Η Κίνα εξετάζει το σχέδιο για την κατασκευή ενός εργοστασίου Super Tau-Charm 640 εκατομμυρίων δολαρίων – Physics World

Η Κίνα εξετάζει το σχέδιο για την κατασκευή ενός εργοστασίου Super Tau-Charm 640 εκατομμυρίων δολαρίων – Physics World

Χρονική σήμανση: 27 Ιουλίου 2023 6:00 π.μ.

Ερευνητές στην Κίνα θέλουν να κατασκευάσουν ένα εργοστάσιο Super Tau-Charm 640 εκατομμυρίων δολαρίων για να δοκιμάσουν το Καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων και να θέσουν τη χώρα στην πρώτη γραμμή των μελετών ακριβείας. Λινγκ Σιν εκθέσεις

BESIII στις εγκαταστάσεις BEPC στην Κίνα
Ένα για το μέλλον Το προτεινόμενο εργοστάσιο Super Tau-Charm θα είναι διάδοχος του επιταχυντή ηλεκτρονίων ποζιτρονίων του Πεκίνου, ο οποίος λειτουργεί από το 1990. (Ευγενική προσφορά: USTC)

Επιστήμονες στην Κίνα θέλουν να κατασκευάσουν έναν νέο επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων για να δοκιμάσουν το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια και να διατηρήσουν τη χώρα στην πρώτη γραμμή των μελετών ακριβείας για τα κουάρκ γοητείας και τα λεπτόνια ταυ. Εάν εγκριθεί, η κατασκευή του εργοστασίου Super Tau-Charm (STCF) αξίας 4.5 δισεκατομμυρίων γιουάν (640 εκατομμυρίων δολαρίων) στο Χεφέι θα μπορούσε να ξεκινήσει το 2026. Στη συνέχεια, οι εργασίες θα ξεκινήσουν περίπου πέντε χρόνια αργότερα.

Το STCF θεωρείται φυσικός διάδοχος του Επιταχυντής ηλεκτρονίων ποζιτρονίων του Πεκίνου (BEPC), που άνοιξε το 1990. Αποτελείται από υπόγειες σήραγγες μήκους 240 μέτρων στα δυτικά της πόλης, όπου τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια αρχικά επιταχύνονται κοντά στην ταχύτητα του φωτός προτού συνθλιβούν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια ποικιλία υποατομικών σωματίδια. Οι τροχιές, οι ενέργειες και τα ηλεκτρικά φορτία καταγράφονται στη συνέχεια από το φασματόμετρο του Πεκίνου (BES) για την ανακατασκευή των διεργασιών αντίδρασης.

Δουλεύοντας στο ενεργειακό εύρος 2–5 GeV, το BEPC έχει κάνει μια σειρά από σημαντικές ανακαλύψεις, ειδικά στη φυσική κουάρκ γοητείας και ταυ λεπτονίων. Το 1996, για παράδειγμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον επιταχυντή για να πραγματοποιήσουν μετρήσεις ακριβείας στη μάζα του σωματιδίου ταυ. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη «εξωτικών» σωματιδίων που περιέχουν τέσσερα ή περισσότερα κουάρκ.

Στην πρώτη γραμμή

Τόσο ο επιταχυντής όσο και το φασματόμετρο στο BEPC υποβλήθηκαν σε σημαντικές αναβαθμίσεις τη δεκαετία του 2000 για να γίνουν αυτό που είναι γνωστό σήμερα ως BEPC-II/BESIII, με τον ανανεωμένο επιταχυντή να αναμένεται να λειτουργήσει μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030. Ωστόσο, η θέση του και ο σχετικά μικρός δακτύλιος αποθήκευσης σημαίνει ότι θα είναι δύσκολο να επιτευχθούν περαιτέρω βελτιώσεις στην απόδοση, γι' αυτό οι φυσικοί σωματιδίων στην Κίνα στρέφονται τώρα σε μια νέα μηχανή.

Προτάθηκε για πρώτη φορά το 2011 από τον σωματιδιακό φυσικό Zhao Guangda του Πανεπιστημίου του Πεκίνου, το STCF θα έχει παρόμοιο σχεδιασμό με το BEPC, αλλά θα είναι περισσότερο από το διπλάσιο του μεγέθους. Ο γραμμικός του επιταχυντής θα έχει μήκος 400 μέτρα, ενώ οι δύο δακτύλιοι για την αποθήκευση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων θα έχουν περίμετρο περίπου 800 μέτρα ο καθένας. Με νέες τεχνολογίες επιταχυντών και ένα υπερσύγχρονο φασματόμετρο, το STCF θα λειτουργεί με εύρος ενέργειας κέντρου μάζας 2–7 GeV και με μέγιστη φωτεινότητα μεγαλύτερη από 0.5 × 1035 cm-2/s, περίπου 100 φορές καλύτερο από το BEPC-II.

«Το BEPC είναι μια από τις πιο γόνιμες και επιτυχημένες ερευνητικές εγκαταστάσεις που έχει κατασκευάσει η Κίνα», λέει ο επικεφαλής επιστήμονας του STCF Zhao Zhengguo από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC). Ωστόσο, σε σύγκριση με το [BEPC], το STCF θα αυξήσει τα ποσοστά σύγκρουσης έως και 100 φορές και θα ανοίξει μια ολοκαίνουργια ενεργειακή περιοχή που δεν έχει μελετηθεί ποτέ απευθείας στο παρελθόν. Σύμφωνα με τον αναπληρωτή επικεφαλής επιστήμονα του έργου Zheng Yangheng από το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, το STCF θα συλλέξει τον ίδιο όγκο δεδομένων σε τρεις ημέρες, όπως το BESIII χρειάζεται ένα χρόνο για να συγκεντρώσει.

Αυτό θα καταστήσει δυνατό να επιβεβαιωθεί, για πρώτη φορά, εάν ένα τετρακουάρκ έχει πραγματικά τέσσερα κουάρκ. «Περιμένω ότι το STCF θα είναι σε θέση να κάνει οριστικές μετρήσεις για να αποκαλύψει τελικά την εσωτερική δομή κουάρκ αρκετών εξωτικών αδρονίων», λέει. Ράιαν Μίτσελ από το Indiana University Bloomington, που είναι μέλος της συνεργασίας BESIII και υποστηρίζει το εννοιολογικό σχέδιο STCF. «Το πιο σημαντικό, θα μας βοηθούσε επίσης να κατανοήσουμε καλύτερα πώς λειτουργεί η ισχυρή δύναμη για να συνδέει τα κουάρκ μεταξύ τους».

Απλώς δεν ξέρουμε τι να περιμένουμε σε αυτό το ενεργειακό εύρος

Ράιαν Μίτσελ, Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα Μπλούμινγκτον

Καθώς το εύρος ενέργειας 5–7 GeV δεν έχει διερευνηθεί ποτέ σε κανέναν επιταχυντή σωματιδίων, το STCF θα ανοίξει την πόρτα σε αχαρτογράφητες περιοχές και πιθανώς ακόμη και σε νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. «Απλώς δεν ξέρουμε τι να περιμένουμε σε αυτό το εύρος ενέργειας», προσθέτει ο Μίτσελ.

Για να επιτύχουν καλά ελεγχόμενες συγκρούσεις μέσα στο STCF, ο Zhao και η ομάδα του έχουν αναπτύξει βασικές τεχνολογίες όπως πηγές ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλής ισχύος, υπεραγώγιμους μαγνήτες και αυτούς για τη μέτρηση και το χειρισμό των δεσμών με υψηλή ακρίβεια. «Κάθε ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο υποτίθεται ότι περνά το δυνητικό σημείο σύγκρουσης εκατομμύρια φορές κατά τη διάρκεια της ζωής του», λέει ο Shao Ming του USTC, κορυφαίος φυσικός στο έργο. «Για τη σχεδιασμένη μας φωτεινότητα, πρέπει να βεβαιωθούμε ότι φτάνει στο σημείο με σφάλμα όχι περισσότερο από μερικές εκατοντάδες νανόμετρα».

Για να είναι το STCF 100 φορές πιο φωτεινό από το BEPC-II, το φασματόμετρο του θα πρέπει να είναι καλύτερο στο χειρισμό ηλεκτρονικών σημάτων από τον ανιχνευτή. Για το σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί συνεργασίες με εγχώριες εταιρείες. Σε αυτούς περιλαμβάνονται κατασκευαστές τσιπ, αισθητήρων και ημιαγωγών που μπορούν να δημιουργήσουν εξαρτήματα που η Κίνα δεν μπορεί να αγοράσει από δυτικές χώρες λόγω εμπάργκο εξαγωγών. «Η συνέργεια λειτούργησε καλά για το έργο μας και για τη βιομηχανία», προσθέτει ο επικεφαλής μηχανικός της STCF, Yin Lixin, από το Ινστιτούτο Προηγμένων Ερευνών της Σαγκάης.

Η επόμενη γενιά

Ενώ η χρηματοδότηση είναι λιγότερο πρόβλημα από ό,τι ήταν παλαιότερα, επειδή οι τοπικές κυβερνήσεις δίνουν περισσότερα χρήματα και δίνουν υψηλή προτεραιότητα στη φιλοξενία εγκαταστάσεων μεγάλης επιστήμης, το STCF αντιμετωπίζει ανταγωνισμό. Το ένα είναι από ένα εργοστάσιο Higgs επόμενης γενιάς – ο Επιταχυντής Ποζιτρονίων Κυκλικών Ηλεκτρονίων (CEPC) – ένας δακτύλιος μήκους 100 χιλιομέτρων που θα λειτουργεί με πολύ υψηλότερες ενέργειες αλλά θα είναι και πολύ πιο δαπανηρός.

Η CEPC στοχεύει επίσης να ξεκινήσει την κατασκευή έως το 2030, αλλά παραμένει μια πιθανότητα και οι δύο να έχουν το πράσινο φως. «Το STCF και το CEPC δεν χρειάζεται να είναι αντιφατικά επειδή κάνουν πολύ διαφορετική επιστήμη», λέει ο Zhao. «Αν και τα δύο έργα είναι λιγότερο πιθανό να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα, η διαφορά μερικών ετών στην υλοποίηση μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα να κατασκευαστούν και τα δύο τελικά».

Οι συζητήσεις σχετικά με τα έργα που πρέπει να προτείνουμε για το επερχόμενο 15ο πενταετές σχέδιο της Κίνας, το οποίο διαρκεί από το 2026 έως το 2030, έχουν ήδη ξεκινήσει στην κοινότητα της φυσικής υψηλής ενέργειας της Κίνας. Ενώ τόσο η STCF όσο και η CEPC θα διευθύνονται από την Κίνα, η STCF έχει ήδη περίπου 500 επιστήμονες από 74 πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα στην Ασία, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Ο Ζάο παραδέχεται ότι είναι πρόκληση να γίνει η STCF μια πραγματικά διεθνής προσπάθεια λόγω γεωπολιτικών εντάσεων και άλλων παραγόντων, αλλά είναι θετικό ότι θα έχουν ελάχιστο αντίκτυπο.

«Όπως όλα τα πειράματα σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο, το STCF θα εξυπηρετήσει την παγκόσμια κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής και καλωσορίζουμε συναδέλφους με διαφορετική τεχνογνωσία να συμμετάσχουν στο Hefei», προσθέτει ο Zhao. «Το STCF θα επιτρέψει στην Κίνα να συνεχίσει να ηγείται του κόσμου στη φυσική γοητείας ταυ και τις σχετικές τεχνολογίες για τις επόμενες δεκαετίες – η Κίνα στέκεται επιτέλους στην πρώτη γραμμή».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής