb des STCF zu erreichen, haben Zhao und sein Team Schlüsseltechnologien wie Hochleistungs-Elektronen- und Positronenquellen, supraleitende Magnete sowie solche zur hochpräzisen Messung und Manipulation der Strahlen entwickelt. „Jedes Elektron oder Positron soll den potenziellen Kollisionspunkt im Laufe seiner Lebensdauer millionenfach passieren“, sagt Shao Ming vom USTC, ein führender Physiker des Projekts. „Für unsere entworfene Leuchtkraft müssen wir sicherstellen, dass sie den Punkt mit einem Fehler von nicht mehr als ein paar hundert Nanometern trifft.“

Damit der STCF 100-mal leuchtender ist als der BEPC-II, muss sein Spektrometer die elektronischen Signale vom Detektor besser verarbeiten können. Zu diesem Zweck wurden Partnerschaften mit inländischen Unternehmen gepflegt. Dazu gehören Chip-, Sensor- und Halbleiterhersteller, die Komponenten herstellen können, die China aufgrund von Exportembargos nicht von westlichen Ländern kaufen kann. „Die Synergie hat sich für unser Projekt und für die Branche gut bewährt“, fügt STCF-Chefingenieur Yin Lixin vom Shanghai Advanced Research Institute hinzu.

Die nächste Generation

Während die Finanzierung weniger ein Problem darstellt als früher, da die Kommunalverwaltungen mehr Geld bereitstellen und der Unterbringung großer wissenschaftlicher Einrichtungen eine hohe Priorität einräumen, ist die STCF mit Konkurrenz konfrontiert. Einer stammt aus einer Higgs-Fabrik der nächsten Generation – dem Circular Electron Positron Collider (CEPC) – einem 100 km langen Ring, der mit viel höheren Energien betrieben wird, aber auch viel teurer ist.

Chinas führender Teilchenbeschleuniger steht vor einer umfassenden Modernisierung

Die CEPC strebt ebenfalls an, bis 2030 mit dem Bau zu beginnen, aber es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass beide grünes Licht erhalten. „Das STCF und das CEPC müssen nicht im Widerspruch stehen, da sie sehr unterschiedliche wissenschaftliche Erkenntnisse betreiben“, sagt Zhao. „Obwohl es weniger wahrscheinlich ist, dass die beiden Projekte gleichzeitig umgesetzt werden, könnte eine Verzögerung von einigen Jahren bei der Umsetzung die Chance erhöhen, dass beide Projekte irgendwann realisiert werden.“

Diskussionen darüber, welche Projekte für Chinas bevorstehenden 15. Fünfjahresplan, der von 2026 bis 2030 läuft, empfohlen werden sollten, haben in Chinas Hochenergiephysik-Community bereits begonnen. Während sowohl das STCF als auch das CEPC von China geleitet werden, verfügt das STCF bereits über etwa 500 Wissenschaftler von 74 Universitäten und Forschungsinstituten in Asien, Europa und den USA. Zhao räumt ein, dass es aufgrund geopolitischer Spannungen und anderer Faktoren eine Herausforderung darstellt, die STCF zu einer wirklich internationalen Initiative zu machen, ist jedoch zuversichtlich, dass diese nur minimale Auswirkungen haben werden.

„Wie alle Teilchenphysik-Experimente auf der Welt wird das STCF der globalen Teilchenphysik-Community dienen und wir heißen Kollegen mit unterschiedlichem Fachwissen herzlich willkommen, sich uns in Hefei anzuschließen“, fügt Zhao hinzu. „Das STCF wird es China ermöglichen, in den kommenden Jahrzehnten weiterhin weltweit führend in der Tau-Charm-Physik und verwandten Technologien zu sein – China steht endlich an der Spitze.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/china-mulls-plan-to-build-a-640m-super-tau-charm-factory/