Kina funderar på att bygga en Super Tau-Charm Factory - Physics World för 640 miljoner dollar

Kina funderar på att bygga en Super Tau-Charm Factory - Physics World för 640 miljoner dollar

Tidsstämpel: 27 juli 2023 6:00

Forskare i Kina vill bygga en $640m Super Tau-Charm Factory för att testa standardmodellen för partikelfysik och sätta landet i framkant av precisionsstudier. Ling Xin rapporter

BESIII vid BEPC-anläggningen i Kina
En för framtiden Den föreslagna Super Tau-Charm Factory skulle bli en efterträdare till Beijing Electron Positron Collider, som har varit i drift sedan 1990. (Med tillstånd: USTC)

Forskare i Kina vill bygga en ny elektron-positronkrockare för att testa standardmodellen för partikelfysik i oöverträffad detalj och hålla landet i framkant av precisionsstudier av charmkvarkar och tauleptoner. Om det godkänns kan byggandet av Super Tau-Charm Factory (STCF) på 4.5 miljarder yuan (640 miljoner USD) i Hefei påbörjas 2026. Verksamheten skulle sedan starta cirka fem år senare.

STCF ses som en naturlig efterträdare till Beijing Electron Positron Collider (BEPC), som öppnade 1990. Den består av cirka 240 m underjordiska tunnlar i den västra delen av staden, där elektroner och positroner först accelereras till nära ljusets hastighet innan de krossas i varandra för att generera en mängd olika subatomära partiklar. Banorna, energierna och de elektriska laddningarna registreras sedan av Beijing Spectrometer (BES) för att rekonstruera reaktionsprocesserna.

Genom att arbeta i energiområdet 2–5 GeV har BEPC gjort en rad viktiga upptäckter, särskilt inom charmkvark och tauleptonfysik. 1996 använde forskare till exempel kollideraren för att utföra precisionsmätningar på massan av tau-partikeln. Det har också använts för att studera "exotiska" partiklar som innehåller fyra eller fler kvarkar.

I framkant

Både acceleratorn och spektrometern vid BEPC genomgick stora uppgraderingar på 2000-talet för att bli vad som idag är känt som BEPC-II/BESIII, med den förnyade kollideraren som förväntas fungera långt in i början av 2030-talet. Dess läge och relativt lilla lagringsring gör dock att det blir svårt att uppnå ytterligare prestandaförbättringar, varför partikelfysiker i Kina nu vänder sig till en ny maskin.

Först föreslogs 2011 av partikelfysikern Zhao Guangda från Peking University, STCF kommer att ha en liknande design som BEPC men vara mer än dubbelt så stor. Dess linjäraccelerator kommer att vara 400 m lång, medan de två ringarna för lagring av elektroner och positroner kommer att vara cirka 800 m vardera i omkrets. Med nya acceleratorteknologier och en toppmodern spektrometer kommer STCF att arbeta med ett masscentrumenergiområde på 2–7 GeV och med en toppljusstyrka på mer än 0.5 × 1035 cm-2/s, cirka 100 gånger bättre än BEPC-II.

"BEPC är en av de mest fruktbara och framgångsrika forskningsanläggningar som Kina har byggt", säger STCF:s chefsforskare Zhao Zhengguo från University of Science and Technology of China (USTC). "Men jämfört med [BEPC] kommer STCF att öka kollisionshastigheterna med upp till 100 gånger och öppna upp en helt ny energiregion som aldrig har studerats direkt tidigare." Enligt projektets biträdande chefsforskare Zheng Yangheng från University of the Chinese Academy of Sciences, kommer STCF att samla in samma mängd data på tre dagar som BESIII kräver ett år att samla in.

Detta kommer att göra det möjligt att för första gången bekräfta om en tetrakvark verkligen har fyra kvarkar. "Jag förväntar mig att STCF skulle kunna göra definitiva mätningar för att äntligen avslöja den interna kvarkstrukturen hos flera exotiska hadroner", säger Ryan Mitchell från Indiana University Bloomington, som är medlem i BESIII-samarbetet och stödjer STCF:s konceptuella design. "Ännu viktigare, det skulle också hjälpa oss att bättre förstå hur den starka kraften arbetar för att binda kvarkar."

Vi vet bara inte vad vi kan förvänta oss inom det energiområdet

Ryan Mitchell, Indiana University Bloomington

Eftersom energiområdet 5–7 GeV aldrig har utforskats på någon partikelkolliderare tidigare, kommer STCF att öppna dörren till okända territorier och möjligen till och med ny fysik bortom standardmodellen. "Vi vet helt enkelt inte vad vi kan förvänta oss inom det energiområdet", tillägger Mitchell.

För att uppnå välkontrollerade kollisioner inuti STCF har Zhao och hans team utvecklat nyckelteknologier som högeffektselektron- och positronkällor, supraledande magneter och sådana för att mäta och manipulera strålarna med hög precision. "Varje elektron eller positron är tänkt att passera den potentiella kollisionspunkten miljontals gånger under sin livslängd", säger USTC:s Shao Ming, en ledande fysiker i projektet. "För vår designade ljusstyrka måste vi se till att den når punkten med högst några hundra nanometers fel."

För att STCF ska vara 100 gånger mer lysande än BEPC-II måste dess spektrometer vara bättre på att hantera elektroniska signaler från detektorn. För detta ändamål har partnerskap främjats med inhemska företag. Dessa inkluderar chip-, sensor- och halvledartillverkare som kan skapa komponenter som Kina inte kan köpa från västerländska länder på grund av exportembargon. "Synergin har fungerat bra för vårt projekt och för industrin", tillägger STCF:s chefsingenjör Yin Lixin från Shanghai Advanced Research Institute.

Nästa generation

Även om finansiering är mindre av ett problem än det brukade vara eftersom lokala myndigheter lägger mer pengar och ger hög prioritet till att vara värd för stora vetenskapsanläggningar, möter STCF konkurrens. Den ena är från en nästa generations Higgs-fabrik – Circular Electron Positron Collider (CEPC) – en 100 km ring som kommer att köras med mycket högre energi men också vara mycket dyrare.

CEPC siktar också på att börja bygga till 2030, men det är fortfarande en möjlighet att båda kan få klartecken. "STCF och CEPC behöver inte vara motsägelsefulla eftersom de gör väldigt olika vetenskaper", säger Zhao. "Även om det är mindre sannolikt att de två projekten kommer att hända samtidigt, kan några års lucka i genomförandet öka chansen för båda att byggas så småningom."

Diskussioner om vilka projekt att rekommendera för Kinas kommande 15:e femårsplan, som löper från 2026 till 2030, har redan börjat inom Kinas högenergifysiksamhälle. Medan både STCF och CEPC kommer att ledas av Kina, har STCF redan cirka 500 forskare från 74 universitet och forskningsinstitut i Asien, Europa och USA. Zhao medger att det är en utmaning att göra STCF till en verkligt internationell insats på grund av geopolitiska spänningar och andra faktorer, men är positiv att de kommer att ha en minimal inverkan.

"Som alla partikelfysikexperiment i världen, kommer STCF att tjäna den globala partikelfysikgemenskapen och vi välkomnar kollegor med olika expertis att gå med oss ​​i Hefei," tillägger Zhao. "STCF kommer att tillåta Kina att fortsätta att leda världen inom tau-charm-fysik och relaterade teknologier i decennier framöver - Kina står äntligen i framkant."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden