Китай планує побудувати фабрику Super Tau-Charm вартістю 640 мільйонів доларів – Physics World

Китай планує побудувати фабрику Super Tau-Charm вартістю 640 мільйонів доларів – Physics World

Мітка часу: 27 липня 2023 р., 6:00

Дослідники в Китаї хочуть побудувати фабрику Super Tau-Charm вартістю 640 мільйонів доларів, щоб випробувати стандартну модель фізики елементарних частинок і вивести країну на передовий край точних досліджень. Лін Сінь звіти

BESIII на заводі BEPC у Китаї
Один для майбутнього Запропонована фабрика Super Tau-Charm стане наступником Пекінського електронно-позитронного колайдера, який працює з 1990 року. (З дозволу USTC)

Вчені в Китаї хочуть побудувати новий електрон-позитронний колайдер, щоб перевірити стандартну модель фізики елементарних частинок у безпрецедентних деталях і зберегти країну в авангарді точних досліджень чарм-кварків і тау-лептонів. У разі схвалення будівництво заводу Super Tau-Charm (STCF) вартістю 4.5 мільярда юанів (640 мільйонів доларів) у Хефеї може розпочатися у 2026 році. Операції розпочнуться приблизно через п’ять років.

STCF розглядається як природний наступник Пекінський електрон-позитронний колайдер (BEPC), який був відкритий у 1990 році. Він складається з приблизно 240 м підземних тунелів на заході міста, де електрони та позитрони спочатку прискорюються майже до швидкості світла, а потім розбиваються один об одного, створюючи різноманітні субатомні частинки. Потім траєкторії, енергії та електричні заряди реєструються пекінським спектрометром (BES) для реконструкції процесів реакції.

Працюючи в діапазоні енергій 2–5 ГеВ, BEPC зробив низку важливих відкриттів, особливо у фізиці шарм-кварків і тау-лептонів. У 1996 році, наприклад, дослідники використовували колайдер для проведення точних вимірювань маси частинки тау. Його також використовували для вивчення «екзотичних» частинок, що містять чотири або більше кварків.

На передовій

І прискорювач, і спектрометр у BEPC зазнали серйозних модернізацій у 2000-х роках, щоб отримати те, що сьогодні відомо як BEPC-II/BESIII, а оновлений колайдер, як очікується, працюватиме до початку 2030-х років. Однак його розташування та відносно невелике накопичувальне кільце означають, що буде важко досягти подальших покращень продуктивності, тому фізики елементарних частинок у Китаї зараз звертаються до нової машини.

Вперше запропонований у 2011 році фізиком елементарних частинок Пекінського університету Чжао Гуандою, STCF матиме подібну конструкцію до BEPC, але буде більш ніж удвічі більшим. Його лінійний прискорювач матиме довжину 400 м, тоді як два кільця для зберігання електронів і позитронів матимуть приблизно 800 м в окружності. Завдяки новим прискорювальним технологіям і найсучаснішому спектрометру STCF працюватиме в діапазоні енергії центру маси 2–7 ГеВ і з піковою світністю понад 0.5 × 1035 cm-2/с, приблизно в 100 разів краще, ніж BEPC-II.

«BEPC є одним із найбільш плідних і успішних дослідницьких об’єктів, створених Китаєм», — каже головний науковий співробітник STCF Чжао Чженго з Науково-технологічного університету Китаю (USTC). «Проте порівняно з [BEPC], STCF збільшить частоту зіткнень до 100 разів і відкриє абсолютно новий енергетичний регіон, який ніколи раніше не вивчався». За словами заступника головного наукового співробітника проекту Чжена Янхенга з Університету Китайської академії наук, STCF збере стільки ж даних за три дні, скільки для BESIII потрібно рік.

Це дасть змогу вперше підтвердити, чи дійсно тетракварк має чотири кварки. «Я очікую, що STCF зможе провести остаточні вимірювання, щоб нарешті виявити внутрішню кваркову структуру кількох екзотичних адронів», — говорить Райан Мітчелл з Блумінгтонського університету Індіани, який є учасником співпраці BESIII і підтримує концептуальний дизайн STCF. «Що важливіше, це також допоможе нам краще зрозуміти, як діє сильна сила, щоб зв’язувати кварки».

Ми просто не знаємо, чого очікувати в цьому діапазоні енергії

Райан Мітчелл, Університет Індіани в Блумінгтоні

Оскільки діапазон енергії 5–7 ГеВ ніколи раніше не досліджувався на жодному колайдері частинок, STCF відкриє двері до незвіданих територій і, можливо, навіть до нової фізики за межами Стандартної моделі. «Ми просто не знаємо, чого очікувати в такому діапазоні енергії», — додає Мітчелл.

Щоб досягти добре контрольованих зіткнень всередині STCF, Чжао та його команда розробляють ключові технології, такі як джерела електронів і позитронів високої потужності, надпровідні магніти, а також технології для вимірювання та керування променями з високою точністю. «Вважається, що кожен електрон або позитрон мільйони разів проходить через потенційну точку зіткнення протягом свого життя», — каже Шао Мін з USTC, провідний фізик проекту. «Для нашої розробленої світності нам потрібно переконатися, що вона потрапляє в точку з похибкою не більше ніж кілька сотень нанометрів».

Щоб STCF був у 100 разів більш яскравим, ніж BEPC-II, його спектрометр повинен краще обробляти електронні сигнали від детектора. З цією метою розвиваються партнерські відносини з вітчизняними компаніями. До них належать виробники мікросхем, датчиків і напівпровідників, які можуть створювати компоненти, які Китай не може купувати в західних країнах через експортне ембарго. «Синергія спрацювала добре для нашого проекту та для галузі», — додає головний інженер STCF Інь Лісінь з Шанхайського інституту перспективних досліджень.

наступне покоління

Хоча фінансування є меншою проблемою, ніж це було раніше, тому що місцеві органи влади виділяють більше грошей і приділяють високу увагу розміщенню великих наукових установ, STCF стикається з конкуренцією. Одна з них із фабрики Хіггса наступного покоління – круговий електронно-позитронний колайдер (CEPC) – 100-кілометрове кільце, яке працюватиме з набагато вищими енергіями, але також буде набагато дорожчим.

CEPC також прагне розпочати будівництво до 2030 року, але залишається ймовірність, що обидва можуть отримати добро. «STCF і CEPC не повинні суперечити, оскільки вони займаються дуже різною наукою», — говорить Чжао. «Хоча ці два проекти менш імовірно реалізовуватимуться одночасно, кілька років розриву в реалізації можуть збільшити ймовірність того, що обидва зрештою будуть побудовані».

Дискусії про те, які проекти рекомендувати для майбутнього 15-го п’ятирічного плану Китаю, який розрахований на 2026-2030 роки, вже почалися в китайській спільноті фізиків високих енергій. Хоча як STCF, так і CEPC очолюватиме Китай, STCF вже налічує близько 500 науковців із 74 університетів та науково-дослідних інститутів Азії, Європи та США. Чжао визнає, що через геополітичну напруженість та інші фактори складно зробити STCF справді міжнародним зусиллям, але переконаний, що вони матимуть мінімальний вплив.

«Як і всі експерименти з фізики елементарних частинок у світі, STCF служитиме світовій спільноті фізиків елементарних частинок, і ми вітаємо колег з різним досвідом приєднатися до нас у Хефеї», — додає Чжао. «STCF дозволить Китаю продовжувати лідирувати у світі у фізиці тау-чарму та пов’язаних технологіях протягом наступних десятиліть — Китай нарешті стоїть на передовій».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики