Had een andere aanpak de Superconducting Super Collider kunnen redden? – Natuurkunde Wereld

Had een andere aanpak de Superconducting Super Collider kunnen redden? – Natuurkunde Wereld

Tijdstempel: 23 oktober 2023 6:00 uur

Michaël Riordan stelt dat als de VS een meer conservatieve strategie hadden gevolgd bij het bouwen van de Superconducting Super Collider, de geschiedenis van de deeltjesfysica anders had kunnen zijn

Grote ondergrondse tunnel met machines en kabels
Tunnelvisie De Superconducting Super Collider in Texas werd geprikt nadat er al zo'n 2 miljard dollar in het ontwerp en de constructie was gestoken. (Met dank: DOE)

Deze maand dertig jaar geleden stemde het Amerikaanse Congres voor de beëindiging van de Superconducting Super Collider (SSC), nadat er ongeveer 2 miljard dollar was uitgegeven aan het ontwerp en de bouw ervan. Destijds was bijna een derde van de 87 kilometer lange tunnel al voltooid, maar tegenstanders van het Congres drongen erop aan dat de SSC zou worden ‘verrijkt’, zodat deze later niet als Lazarus uit de dood zou kunnen herrijzen. De verticale schachten van tunnel naar oppervlakte (zie foto) werden zoveel mogelijk opgevuld met boorspecie, waarna men deze mocht vullen met grondwater.

Nu, dertig jaar later, hoopt de wereldgemeenschap op het gebied van de hoge-energiefysica een vergelijkbare versneller te construeren, die uiteindelijk proton-protonbotsingen kan bewerkstelligen bij energieën ruim boven de 30 TeV. Er bestaan ​​gedetailleerde ontwerpen voor dergelijke botsers bij CERN en in China maar de allerbelangrijkste politieke wil en internationale overeenstemming die nodig zijn om vooruitgang te boeken, worden steeds zeldzamer in een versplinterde, deglobaliserende wereld.

Als we één les zouden leren uit het falen van de SSC en het succes van de Grote Hadron Collider (LHC)is het zo dat brede internationale samenwerking verplicht is op de schaal van vele TeV's van protonenbotsingsenergieën. Deze enorme, kostbare projecten hanteerden een heel verschillende aanpak. In het geval van de SSC probeerden Amerikaanse natuurkundigen het leiderschapsstokje over te nemen in de hoop dat andere landen zouden volgen, door de supercollider te bouwen op een nieuwe ‘green field’-locatie in Texas.

Het LHC-project was in plaats daarvan een werkelijk internationale inspanning, geleid door Europese natuurkundigen en gebouwd in CERN, een wereldberoemd laboratorium voor hoge-energiefysica – dat bijdragen aantrok uit Canada, India, Japan, Rusland en de VS. Maar dat proces vond plaats in het tijdperk na de Koude Oorlog, toen veel landen uit het Oostblok probeerden te democratiseren en zich aan te sluiten bij een mondialiserende wereldeconomie.

De schildpad en de haas

CERN's conservatieve tweefasige benadering van de constructie van de Grote elektronenpositron (LEP) botser en later bleek de LHC cruciaal. Het natuurkundig onderzoek naar LEP begon in 1989, terwijl de moeilijkere taken van het ontwerpen en fabriceren van de krachtige, geavanceerde supergeleidende magneten van de LHC parallel verliepen. Bijgevolg was CERN in staat gebruik te maken van de geavanceerde “twee-in-één” supergeleidende magneetontwerpen die bij de SSC buiten beschouwing waren gelaten als (toen) een te onvolwassen en risicovolle technologie.

Achteraf bezien zou een dergelijke aanpak in twee fasen de SSC-bouwers veel beter hebben gediend dan de ingeslagen weg – waarbij tegelijkertijd een enorme tunnel werd gegraven en magneten werden ontwikkeld om deze te vullen. Er zou veel natuurkundig onderzoek zijn geweest dat had kunnen worden gedaan op een elektronen-positronenbotser in dezelfde tunnel.

Experimenten met zo'n botser zouden dat zelfs kunnen hebben gedaan ontdekte het Higgsdeeltje vóór de eeuwwisseling en deed jarenlang vervolgonderzoek naar zijn gedrag, terwijl de toen lastige problemen met de supergeleidende magneet werden aangepakt en opgelost.

Toen de SSC in de jaren tachtig werd ontworpen, dachten echter weinig theoretici dat deze zou plaatsvinden bij een massa van slechts 1980 GeV. De meesten dachten dat het binnen 125 TeV moest verschijnen. Vandaar de dringende noodzaak om protonenbundels met energieën van 1–10 TeV te laten botsen, om zeker te zijn van het ontdekken van het deeltje – of welk fenomeen dan ook verantwoordelijk was voor de massa’s van elementaire deeltjes.

Pas na de ontdekking halverwege de jaren negentig van de top-quark in Fermilab's Tevatron, met een massa van 1990 GeV, begonnen theoretici te erkennen dat een dergelijk licht Higgs-deeltje inderdaad mogelijk, zo niet waarschijnlijk was. Volgens voormalig CERN-directeur-generaal Chris Llewellyn Smith, die het laboratorium leidde van 1994 tot 1998, dachten ze zelfs dat de massa bijna 100 GeV zou kunnen zijn en ontdekt zou kunnen worden bij LEP.

Het is dus jammer dat de SSC-tunnel na 1993 werd verrijkt. Het bouwen van een Higgs-fabriek daar vandaag de dag zou relatief eenvoudig zijn, waarbij alleen de tunnel moest worden voltooid, magneten op kamertemperatuur moesten worden geïnstalleerd en op zijn minst een paar grote deeltjesdetectoren moesten worden gebouwd. Het zou de gemeenschap van de hoge-energiefysica een levensvatbaar, economisch pad bieden om een ​​dergelijke faciliteit te realiseren – een pad dat niet geconfronteerd wordt met de geopolitieke en financieringsuitdagingen zoals de andere twee circulaire ontwerpen vandaag de dag doen..

En achteraf gezien zou een meer conservatieve, meerfasige benadering om de TeV-schaal te bereiken – zoals werd nagestreefd bij CERN – er waarschijnlijk in zijn geslaagd het Higgs-deeltje bij Fermilab te ontdekken. Want toen CERN zich voorbereidde om zijn ontdekking in juli 2012 aan te kondigen, Fermilab stemde in met een resultaat van drie sigma in het B-mesonvervalkanaal, met behulp van jaren oude gegevens van wat slechts een proton-antiproton-botser van 2 TeV was.

Toen een vooraanstaand panel van wetenschappers onder leiding van een natuurkundige van Stanford University Stanley Wojcicki Terwijl hij in 1983 de toekomst van de Amerikaanse hoge-energiefysica aan het beoordelen was, stelde Fermilab voor om een ​​4-5 TeV te bouwen Toegewijde botsing geheel binnen de laboratoriumgrenzen. Achteraf gezien zou dat voldoende zijn geweest om het Higgsdeeltje te ontdekken, vooral als er uiteindelijk nog krachtigere supergeleidende magneten hadden kunnen worden geïnstalleerd.

Die aanpak zou het projectmanagement in handen hebben gehouden van een ervaren team van versnellerfysici, in plaats van de controle over te dragen aan ingenieurs van het Amerikaanse militair-industriële complex, zoals gebeurde bij de SSC.

Het verhaal van de LHC en de SSC is een klassiek voorbeeld van de beroemde fabel van Aesopus, De schildpad en de haas. De schildpad won ook deze race. Maar als Amerikaanse deeltjesfysici conservatievere, kosteneffectievere benaderingen hadden gevolgd om de TeV-energieschaal te bereiken – in plaats van te proberen hun Europese collega’s met een crashend, miljarden dollars kostend Texas-project te ‘haasten’ om het Amerikaanse leiderschap op dit gebied te herstellen – De geschiedenis van de hoge-energiefysica had er heel anders uit kunnen zien.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld