Мог ли другой подход спасти сверхпроводящий суперколлайдер? – Мир физики

Мог ли другой подход спасти сверхпроводящий суперколлайдер? – Мир физики

Отметка времени: 23 октября 2023 г., 6:00

Майкл Риордан утверждает, что если бы США следовали более консервативной стратегии при создании сверхпроводящего суперколлайдера, история физики элементарных частиц могла бы быть другой.

Большой подземный туннель с оборудованием и кабелями
Туннель видение Сверхпроводниковый суперколлайдер в Техасе резко увеличился после того, как на его проектирование и строительство уже было вложено около 2 миллиардов долларов. (Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США)

Тридцать лет назад в этом месяце Конгресс США проголосовал за прекращение работы сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) после того, как на его проектирование и строительство было потрачено около 2 миллиардов долларов. На тот момент почти треть его 87-километрового туннеля уже была завершена, но оппоненты в Конгрессе настаивали на том, чтобы SSC «дополнили», чтобы он не смог позже восстать из мертвых, как Лазарь. Вертикальные стволы от туннеля до поверхности (см. фото) были максимально заполнены буровыми отходами, а затем позволили заполниться грунтовыми водами.

Теперь, 30 лет спустя, мировое сообщество физиков высоких энергий надеется построить аналогичный коллайдер, который в конечном итоге сможет достигать протон-протонных столкновений при энергиях значительно выше 15 ТэВ. Детальные проекты таких коллайдеров существуют в ЦЕРН и в Китае. но крайне важная политическая воля и международное согласие, необходимые для продолжения процесса, становятся все более редкими в расколотом, деглобализирующемся мире.

Если бы мы извлекли один урок из провала SSC ​​и успеха Большой адронный коллайдер (LHC)Суть в том, что широкое международное сотрудничество является обязательным в масштабе многих ТэВ энергий столкновения протонов. В этих огромных и дорогостоящих проектах использовались совершенно разные подходы. В случае с SSC американские физики попытались перехватить эстафету лидерства в надежде, что другие страны последуют их примеру, построив суперколлайдер на новом «с нуля» участке в Техасе.

Напротив, проект БАК был поистине международным проектом, возглавляемым европейскими физиками и построенным в ЦЕРН, всемирно известной лаборатории физики высоких энергий, привлекший вклад из Канады, Индии, Японии, России и США. Но этот процесс произошел в эпоху после окончания холодной войны, когда многие страны Восточного блока пытались демократизироваться и присоединиться к глобализирующейся мировой экономике.

Черепаха и заяц

Консервативный двухэтапный подход ЦЕРН к строительству Большой электрон-позитрон (LEP) коллайдер, а затем и БАК, оказались решающими. Физические исследования на LEP начались в 1989 году, в то время как более сложные задачи по проектированию и изготовлению мощных и сложных сверхпроводящих магнитов для БАКа решались параллельно. Следовательно, ЦЕРН смог использовать передовые конструкции сверхпроводящих магнитов «два в одном», которые были исключены из рассмотрения на SSC ​​как (тогда) слишком незрелая и рискованная технология.

Оглядываясь назад, можно сказать, что такой двухэтапный подход послужил бы строителям SSC гораздо лучше, чем выбранный путь – одновременное рытье огромного туннеля и разработка магнитов для его заполнения. На электрон-позитронном коллайдере в том же туннеле можно было бы провести множество физических исследований.

Фактически, эксперименты на таком коллайдере могли бы даже иметь открыл бозон Хиггса еще до начала века и провел годы последующих исследований его поведения, в то время как тогда обременительные проблемы сверхпроводящих магнитов были рассмотрены и решены.

Однако, когда в 1980-х годах проектировался SSC, мало кто из теоретиков предполагал, что он будет происходить при массе всего 125 ГэВ. Большинство полагало, что оно должно было проявиться на 1 ТэВ. Отсюда острая необходимость сталкивать пучки протонов с энергиями 10–20 ТэВ., быть уверенным в открытии частицы – или любого другого явления, ответственного за массы элементарных частиц.

И только после открытия в середине 1990-х годов в Тэватроне Фермилаборатории топ-кварка с массой 175 ГэВ теоретики начали признавать, что такой легкий бозон Хиггса действительно возможен, если не вероятен. По словам бывшего генерального директора ЦЕРН Крис Ллевеллин Смит, которые руководили лабораторией с 1994 по 1998 год, они даже думали, что его масса может быть около 100 ГэВ и может быть обнаружена на LEP.

Таким образом, очень жаль, что туннель SSC был расширен после 1993 года. Построить там фабрику Хиггса сегодня было бы относительно просто: потребовалось бы только завершить туннель, установить магниты комнатной температуры и построить по крайней мере пару больших детекторов частиц. Это дало бы сообществу физиков высоких энергий жизнеспособный и экономичный путь к созданию такой установки – путь, который не сталкивается с геополитическими и финансовыми проблемами, как сегодня сталкиваются два других круговых проекта..

А если оглянуться назад, можно сказать, что более консервативный, многофазный подход к достижению ТэВного масштаба, который применялся в ЦЕРН, вероятно, позволил бы успешно открыть бозон Хиггса в Фермилабе. Когда ЦЕРН готовился объявить о своем открытии в июле 2012 года, Фермилаб подтвердил результат в три сигмы в канале распада B-мезона, используя многолетние данные, полученные на протон-антипротонном коллайдере с энергией 2 ТэВ.

Когда выдающаяся группа ученых во главе с физиком Стэнфордского университета Стэнли Войжитски оценивая будущее физики высоких энергий в США, в 1983 году Фермилаб предложил построить реактор на 4–5 ТэВ. Выделенный коллайдер полностью в пределах лаборатории. Оглядываясь назад, можно сказать, что этого было бы достаточно, чтобы открыть бозон Хиггса, особенно если бы со временем можно было установить еще более мощные сверхпроводящие магниты.

При таком подходе управление проектом оставалось бы в руках опытной команды физиков-ускорителей, а не уступало бы контроль инженерам военно-промышленного комплекса США, как это произошло в SSC.

История БАКа и SSC — классический пример знаменитой басни Эзопа: Черепаха и заяц. Черепаха также выиграла эту гонку. Но если бы американские физики элементарных частиц следовали более консервативным и экономически эффективным подходам к достижению ТэВной шкалы энергии – вместо того, чтобы пытаться «перепрыгнуть» своих европейских коллег с помощью провального многомиллиардного техасского проекта по восстановлению лидерства США в этой области – История физики высоких энергий могла бы сложиться совсем иначе.

Отметка времени:

Больше от Мир физики