Чи міг інший підхід врятувати надпровідний суперколлайдер? – Світ фізики

Чи міг інший підхід врятувати надпровідний суперколлайдер? – Світ фізики

Мітка часу: 23 жовтня 2023 р., 6:00

Майкл Ріордан стверджує, що якби США дотримувалися більш консервативної стратегії при створенні надпровідного суперколлайдера, історія фізики елементарних частинок могла б бути іншою.

Великий підземний тунель з обладнанням і кабелями
Тунельний зір Суперпровідний суперколлайдер у Техасі отримав різке зростання після того, як на його проектування та будівництво вже було вкладено близько 2 мільярдів доларів. (З дозволу: DOE)

Цього місяця 2 років тому Конгрес США проголосував за припинення роботи надпровідного суперколлайдера (SSC) після того, як на його проектування та будівництво було витрачено близько 87 мільярдів доларів. На той час майже третина його XNUMX-кілометрового тунелю вже була завершена, але опоненти в Конгресі наполягали на тому, щоб SSC був «розширений», щоб він не міг згодом постати з мертвих, як Лазар. Вертикальні стовбури від тунелю до поверхні (див. фото) були максимально заповнені буровим шлаком, а потім дозволено заповнити грунтовими водами.

Зараз, через 30 років, світове співтовариство фізиків високих енергій сподівається побудувати подібний колайдер, який, зрештою, зможе досягати протон-протонних зіткнень при енергіях значно вищих за 15 ТеВ. Детальні проекти таких колайдерів існують у CERN та Китаї але надзвичайно важлива політична воля та міжнародна згода, необхідні для продовження, дедалі рідше трапляються в розколотому світі, що деглобалізується.

Якби ми винесли один урок із провалу SSC та успіху SSC Великий адронний колайдер (LHC), полягає в тому, що широке міжнародне співробітництво є обов’язковим у масштабі багатьох ТеВ енергій зіткнення протонів. Ці величезні дорогі проекти застосовували дуже різні підходи. У випадку SSC американські фізики намагалися перехопити естафету лідерства в надії, що інші країни підуть за ними, побудувавши суперколайдер на новому «зеленому» майданчику в Техасі.

Натомість проект LHC був справді міжнародним заходом, який очолювали європейські фізики та був побудований у CERN, всесвітньо відомій лабораторії фізики високих енергій, залучаючи внески Канади, Індії, Японії, Росії та США. Але цей процес стався в епоху після холодної війни, коли багато країн Східного блоку намагалися демократизуватися та приєднатися до світової економіки, що глобалізується.

Черепаха і заєць

Консервативний двоетапний підхід CERN до будівництва Великий електрон позитрон (LEP) коллайдер, а пізніше LHC виявилися вирішальними. Фізичні дослідження на LEP почалися в 1989 році, тоді як більш складні завдання проектування та виготовлення потужних, складних надпровідних магнітів LHC виконувалися паралельно. Отже, CERN зміг застосувати передові конструкції надпровідних магнітів «два в одному», які були виключені з розгляду SSC як (тоді) надто незрілу та ризиковану технологію.

Оглядаючись назад, такий двофазний підхід послужив би будівельникам SSC набагато краще, ніж шлях, яким користувалися – одночасне копання величезного тунелю та розробка магнітів для його заповнення. Було б багато фізичних досліджень, які можна було б провести на електрон-позитронному колайдері в тому самому тунелі.

Насправді, експерименти на такому колайдері навіть могли бути відкрив бозон Хіггса до рубежу століть і провели роки подальших досліджень його поведінки, поки обтяжливі на той час проблеми надпровідного магніту були розглянуті та вирішені.

Коли SSC проектували у 1980-х роках, проте мало хто з теоретиків думав, що він буде мати масу лише 125 ГеВ. Більшість вважали, що він мав проявлятися на 1 ТеВ. Звідси виникає нагальна необхідність зіткнення пучків протонів з енергією 10–20 ТеВ, бути впевненим у відкритті частинки – або будь-якого іншого явища, відповідального за маси елементарних частинок.

Лише після відкриття в середині 1990-х років топ-кварка на Теватроні Фермілаб з масою 175 ГеВ теоретики почали визнавати, що такий легкий бозон Хіггса дійсно можливий, якщо не ймовірний. За словами колишнього генерального директора CERN Кріс Ллевелін Сміт, який керував лабораторією з 1994 по 1998 рік, вони навіть вважали, що його маса може бути близько 100 ГеВ і може бути виявлена ​​в LEP.

Тому, на жаль, після 1993 року тунель SSC був проштовхнутий. Сьогодні будівництво заводу Хіггса було б відносно простим, вимагаючи лише завершення тунелю, встановлення магнітів кімнатної температури та створення принаймні пари великих детекторів частинок. Це дало б спільноті фізиків високих енергій життєздатний, економічний шлях до створення такого об’єкта – такий, який не стикається з геополітичними проблемами та проблемами фінансування, як це роблять дві інші круглі конструкції сьогодні.

І з додатковим поглядом назад, більш консервативний, багатофазний підхід до досягнення шкали ТеВ – як це було в CERN – ймовірно, дозволив би відкрити бозон Хіггса в Фермілаб. Бо коли CERN готувався оголосити про своє відкриття в липні 2012 року, Фермілаб втрутився з результатом трьох сигм в каналі розпаду B-мезонів, використовуючи дані багаторічної давнини з протон-антипротонного колайдера з енергією лише 2 ТеВ.

Коли поважна група вчених на чолі з фізиком Стенфордського університету Стенлі Войчіцкі оцінюючи майбутнє американської фізики високих енергій у 1983 році, Fermilab запропонував побудувати 4–5 ТеВ Виділений колайдер повністю в межах лабораторії. Оглядаючись назад, цього було б достатньо, щоб відкрити бозон Хіггса, особливо якби врешті-решт могли бути встановлені ще потужніші надпровідні магніти.

Такий підхід залишив би управління проектом в руках досвідченої команди фізиків-прискорювачів, замість того, щоб передати контроль інженерам з військово-промислового комплексу США, як це сталося в SSC.

Історія про LHC і SSC є класичним прикладом відомої байки Езопа, Черепаха і Заєць. Черепаха виграла і в цьому забігу. Але якби американські фізики елементарних частинок дотримувалися більш консервативних, економічно ефективних підходів до досягнення шкали енергії ТеВ – замість того, щоб намагатися «перескочити» своїх європейських колег за допомогою невдалого багатомільярдного техаського проекту, спрямованого на відновлення лідерства США в цій галузі, – Історія фізики високих енергій могла бути зовсім іншою.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики