Kina vurderer å bygge en Super Tau-Charm Factory – Physics World på 640 millioner dollar

Kina vurderer å bygge en Super Tau-Charm Factory – Physics World på 640 millioner dollar

Tidsstempel: 27. juli 2023 6:00

Forskere i Kina ønsker å bygge en Super Tau-Charm-fabrikk på 640 millioner dollar for å teste standardmodellen for partikkelfysikk og sette landet i forkant av presisjonsstudier. Ling Xin rapporter

BESIII ved BEPC-anlegget i Kina
En for fremtiden Den foreslåtte Super Tau-Charm Factory vil bli en etterfølger til Beijing Electron Positron Collider, som har vært i drift siden 1990. (Med tillatelse: USTC)

Forskere i Kina ønsker å bygge en ny elektron-positron kolliderer for å teste standardmodellen for partikkelfysikk i enestående detalj og holde landet i forkant av presisjonsstudier på sjarmkvarker og tau leptoner. Hvis den blir godkjent, kan byggingen av Super Tau-Charm Factory (STCF) på 4.5 milliarder yuan (640 millioner dollar) i Hefei begynne i 2026. Driften vil da starte omtrent fem år senere.

STCF blir sett på som en naturlig etterfølger til Beijing Electron Positron Collider (BEPC), som åpnet i 1990. Den består av rundt 240 m med underjordiske tunneler vest i byen, hvor elektroner og positroner først akselereres til nær lysets hastighet før de knuses inn i hverandre for å generere en rekke subatomære partikler. Banene, energiene og elektriske ladninger blir deretter registrert av Beijing Spectrometer (BES) for å rekonstruere reaksjonsprosessene.

BEPC arbeider i energiområdet 2–5 GeV og har gjort en rekke viktige funn, spesielt innen sjarmkvark og tau lepton-fysikk. I 1996 brukte forskere for eksempel kollideren til å utføre presisjonsmålinger på massen til tau-partikkelen. Det har også blitt brukt til å studere "eksotiske" partikler som inneholder fire eller flere kvarker.

I forgrunnen

Både akseleratoren og spektrometeret ved BEPC gjennomgikk store oppgraderinger på 2000-tallet for å bli det som i dag er kjent som BEPC-II/BESIII, med den fornyede kollideren forventet å operere langt inn på begynnelsen av 2030-tallet. Plasseringen og den relativt lille lagringsringen betyr imidlertid at det vil være vanskelig å oppnå ytterligere ytelsesforbedringer, og det er grunnen til at partikkelfysikere i Kina nå henvender seg til en ny maskin.

Først foreslått i 2011 av Peking University partikkelfysiker Zhao Guangda, STCF vil ha en lignende design som BEPC, men være mer enn dobbelt så stor. Dens lineære akselerator vil være 400 m lang, mens de to ringene for lagring av elektroner og positroner hver vil være omtrent 800 m i omkrets. Med nye akseleratorteknologier og et toppmoderne spektrometer vil STCF operere med et massesenterenergiområde på 2–7 GeV og med en topplysstyrke på mer enn 0.5 × 1035 cm-2/s, omtrent 100 ganger bedre enn BEPC-II.

"BEPC er en av de mest fruktbare og vellykkede forskningsfasilitetene Kina har bygget," sier STCF-sjefforsker Zhao Zhengguo fra University of Science and Technology of China (USTC). "Men sammenlignet med [BEPC], vil STCF øke kollisjonsratene med opptil 100 ganger og åpne opp en helt ny energiregion som aldri har blitt direkte studert før." I følge prosjektets visesjefforsker Zheng Yangheng fra University of the Chinese Academy of Sciences, vil STCF samle inn samme mengde data på tre dager som BESIII krever et år å samle inn.

Dette vil gjøre det mulig å bekrefte, for første gang, om en tetrakvark virkelig har fire kvarker. "Jeg forventer at STCF vil være i stand til å gjøre definitive målinger for å endelig avsløre den interne kvarkstrukturen til flere eksotiske hadroner," sier Ryan Mitchell fra Indiana University Bloomington, som er medlem av BESIII-samarbeidet og støtter STCFs konseptuelle design. "Enda viktigere, det vil også hjelpe oss å bedre forstå hvordan den sterke kraften jobber for å binde kvarker sammen."

Vi vet bare ikke hva vi kan forvente i det energiområdet

Ryan Mitchell, Indiana University Bloomington

Siden 5–7 GeV energiområdet aldri har blitt utforsket på noen partikkelkolliderer før, vil STCF åpne døren til ukjente territorier og muligens til og med ny fysikk utover standardmodellen. "Vi vet bare ikke hva vi kan forvente i det energiområdet," legger Mitchell til.

For å oppnå godt kontrollerte kollisjoner inne i STCF, har Zhao og teamet hans utviklet nøkkelteknologier som elektron- og positronkilder med høy effekt, superledende magneter og de for måling og manipulering av strålene med høy presisjon. "Hvert elektron eller positron er ment å passere det potensielle kollisjonspunktet millioner av ganger i løpet av sin levetid," sier USTCs Shao Ming, en ledende fysiker på prosjektet. "For vår utformede lysstyrke må vi sørge for at den treffer poenget med ikke mer enn noen hundre nanometers feil."

For at STCF skal være 100 ganger mer lysende enn BEPC-II, må spektrometeret være bedre til å håndtere elektroniske signaler fra detektoren. For det formål har partnerskap blitt fremmet med innenlandske selskaper. Disse inkluderer chip-, sensor- og halvlederprodusenter som kan lage komponenter som Kina ikke kan kjøpe fra vestlige nasjoner på grunn av eksportembargoer. "Synergien har fungert bra for prosjektet vårt og for industrien," legger STCF-sjefingeniør Yin Lixin fra Shanghai Advanced Research Institute til.

Den neste generasjonen

Mens finansiering er mindre av et problem enn det pleide å være fordi lokale myndigheter legger mer penger og gir høy prioritet til å være vertskap for store vitenskapelige anlegg, møter STCF konkurranse. Den ene er fra en neste generasjons Higgs-fabrikk – Circular Electron Positron Collider (CEPC) – en 100 km ring som vil kjøre med mye høyere energi, men også være mye dyrere.

CEPC har også som mål å starte byggingen innen 2030, men det er fortsatt en mulighet for at begge kan få klarsignal. "STCF og CEPC trenger ikke å være motstridende fordi de driver med svært forskjellig vitenskap," sier Zhao. "Selv om det er mindre sannsynlig at de to prosjektene vil skje samtidig, kan noen års gap i implementering øke sjansen for at begge blir bygget til slutt."

Diskusjoner om hvilke prosjekter å anbefale for Kinas kommende 15. femårsplan, som går fra 2026 til 2030, har allerede begynt i Kinas høyenergifysikksamfunn. Mens både STCF og CEPC vil bli ledet av Kina, har STCF allerede rundt 500 forskere fra 74 universiteter og forskningsinstitutter i Asia, Europa og USA. Zhao innrømmer at det er en utfordring å gjøre STCF til en virkelig internasjonal innsats på grunn av geopolitiske spenninger og andre faktorer, men er positiv til at de vil ha minimal innvirkning.

"Som alle partikkelfysikkeksperimenter i verden, vil STCF tjene det globale partikkelfysikksamfunnet, og vi ønsker kolleger med forskjellig ekspertise velkommen til å bli med oss ​​i Hefei," legger Zhao til. "STCF vil tillate Kina å fortsette å lede verden innen tau-sjarm fysikk og relaterte teknologier i flere tiår framover - Kina står endelig i forkant."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden