Czy inne podejście mogło uratować Nadprzewodzący Super Zderzacz? – Świat Fizyki

Czy inne podejście mogło uratować Nadprzewodzący Super Zderzacz? – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 23 października 2023 6:00

Michaela Riordana argumentuje, że gdyby Stany Zjednoczone przy budowie superprzewodzącego superzderzacza zastosowały bardziej konserwatywną strategię, historia fizyki cząstek elementarnych mogłaby potoczyć się inaczej

Wielki podziemny tunel z maszynami i kablami
Świat za tunelem Prace nad Superconducting Super Collider w Teksasie wzrosły po tym, jak w jego projekt i budowę włożono już około 2 miliardów dolarów. (Dzięki uprzejmości: DOE)

Trzydzieści lat temu w tym miesiącu Kongres Stanów Zjednoczonych głosował za likwidacją Superconducting Super Collider (SSC), po tym jak na jego projekt i budowę wydano około 2 miliardów dolarów. W tym czasie prawie jedna trzecia tunelu o długości 87 km była już ukończona, ale przeciwnicy Kongresu nalegali, aby SSC zostało „kolcowane”, aby nie mogło później powstać z martwych niczym Łazarz. Szyby pionowe od tunelu do powierzchni (patrz zdjęcie) zostały w miarę możliwości wypełnione urobkiem wiertniczym, a następnie pozwolono je wypełnić wodą gruntową.

Teraz, 30 lat później, światowa społeczność fizyków wysokich energii ma nadzieję skonstruować porównywalny zderzacz, który ostatecznie będzie w stanie doprowadzić do zderzeń proton-proton przy energiach znacznie powyżej 15 TeV. Szczegółowe projekty takich zderzaczy istnieją w CERN i Chinach jednak niezwykle ważna wola polityczna i międzynarodowe porozumienie niezbędne do kontynuacji są coraz rzadsze w podzielonym, deglobalizującym się świecie.

Gdybyśmy wyciągnęli wnioski z porażki SSC i sukcesu SSC Wielki Zderzacz Hadronów (LHC)chodzi o to, że w przypadku energii zderzeń protonów w skali wielu TeV konieczna jest szeroka współpraca międzynarodowa. W tych ogromnych i kosztownych projektach przyjęto bardzo różne podejścia. W przypadku SSC fizycy amerykańscy próbowali przejąć pałeczkę lidera w nadziei, że inne kraje pójdą ich śladem, budując superzderzacz w nowym ośrodku od podstaw w Teksasie.

Projekt LHC był raczej przedsięwzięciem prawdziwie międzynarodowym, kierowanym przez europejskich fizyków i zbudowanym w CERN, światowej sławy laboratorium fizyki wysokich energii, przyciągającym wkład z Kanady, Indii, Japonii, Rosji i USA. Jednak proces ten miał miejsce w erze postzimnowojennej, kiedy wiele krajów bloku wschodniego próbowało demokratyzować i dołączyć do globalizującej się gospodarki światowej.

Żółw i zając

Konserwatywne dwufazowe podejście CERN do budowy Duży pozyton elektronowy (LEP) zderzacz, a później LHC okazały się kluczowe. Badania fizyczne nad LEP rozpoczęły się w 1989 r., podczas gdy trudniejsze zadania polegające na projektowaniu i wytwarzaniu potężnych, wyrafinowanych magnesów nadprzewodzących LHC przebiegały równolegle. W rezultacie CERN był w stanie zastosować zaawansowane konstrukcje magnesów nadprzewodzących „dwa w jednym”, które odrzucono od rozważań w SSC jako (wówczas) zbyt niedojrzałą i ryzykowną technologię.

Z perspektywy czasu takie dwuetapowe podejście przydałoby się konstruktorom SSC znacznie lepiej niż obrana droga – polegająca na jednoczesnym wykopaniu ogromnego tunelu i opracowaniu magnesów do jego wypełnienia. Można byłoby przeprowadzić wiele badań fizycznych na zderzaczu elektronów i pozytonów w tym samym tunelu.

W rzeczywistości eksperymenty na takim zderzaczu mogłyby nawet mieć odkrył bozon Higgsa przed przełomem wieków i przeprowadził lata dalszych badań nad jego zachowaniem, jednocześnie zajmując się i rozwiązując uciążliwe wówczas problemy z magnesami nadprzewodzącymi.

Kiedy jednak w latach 1980. XX w. projektowano SSC, niewielu teoretyków sądziło, że wystąpi on przy masie zaledwie 125 GeV. Większość sądziła, że ​​musi się pojawić przed 1 TeV. Stąd pilna potrzeba zderzenia wiązek protonów o energiach 10–20 TeV, aby mieć pewność odkrycia cząstki – lub jakiegokolwiek zjawiska odpowiedzialnego za masy cząstek elementarnych.

Dopiero po odkryciu w połowie lat 1990. w Tevatronie w Fermilabie kwarku górnego o masie 175 GeV teoretycy zaczęli uznawać, że powstanie tak lekkiego bozonu Higgsa jest rzeczywiście możliwe, jeśli nie prawdopodobne. Według byłego dyrektora generalnego CERN Chrisa Llewellyna Smitha, który kierował laboratorium od 1994 do 1998 r., myśleli nawet, że jego masa może wynosić blisko 100 GeV i może zostać odkryta w LEP.

Zatem niefortunne jest, że tunel SSC został naruszony po 1993 r. Zbudowanie tam fabryki Higgsa byłoby dziś stosunkowo proste i wymagałoby jedynie ukończenia tunelu, zainstalowania magnesów o temperaturze pokojowej i zbudowania co najmniej pary dużych detektorów cząstek. Dałoby to społeczności zajmującej się fizyką wysokich energii realną i ekonomiczną ścieżkę do osiągnięcia takiego obiektu – takiego, który nie stawia czoła wyzwaniom geopolitycznym i finansowym, jak ma to miejsce w przypadku pozostałych dwóch dzisiejszych projektów o obiegu zamkniętym.

Z perspektywy czasu można stwierdzić, że bardziej konserwatywne, wielofazowe podejście do osiągnięcia skali TeV – jakie zastosowano w CERN – prawdopodobnie doprowadziłoby do odkrycia bozonu Higgsa w Fermilabie. Gdyż CERN przygotowywał się do ogłoszenia swojego odkrycia w lipcu 2012 r., Fermilab wtrącił się z wynikiem trzech sigma w kanale rozpadu B-mezonu, wykorzystując dane sprzed wielu lat ze zderzacza proton–antyproton o mocy zaledwie 2 TeV.

Kiedy wybitny panel naukowców pod przewodnictwem fizyka z Uniwersytetu Stanforda Stanleya Wójcickiego oceniał przyszłość amerykańskiej fizyki wysokich energii w 1983 r., Fermilab zaproponował budowę elektrowni o napięciu 4–5 TeV Dedykowany Collider całkowicie w granicach laboratorium. Z perspektywy czasu wystarczyłoby to do odkrycia bozonu Higgsa, zwłaszcza gdyby ostatecznie udało się zainstalować jeszcze potężniejsze magnesy nadprzewodzące.

Takie podejście pozostawiłoby zarządzanie projektem w rękach znakomitego zespołu fizyków zajmujących się akceleratorami, zamiast przekazywać kontrolę inżynierom z amerykańskiego kompleksu wojskowo-przemysłowego, jak to miało miejsce w SSC.

Historia LHC i SSC jest klasycznym przykładem słynnej bajki Ezopa, Żółw i zając. Żółw również wygrał ten wyścig. Gdyby jednak amerykańscy fizycy cząstek elementarnych zastosowali bardziej konserwatywne, opłacalne podejście do osiągnięcia skali energetycznej TeV – zamiast próbować „przeskoczyć” swoich europejskich kolegów awaryjnym, wielomiliardowym projektem w Teksasie, mającym na celu przywrócenie USA wiodącej pozycji w tej dziedzinie – historia fizyki wysokich energii mogła wyglądać zupełnie inaczej.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki