Olisiko erilainen lähestymistapa voinut pelastaa suprajohtavan supertörmäyttimen? – Fysiikan maailma

Olisiko erilainen lähestymistapa voinut pelastaa suprajohtavan supertörmäyttimen? – Fysiikan maailma

Aikaleima: 23. lokakuuta 2023, klo 6

Michael Riordan väittää, että jos Yhdysvallat olisi noudattanut konservatiivisempaa strategiaa rakentaessaan suprajohtavaa supertörmäyttäjää, hiukkasfysiikan historia olisi voinut olla erilainen

Suuri maanalainen tunneli koneineen ja kaapeleineen
Putkinäkö Superconducting Super Collider Texasissa nousi sen jälkeen, kun noin 2 miljardia dollaria oli jo käytetty sen suunnitteluun ja rakentamiseen. (Kohtelias: DOE)

Kolmekymmentä vuotta sitten tässä kuussa Yhdysvaltain kongressi äänesti Superconducting Super Colliderin (SSC) lakkauttamisesta sen jälkeen, kun sen suunnitteluun ja rakentamiseen oli käytetty noin 2 miljardia dollaria. Tuolloin lähes kolmasosa sen 87 kilometrin tunnelista oli jo valmistunut, mutta kongressin vastustajat vaativat SSC:tä "piikittämään", jotta se ei voisi myöhemmin nousta Lasaruksen kaltaiseksi kuolleista. Pystysuorat kuilut tunnelista pintaan (katso kuva) täytettiin mahdollisimman paljon porausmailla ja sen jälkeen annettiin täyttyä pohjavedellä.

Nyt, 30 vuotta myöhemmin, maailman korkean energian fysiikan yhteisö toivoo rakentavansa vastaavan törmäyksen, joka lopulta pystyy saavuttamaan protonien ja protonien välisiä törmäyksiä energioissa, jotka ylittävät 15 TeV. Tällaisille törmäimille on olemassa yksityiskohtaisia ​​suunnitelmia CERNissä ja Kiinassa mutta etenemisen edellyttämä erittäin tärkeä poliittinen tahto ja kansainvälinen sopimus ovat yhä harvinaisempia pirstoutuneessa, deglobalisoituvassa maailmassa.

Jos opimme SSC:n epäonnistumisesta ja sen menestyksestä Large Hadron Collider (LHC)Laaja kansainvälinen yhteistyö on pakollista protonien törmäysenergioiden monen TeV asteikolla. Nämä valtavat, kalliit hankkeet omaksuivat hyvin erilaisia ​​lähestymistapoja. SSC-tapauksessa yhdysvaltalaiset fyysikot yrittivät tarttua johtajuuspaulaan siinä toivossa, että muut valtiot seuraisivat perässä, rakentaen superkiihdyttimen uudelle "vihreälle" alueelle Teksasissa.

LHC-projekti oli sen sijaan aidosti kansainvälinen yritys, jota johtivat eurooppalaiset fyysikot ja joka rakennettiin CERN:iin, maailmankuuluun korkean energian fysiikan laboratorioon. Hanke houkutteli osallistujia Kanadasta, Intiasta, Japanista, Venäjältä ja Yhdysvalloista. Mutta tämä prosessi tapahtui kylmän sodan jälkeisellä aikakaudella, jolloin monet itäblokin maat yrittivät demokratisoitua ja liittyä globalisoituvaan maailmantalouteen.

Kilpikonna ja jänis

CERNin konservatiivinen kaksivaiheinen lähestymistapa rakentamiseen Suuri elektronipositroni (LEP) törmäyskone ja myöhemmin LHC osoittautuivat ratkaisevaksi. LEP:n fysiikan tutkimus alkoi vuonna 1989, kun taas vaikeammat tehtävät LHC:n tehokkaiden, hienostuneiden suprajohtavien magneettien suunnittelussa ja valmistamisessa etenivät rinnakkain. Tämän seurauksena CERN pystyi käyttämään kehittyneitä "kaksi yhdessä" suprajohtavia magneettimalleja, jotka oli jätetty pois SSC:stä (silloin) liian epäkypsänä ja riskialtisena teknologiana.

Jälkikäteen ajateltuna tällainen kaksivaiheinen lähestymistapa olisi palvellut SSC-rakentajia paljon paremmin kuin kuljettu tie – kaivamalla samanaikaisesti valtava tunneli ja kehittämällä magneetteja sen täyttämiseksi. Fysiikan tutkimusta olisi voitu tehdä paljon samassa tunnelissa olevalla elektroni-positronitörmäyttimellä.

Itse asiassa tällaisella törmäyttimellä tehdyillä kokeilla saattaa jopa olla löysi Higgsin bosonin ennen vuosisadan vaihteen ja tehnyt vuosien seurantatutkimusta sen käyttäytymisestä samalla kun tuolloin raskaat suprajohtavien magneettien ongelmat käsiteltiin ja ratkaistiin.

Kun SSC:tä suunniteltiin 1980-luvulla, harvat teoreetikot uskoivat sen tapahtuvan vain 125 GeV:n massalla. Useimmat ajattelivat, että sen oli näytettävä 1 TeV. Tästä johtuen pakottava tarve törmätä protonisäteet, joiden energia on 10–20 TeV, olla varma hiukkasen löytämisestä – tai mistä tahansa ilmiöstä, joka oli vastuussa alkeishiukkasten massoista.

Vasta sen jälkeen, kun 1990-luvun puolivälissä Fermilabin Tevatronissa löydettiin huippukvarkki, jonka massa oli 175 GeV, teoreetikot alkoivat ymmärtää, että tällainen kevyt Higgsin bosoni oli todellakin mahdollinen, ellei todennäköinen. CERNin entisen pääjohtajan mukaan Chris Llewellyn Smith, joka johti laboratoriota vuosina 1994–1998, he jopa ajattelivat, että sen massa voisi olla lähellä 100 GeV ja se voitaisiin löytää LEP:stä.

Siksi on valitettavaa, että SSC-tunneliin tehtiin piikki vuoden 1993 jälkeen. Higgsin tehtaan rakentaminen sinne olisi nykyään suhteellisen yksinkertaista, vaatisi vain tunnelin valmistumisen, huoneenlämpömagneettien asentamisen ja ainakin parin suuren hiukkasilmaisimen rakentamisen. Se antaisi korkean energian fysiikan yhteisölle toteuttamiskelpoisen ja taloudellisen tien sellaisen laitoksen toteuttamiseen – sellaisen, joka ei kohtaa geopoliittisia ja rahoitushaasteita, kuten kaksi muuta pyöreää suunnitelmaa nykyään..

Ja lisättynä jälkikäteen, konservatiivisempi, monivaiheinen lähestymistapa TeV-asteikon saavuttamiseen – kuten CERNissä pyrittiin – olisi todennäköisesti onnistunut löytämään Higgsin bosonin Fermilabista. Sillä kun CERN valmistautui ilmoittamaan löydöstään heinäkuussa 2012, Fermilab antoi kolmen sigman tuloksen B-mesonin hajoamiskanavassa käyttäen vuosia vanhoja tietoja vain 2 TeV:n protoni-antiprotoni-törmäyttimestä.

Kun Stanfordin yliopiston fyysikon johtama arvostettu tutkijapaneeli Stanley Wojcicki arvioiessaan Yhdysvaltain korkean energian fysiikan tulevaisuutta vuonna 1983, Fermilab ehdotti 4–5 TeV:n rakentamista. Dedicated Collider kokonaan laboratorion rajojen sisällä. Jälkeenpäin katsottuna se olisi riittänyt Higgsin bosonin löytämiseen, varsinkin jos vielä tehokkaampia suprajohtavia magneetteja olisi lopulta voitu asentaa.

Tämä lähestymistapa olisi pitänyt projektinhallinnan ammattitaitoisen kiihdytinfyysikkojen ryhmän käsissä sen sijaan, että se olisi luovuttanut hallinnan Yhdysvaltain sotilas-teollisen kompleksin insinööreille, kuten tapahtui SSC:ssä.

Tarina LHC:stä ja SSC:stä on klassinen esimerkki Aesopoksen kuuluisasta sadusta, Kilpikonna ja jänis. Kilpikonna voitti myös tämän kilpailun. Mutta jos yhdysvaltalaiset hiukkasfyysikot olisivat pyrkineet konservatiivisempaan, kustannustehokkaampaan lähestymistapaan saavuttaakseen TeV-energian mittakaavan – sen sijaan, että olisivat yrittäneet "hyppyä" eurooppalaisia ​​kollegojaan kaatuvan, miljardien dollarin Texas-projektin avulla palauttaakseen Yhdysvaltain johtajuuden alalla, korkeaenergisen fysiikan historia on voinut olla hyvin erilainen.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma