Машины будущего для исследования новых рубежей в физике элементарных частиц

Джим Зигрист из отдела науки Министерства энергетики США рассказывает, как будущие машины будут исследовать новые рубежи в физике элементарных частиц

Физика элементарных частиц глобальна. Решение самых неотложных научных вопросов в этой области требует знаний со всего мира.Для решения широкого спектра самых актуальных научных вопросов требуется опыт и знания со всего мира. Сроки разработки международного объекта мирового класса для исследования новых рубежей в субатомном мире могут занять десятилетия, но он построен на основе множества этапов, обозначающих научные и технические достижения. Министерство энергетики США (DOE) Office of Science работает с партнерами по всему миру, чтобы реализовать следующее поколение установок в области физики частиц и обеспечить возможности для будущих открытий.

Изучение науки о нейтрино

Сегодня в США ведутся фундаментальные работы по размещению международного исследовательского центра по изучению нейтрино. Эти призрачные частицы редко взаимодействуют с другими формами материи и по мере своего передвижения меняют свой полет между тремя известными типами. Чтобы точно изучить это загадочное поведение, нейтринная установка с длинной базовой линией (LBNF) произведет самый интенсивный в мире пучок нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) Министерства энергетики США в Иллинойсе и отправит его на 1300 км через землю в подземный исследовательский центр Сэнфорда в Южной Дакоте.

Новый ускоритель сверхпроводящих частиц в Фермилабе, Proton Improvement Plan II (PIP-II), обеспечит пучок протонов высокой интенсивности, необходимый для создания нейтрино. Примерно на 1500 м ниже уровня Земли в Южной Дакоте, в глубоком подземном эксперименте по нейтрино (DUNE) будут измеряться нейтрино, поступающие из Иллинойса, а также из природных источников, таких как сверхновые из нашего региона Млечного Пути. В настоящее время в рамках международного сотрудничества более 1000 ученых из 33 стран работают над разработкой и созданием крупномасштабного детектора DUNE, используя результаты прототипов на платформе CERN Neutrino, чтобы усовершенствовать их конструкцию и технологию.

Международное партнерство будет играть решающую роль в успешной реализации этой новой международной нейтринной установки. Департамент науки Министерства энергетики США работает над укреплением существующих партнерских отношений в области физики высоких энергий и созданием новых с международными партнерами, с целью объединения необходимых научных талантов и технических знаний. В настоящее время заключены официальные соглашения с Европейской организацией ядерных исследований (CERN), а также с правительствами Индии, Италии и Великобритании, чтобы внести свой вклад в различные области этого мегамасштабного нейтринного проекта.

В настоящее время ведутся переговоры о расширении партнерских отношений с рядом других стран Европы, Азии и Южной Америки. Фактически, благодаря таким партнерским отношениям сотрудничества, вклад в PIP-II сделает эту установку первым проектом ускорителя, размещенным в США, с существенным вкладом со стороны международных партнеров.

Разработка технологии ускорителей частиц

Департамент науки Министерства энергетики США также разрабатывает технологию ускорителей элементарных частиц, которая поможет создать в будущем объекты физики элементарных частиц по всему миру. Министерство энергетики поддерживает разработку будущей «фабрики Хиггса», электронно-позитронного коллайдера с международным участием, который мог бы производить множество бозонов Хиггса, что позволит проводить точные исследования, дополняющие исследования на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Для реализации этого проекта, Министерство энергетики поддерживает исследования и разработки в области технологий ускорителей и детекторов, чтобы Япония могла продвигаться вперед с Международным линейным коллайдером (ILC). Наши ученые разрабатывают усовершенствования сверхпроводящей технологии, которые повысят эффективность резонатора ускорителя и снизят стоимость строительства и последующих операций. В течение прошлого года Министерство энергетики также сотрудничало с Государственным департаментом США, Управлением по научно-технической политике Белого дома и Советом национальной безопасности, чтобы предпринять согласованные усилия для поддержки японской инициативы по продвижению вперед предлагаемой КМП “Предлабораторной” фазы проекта.

В июне Совет ЦЕРН единогласно принял резолюцию, обновляющую Европейскую стратегию по физике элементарных частиц на 2020 год. Как недавно отметил Генеральный директор ЦЕРН, эта стратегия является дальновидной и амбициозной, оставаясь при этом реалистичной и благоразумной, подчеркивая многие перспективные инициативы в области физики частиц, которые могут быть реализованы в сотрудничестве с глобальными партнерами, включая включая Министерство энергетики. В качестве одного из своих главных приоритетов европейская стратегия считает успешное завершение модернизации ускорителя LHC и экспериментальных детекторов ATLAS и CMS . Чтобы обеспечить новую эру программы LHC, Министерство энергетики и науки вносит свой вклад в модернизацию ускорителя, в том числе в разработку в США высокоэффективных сверхпроводящих магнитов на основе ниобия и олова, а также в разработку современных детекторных элементов для ATLAS и CMS-детекторов.

Будущее: новые рубежи в физике элементарных частиц

Заглядывая в будущее в сторону следующего объекта после LHC, в настоящее время ведутся исследования кругового коллайдера (FCC), комплекса следующего поколения, который может достигать энергии столкновения частиц в семь раз больше, чем у LHC. Создание такого объекта - один из ключевых пунктов обновления европейской стратегии 2020 года.

Ранее в этом году управление науки Министерства энергетики США в партнерстве с ЦЕРНом и национальными лабораториями по всей Европе провело инновационное исследование FCC в рамках инициативы Европейской комиссии Horizon 2020 Design Study, которая должна была изучить технический проект коллайдера окружностью 100 км на франко-швейцарской границе, который также мог бы использовать существующую инфраструктуру в ЦЕРНе. Исследование позволит ученым и инженерам оптимизировать конструкцию коллайдера частиц и спланировать исследования в рамках подходящего проекта гражданского строительства, а также позволит всем глобальным партнерам интегрироваться в сеть исследования и сообщество пользователей.

Более того, DOE и CERN недавно начали обсуждения о расширении сотрудничества DOE в рамках предлагаемого будущего коллайдера CERN и с нетерпением ждут сотрудничества с CERN и другими международными партнерами, чтобы представить технологию, которая могла бы обеспечить Future Circular Collider. В целом такие объекты, как LHC, FCC и LBNF/DUNE/PIP-II, пересекающие границы науки и технологии, создают условия для наших дальнейших поисков и достижения фундаментальных открытий.

https://www.openaccessgovernment.org/particle-physics/94041/