China analiza un plan para construir una fábrica Super Tau-Charm de $ 640 millones – Physics World

China analiza un plan para construir una fábrica Super Tau-Charm de $ 640 millones – Physics World

Marca de tiempo: 27 de julio de 2023 6:00 a. M.

Investigadores en China quieren construir una fábrica Super Tau-Charm de $ 640 millones para probar el modelo estándar de física de partículas y poner al país a la vanguardia de los estudios de precisión. Ling Xin informes

BESIII en las instalaciones de BEPC en China
Uno para el futuro La Super Tau-Charm Factory propuesta sería la sucesora del Colisionador de Electrones y Positrones de Beijing, que ha estado en funcionamiento desde 1990. (Cortesía: USTC)

Los científicos en China quieren construir un nuevo colisionador de electrones y positrones para probar el modelo estándar de física de partículas con un detalle sin precedentes y mantener al país a la vanguardia de los estudios de precisión sobre los quarks encanto y los leptones tau. Si se aprueba, la construcción de la fábrica Super Tau-Charm Factory (STCF) de 4.5 millones de yuanes (640 millones de dólares) en Hefei podría comenzar en 2026. Las operaciones comenzarían unos cinco años después.

El STCF es visto como un sucesor natural del Colisionador de electrones y positrones de Beijing (BEPC), que se inauguró en 1990. Consiste en unos 240 m de túneles subterráneos en el oeste de la ciudad, donde los electrones y los positrones se aceleran primero hasta casi la velocidad de la luz antes de chocar entre sí para generar una variedad de partículas subatómicas. partículas El espectrómetro de Beijing (BES) registra las trayectorias, las energías y las cargas eléctricas para reconstruir los procesos de reacción.

Trabajando en el rango de energía de 2 a 5 GeV, el BEPC ha realizado una serie de descubrimientos importantes, especialmente en la física de quarks charm y leptones tau. En 1996, por ejemplo, los investigadores utilizaron el colisionador para realizar mediciones de precisión sobre la masa de la partícula tau. También se ha utilizado para estudiar partículas "exóticas" que contienen cuatro o más quarks.

A la vanguardia

Tanto el acelerador como el espectrómetro en BEPC se sometieron a importantes actualizaciones en la década de 2000 para convertirse en lo que hoy se conoce como BEPC-II/BESIII, y se espera que el colisionador renovado funcione hasta principios de la década de 2030. Sin embargo, su ubicación y el anillo de almacenamiento relativamente pequeño significan que será difícil lograr mejoras adicionales en el rendimiento, razón por la cual los físicos de partículas en China ahora están recurriendo a una nueva máquina.

Propuesto por primera vez en 2011 por el físico de partículas de la Universidad de Pekín, Zhao Guangda, el STCF tendrá un diseño similar al BEPC pero tendrá más del doble de tamaño. Su acelerador lineal tendrá 400 m de largo, mientras que los dos anillos para almacenar electrones y positrones tendrán cada uno unos 800 m de circunferencia. Con nuevas tecnologías de acelerador y un espectrómetro de última generación, STCF operará con un rango de energía de centro de masa de 2 a 7 GeV y con una luminosidad máxima de más de 0.5 × 1035 cm-2/s, unas 100 veces mejor que BEPC-II.

“El BEPC es una de las instalaciones de investigación más fructíferas y exitosas que China ha construido”, dice el científico jefe de STCF, Zhao Zhengguo, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC). "Sin embargo, en comparación con [BEPC], STCF aumentará las tasas de colisión hasta 100 veces y abrirá una nueva región de energía que nunca antes se había estudiado directamente". Según el científico jefe adjunto del proyecto, Zheng Yangheng, de la Universidad de la Academia de Ciencias de China, STCF recopilará la misma cantidad de datos en tres días que BESIII requiere un año para recopilar.

Esto permitirá confirmar, por primera vez, si un tetraquark tiene realmente cuatro quarks. "Espero que STCF pueda realizar mediciones definitivas para finalmente revelar la estructura interna de quarks de varios hadrones exóticos", dice ryan mitchell de la Universidad de Indiana Bloomington, que es miembro de la colaboración BESIII y apoya el diseño conceptual STCF. "Más importante aún, también nos ayudaría a comprender mejor cómo funciona la fuerza fuerte para unir los quarks".

Simplemente no sabemos qué esperar en ese rango de energía

Ryan Mitchell, Universidad de Indiana Bloomington

Como nunca antes se había explorado el rango de energía de 5–7 GeV en ningún colisionador de partículas, el STCF abrirá la puerta a territorios inexplorados y posiblemente incluso a nueva física más allá del modelo estándar. “Simplemente no sabemos qué esperar en ese rango de energía”, agrega Mitchell.

Para lograr colisiones bien controladas dentro del STCF, Zhao y su equipo han estado desarrollando tecnologías clave como fuentes de electrones y positrones de alta potencia, imanes superconductores y aquellos para medir y manipular los haces con alta precisión. “Se supone que cada electrón o positrón pasa por el punto de colisión potencial millones de veces durante su vida útil”, dice Shao Ming de la USTC, un físico líder en el proyecto. "Para nuestra luminosidad diseñada, debemos asegurarnos de que llegue al punto con un error de no más de unos pocos cientos de nanómetros".

Para que el STCF sea 100 veces más luminoso que el BEPC-II, su espectrómetro deberá manejar mejor las señales electrónicas del detector. Para ello, se han fomentado alianzas con empresas nacionales. Estos incluyen fabricantes de chips, sensores y semiconductores que pueden crear componentes que China no puede comprar a las naciones occidentales debido a los embargos de exportación. “La sinergia ha funcionado bien para nuestro proyecto y para la industria”, agrega el ingeniero jefe de STCF, Yin Lixin, del Instituto de Investigación Avanzada de Shanghái.

La próxima generación

Si bien la financiación es un problema menor de lo que solía ser porque los gobiernos locales están invirtiendo más dinero y dando una alta prioridad a albergar grandes instalaciones científicas, el STCF enfrenta competencia. Uno es de una fábrica de Higgs de próxima generación, el Colisionador circular de electrones y positrones (CEPC), un anillo de 100 km que funcionará a energías mucho más altas pero también será mucho más costoso.

El CEPC también tiene como objetivo comenzar la construcción para 2030, pero sigue existiendo la posibilidad de que ambos puedan obtener el visto bueno. “El STCF y el CEPC no necesitan ser contradictorios porque hacen ciencia muy diferente”, dice Zhao. “Aunque es menos probable que los dos proyectos sucedan al mismo tiempo, una brecha de algunos años en la implementación podría aumentar la posibilidad de que ambos se construyan eventualmente”.

Las discusiones sobre qué proyectos recomendar para el próximo 15º plan quinquenal de China, que se extiende desde 2026 hasta 2030, ya han comenzado dentro de la comunidad de física de alta energía de China. Si bien tanto el STCF como el CEPC estarán dirigidos por China, el STCF ya cuenta con unos 500 científicos de 74 universidades e institutos de investigación en Asia, Europa y EE. UU. Zhao admite que es un desafío hacer del STCF un esfuerzo verdaderamente internacional debido a las tensiones geopolíticas y otros factores, pero está seguro de que tendrán un impacto mínimo.

“Como todos los experimentos de física de partículas en el mundo, el STCF servirá a la comunidad global de física de partículas y damos la bienvenida a colegas con diferentes conocimientos para que se unan a nosotros en Hefei”, agrega Zhao. “El STCF permitirá que China continúe liderando el mundo en física de tau-charm y tecnologías relacionadas durante las próximas décadas; China finalmente se encuentra a la vanguardia”.

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