Kunne en annen tilnærming ha reddet Superconducting Super Collider? – Fysikkverden

Kunne en annen tilnærming ha reddet Superconducting Super Collider? – Fysikkverden

Tidsstempel: 23. oktober 2023 6:00

Michael Riordan hevder at hvis USA hadde fulgt en mer konservativ strategi når de bygget Superconducting Super Collider, kunne historien til partikkelfysikk ha vært annerledes

Stor underjordisk tunnel med maskineri og kabler
Tunnelsyn Superconducting Super Collider i Texas ble økt etter at rundt 2 milliarder dollar allerede hadde blitt pløyd inn i design og konstruksjon. (Med tillatelse: DOE)

For 2 år siden denne måneden stemte den amerikanske kongressen for å avslutte Superconducting Super Collider (SSC) etter at rundt 87 milliarder dollar hadde blitt brukt på design og konstruksjon. På det tidspunktet var nesten en tredjedel av dens XNUMX km lange tunnel allerede ferdigstilt, men kongressmotstandere insisterte på at SSC skulle "spikes" slik at den ikke senere kunne oppstå Lazarus-aktig fra de døde. De vertikale sjaktene fra tunnel til overflate (se bilde) ble fylt så mye som mulig med boremasser, og så fikk det fylles med grunnvann.

Nå, 30 år senere, håper verdens høyenergifysikksamfunn å konstruere en sammenlignbar kollider, som til slutt kan oppnå proton-proton-kollisjoner ved energier godt over 15 TeV. Det finnes detaljerte design for slike kollidere ved CERN og i Kina men den viktige politiske viljen og internasjonale enigheten som trengs for å fortsette, blir stadig mer sjeldne i en splittet, deglobaliserende verden.

Hvis vi lærte en lekse fra feilen til SSC og suksessen til Large Hadron Collider (LHC), er det at bredt internasjonalt samarbeid er obligatorisk på mange-TeV-skalaen av protonkollisjonsenergier. Disse enorme, kostbare prosjektene tok i bruk svært forskjellige tilnærminger. I SSC-saken prøvde amerikanske fysikere å gripe lederstafetten i håp om at andre nasjoner ville følge etter, og bygge superkollideren på et nytt "grønt felt"-sted i Texas.

LHC-prosjektet var i stedet en genuint internasjonal innsats, ledet av europeiske fysikere og bygget ved CERN, et verdenskjent høyenergifysikklaboratorium – som tiltrekker seg bidrag fra Canada, India, Japan, Russland og USA. Men den prosessen skjedde i tiden etter den kalde krigen, da mange østblokknasjoner prøvde å demokratisere og slutte seg til en globaliserende verdensøkonomi.

Skildpadden og haren

CERNs konservative tofasetilnærming til konstruksjonen av Large Electron Positron (LEP) kolliderer og senere LHC viste seg å være avgjørende. Fysikkforskning begynte på LEP i 1989, mens de vanskeligere oppgavene med å designe og fremstille LHCs kraftige, sofistikerte superledende magneter fortsatte parallelt. Følgelig var CERN i stand til å bruke de avanserte "to-i-ett" superledende magnetdesignene som hadde blitt utelatt fra vurdering på SSC som (da) for umoden og risikabel teknologi.

I ettertid ville en slik tofasetilnærming ha tjent SSC-byggere mye bedre enn veien som ble tatt – å samtidig grave en enorm tunnel og utvikle magneter for å fylle den. Det ville ha vært mye fysikkforskning som kunne vært gjort på en elektron-positron-kollider i samme tunnel.

Faktisk kan eksperimenter på en slik kollider til og med ha gjort det oppdaget Higgs-bosonet før århundreskiftet og gjort årevis med oppfølgingsundersøkelser på dens oppførsel mens de da tyngende superledende magnetproblemene ble adressert og løst.

Da SSC ble designet på 1980-tallet, var det imidlertid få teoretikere som trodde at det ville skje med en masse på bare 125 GeV. De fleste mente at den måtte dukke opp med 1 TeV. Derfor det presserende behovet for å kollidere protonstråler med energier på 10–20 TeV, for å være sikker på å oppdage partikkelen - eller hvilket fenomen som var ansvarlig for elementære partikkelmasser.

Det var først etter midten av 1990-tallets oppdagelse av toppkvarken ved Fermilabs Tevatron, med en masse på 175 GeV, at teoretikere begynte å innse at en så lett Higgs-boson faktisk var mulig, om ikke sannsynlig. I følge tidligere CERN-generaldirektør Chris Llewellyn Smith, som ledet laboratoriet fra 1994 til 1998, trodde de til og med at massen kunne være nær 100 GeV og kunne bli oppdaget ved LEP.

Derfor er det uheldig at SSC-tunnelen ble forsterket etter 1993. Å bygge en Higgs-fabrikk der i dag ville være relativt enkelt, og krever bare å fullføre tunnelen, installere romtemperaturmagneter og bygge minst et par store partikkeldetektorer. Det ville gi høyenergifysikksamfunnet en levedyktig, økonomisk vei til å oppnå et slikt anlegg – en som ikke møter de geopolitiske og finansieringsmessige utfordringene som de to andre sirkulære designene gjør i dag.

Og med ekstra etterpåklokskap, ville en mer konservativ flerfasetilnærming for å nå TeV-skalaen – som ble forfulgt ved CERN – sannsynligvis ha lykkes med å oppdage Higgs-bosonet ved Fermilab. For da CERN forberedte seg på å kunngjøre sin oppdagelse i juli 2012, Fermilab kimet inn med et resultat på tre sigma i B-meson-forfallskanalen, ved å bruke år gamle data fra det som bare var en 2 TeV proton-antiprotonkolliderer.

Når et fremtredende panel av forskere ledet av Stanford University fysiker Stanley Wojcicki vurderte fremtiden til amerikansk høyenergifysikk i 1983, foreslo Fermilab å konstruere en 4–5 TeV Dedikert kolliderer helt innenfor laboratoriegrenser. I ettertid ville det vært tilstrekkelig til å oppdage Higgs-bosonet, spesielt hvis enda kraftigere superledende magneter til slutt kunne blitt installert.

Denne tilnærmingen ville ha holdt prosjektledelsen i hendene på et dyktig team av akseleratorfysikere, i stedet for å gi kontrollen til ingeniører fra det amerikanske militærindustrielle komplekset, slik det skjedde ved SSC.

Historien om LHC og SSC er et klassisk eksempel på Aesops berømte fabel, Skilpadden og haren. Skilpadden vant også dette løpet. Men hadde amerikanske partikkelfysikere fulgt mer konservative, kostnadseffektive tilnærminger for å nå TeV-energiskalaen – i stedet for å prøve å "sprange" sine europeiske kolleger med et krasj, multimilliard-dollar Texas-prosjekt for å reetablere amerikansk lederskap på feltet – historien til høyenergifysikk kan ha vært veldig annerledes.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden