Китай обдумывает план строительства фабрики Super Tau-Charm стоимостью 640 миллионов долларов

Китай обдумывает план строительства фабрики Super Tau-Charm стоимостью 640 миллионов долларов

Отметка времени: 27 июля 2023 г., 6:00

Исследователи в Китае хотят построить фабрику Super Tau-Charm стоимостью 640 миллионов долларов, чтобы протестировать Стандартную модель физики элементарных частиц и вывести страну на передовые позиции в исследованиях точности. Лин Синь отчеты

BESIII на предприятии BEPC в Китае
Один на будущее Предлагаемая фабрика Super Tau-Charm станет преемником Пекинского электронно-позитронного коллайдера, который работает с 1990 года. (Предоставлено USTC)

Ученые в Китае хотят построить новый электрон-позитронный коллайдер, чтобы протестировать Стандартную модель физики элементарных частиц с беспрецедентной точностью и сохранить страну в авангарде точных исследований очарованных кварков и тау-лептонов. В случае одобрения строительство фабрики Super Tau-Charm Factory (STCF) стоимостью 4.5 миллиарда юаней (640 миллионов долларов) в Хэфэе может начаться в 2026 году. Затем эксплуатация начнется примерно через пять лет.

STCF рассматривается как естественный преемник Пекинский электронно-позитронный коллайдер (BEPC), который открылся в 1990 году. Он состоит из примерно 240 м подземных туннелей на западе города, где электроны и позитроны сначала разгоняются почти до скорости света, а затем врезаются друг в друга, создавая различные субатомные частицы. частицы. Затем траектории, энергии и электрические заряды регистрируются Пекинским спектрометром (BES) для реконструкции реакционных процессов.

Работая в диапазоне энергий 2–5 ГэВ, BEPC сделал ряд важных открытий, особенно в физике очарованных кварков и тау-лептонов. Например, в 1996 году исследователи использовали коллайдер для проведения точных измерений массы тау-частицы. Он также использовался для изучения «экзотических» частиц, содержащих четыре или более кварков.

На переднем крае

И ускоритель, и спектрометр в BEPC подверглись серьезной модернизации в 2000-х годах и стали тем, что сегодня известно как BEPC-II/BESIII, а обновленный коллайдер, как ожидается, будет работать в начале 2030-х годов. Однако его расположение и относительно небольшое накопительное кольцо означают, что добиться дальнейшего повышения производительности будет сложно, поэтому физики элементарных частиц в Китае сейчас обращаются к новой машине.

Впервые предложенный в 2011 году физиком частиц Пекинского университета Чжао Гуанда, STCF будет иметь конструкцию, аналогичную BEPC, но более чем в два раза больше. Его линейный ускоритель будет иметь длину 400 м, а окружность двух колец для хранения электронов и позитронов будет составлять около 800 м каждое. Благодаря новым ускорительным технологиям и современному спектрометру STCF будет работать в диапазоне энергий центра масс 2–7 ГэВ и с пиковой светимостью более 0.5 × 1035 cm-2/с, примерно в 100 раз лучше, чем BEPC-II.

«BEPC — один из самых плодотворных и успешных исследовательских центров, построенных Китаем», — говорит главный научный сотрудник STCF Чжао Чжэнго из Китайского университета науки и технологий (USTC). «Тем не менее, по сравнению с [BEPC], STCF увеличит частоту столкновений до 100 раз и откроет совершенно новую энергетическую область, которая никогда ранее напрямую не изучалась». По словам заместителя главного научного сотрудника проекта Чжэна Янхэна из Университета Китайской академии наук, STCF за три дня соберет такой же объем данных, сколько для сбора BESIII требуется год.

Это позволит впервые подтвердить, действительно ли тетракварк состоит из четырех кварков. «Я ожидаю, что STCF сможет провести окончательные измерения, чтобы, наконец, раскрыть внутреннюю кварковую структуру нескольких экзотических адронов», — говорит он. Райан Митчелл из Университета Индианы в Блумингтоне, который является членом коллаборации BESIII и поддерживает концептуальный дизайн STCF. «Что еще более важно, это также помогло бы нам лучше понять, как сильное взаимодействие связывает кварки вместе».

Мы просто не знаем, чего ожидать в этом диапазоне энергий.

Райан Митчелл, Университет Индианы в Блумингтоне

Поскольку диапазон энергий 5–7 ГэВ никогда ранее не исследовался ни на одном коллайдере частиц, STCF откроет дверь в неизведанные территории и, возможно, даже в новую физику за пределами Стандартной модели. «Мы просто не знаем, чего ожидать в этом диапазоне энергий», — добавляет Митчелл.

Чтобы добиться хорошо контролируемых столкновений внутри STCF, Чжао и его команда разрабатывают ключевые технологии, такие как мощные источники электронов и позитронов, сверхпроводящие магниты, а также средства измерения и управления лучами с высокой точностью. «Предполагается, что каждый электрон или позитрон за свою жизнь пройдет через потенциальную точку столкновения миллионы раз», — говорит Шао Мин из USTC, ведущий физик проекта. «Для нашей расчетной светимости нам нужно убедиться, что она попадает в точку с погрешностью не более нескольких сотен нанометров».

Чтобы STCF был в 100 раз ярче, чем BEPC-II, его спектрометр должен лучше обрабатывать электронные сигналы от детектора. С этой целью были налажены партнерские отношения с отечественными компаниями. К ним относятся производители микросхем, датчиков и полупроводников, которые могут создавать компоненты, которые Китай не может покупать у западных стран из-за экспортных эмбарго. «Синергия хорошо сработала для нашего проекта и для отрасли», — добавляет главный инженер STCF Инь Лисинь из Шанхайского института перспективных исследований.

Новое поколение

Хотя финансирование не так важно, как раньше, потому что местные органы власти вкладывают больше денег и уделяют первостепенное внимание размещению крупных научных учреждений, STCF все же сталкивается с конкуренцией. Один из фабрик Хиггса нового поколения — Круговой электронно-позитронный коллайдер (CEPC) — кольцо протяженностью 100 км, которое будет работать при гораздо более высоких энергиях, но и будет намного дороже.

CEPC также намерена начать строительство к 2030 году, но остается вероятность того, что обе стороны могут получить добро. «STCF и CEPC не обязательно противоречат друг другу, потому что они занимаются совершенно разными науками, — говорит Чжао. «Хотя два проекта вряд ли будут реализованы одновременно, разрыв в реализации в несколько лет может увеличить шансы того, что в конечном итоге оба проекта будут реализованы».

Дискуссии о том, какие проекты рекомендовать для предстоящей 15-й пятилетки Китая, которая будет действовать с 2026 по 2030 год, уже начались в китайском сообществе физиков высоких энергий. Хотя и STCF, и CEPC будут возглавляться Китаем, в STCF уже работает около 500 ученых из 74 университетов и научно-исследовательских институтов Азии, Европы и США. Чжао признает, что из-за геополитической напряженности и других факторов сложно сделать STCF действительно международным мероприятием, но уверен, что они окажут минимальное влияние.

«Как и все эксперименты по физике элементарных частиц в мире, STCF будет служить глобальному сообществу физиков элементарных частиц, и мы приглашаем коллег с различным опытом присоединиться к нам в Хэфэй», — добавляет Чжао. «STCF позволит Китаю продолжать лидировать в мире в физике тау-чарма и связанных с ней технологиях на протяжении десятилетий — Китай, наконец, стоит в авангарде».

Отметка времени:

Больше от Мир физики