International Lineær Collider

Skematisk oversigt over den planlagte ILC

The International Linear Collider ( ILC ) er en planlagt lineær accelerator for elektroner og positroner med et center af masse energi på 500  GeV og en samlet længde på 34 km. Iwate Prefecture i det nordlige Japan diskuteres som en mulig placering . ILC ville være et opfølgningsprojekt til Large Electron-Positron Collider (LEP), som opnåede den højeste energi til elektron-positron kollisioner på 209 GeV til dato.

December 2018 talte et udvalg af japanske naturforskere, der undersøgte projektet, imod opførelsen. De anslåede omkostninger på 32 milliarder euro ville være for høje i forhold til den forventede gevinst i viden. Opførelsen af ​​ILC er således ved at ende i Japan. Det faktum, at der bortset fra opdagelsen af ​​Higgs-bosonen ikke blev foretaget nogen større nye opdagelser ved LHC.

Oversigt

ILC er et projektforslag til en elektron-positron-accelerator, hvis tyngdepunkt er mindst 500 GeV, hvilket er langt højere end den tidligere opnåede energi til elektron-positron-kollisioner på 209 GeV. Dette ville gøre det muligt for første gang at undersøge egenskaberne ved Higgs-bosonen og den øverste kvark på en elektron-positronaccelerator, som tillader forskellige og mere præcise målinger end på en protonaccelerator såsom Tevatron eller Large Hadron Collider ( LHC), hvorpå disse partikler først blev påvist. Et andet emne for forskning vil være søgningen efter nye, ukendte elementære partikler .

I modsætning til den tidligere højeste energi-elektron-positron-accelerator LEP er ILC ikke en cirkulær accelerator , men en lineær accelerator. Dette overvinder begrænsningen af ​​stråleenergien i cirkulære acceleratorer, hvilket skyldes det stigende energitab på grund af synkrotronstråling .

For at minimere energitab er det planlagt at anvende superledende acceleratormoduler lavet af niob , som drives ved en temperatur på 2,0  K (-271 ° C) og afkøles med flydende helium .

Gaspedalen består af to arme, der hver er ca. 17 km lange. I hovedarmaturen på den ene arm accelereres elektroner, i de andre positroner til en energi på 250 GeV. Disse bjælker er bundtet i et strålefokuseringssystem og kolliderede ved interaktionsstedet. Det er planlagt at bygge to detektorer, der kan skubbes skiftevis ind i interaktionszonen for at tage data.

Gaspedalen

I modsætning til ringacceleratorer som LHC kan accelererede partikler kun bruges en gang, så nye partikler skal accelereres konstant. For at gøre dette frigives i alt 1312 grupper af elektroner (“klaser”) fra en fotokatode hver 200  ms . Disse accelereres til 5 GeV og indtaster en lagringsring ("dæmpningsring"), hvor de komprimeres inden for 200 ms. Dette er nødvendigt for at opnå de planlagte høje kollisionshastigheder. Elektronerne ledes derefter til den ene ende af den lange acceleratortunnel og accelereres derfra i retning af kollisionspunktet.

Efter accelerationsafsnittet føres elektronerne gennem en bølger , der frigiver gammastråling . Dette anvendes på en titaniumplade styret, hvor produktion over par genereres positroner og elektroner. Positronerne føres også ind i en lagringsring og komprimeres inden for 200 ms. De føres derefter til den anden ende af acceleratortunnelen og accelereres derfra. De når sammenstødspunktet 200 ms efter de elektroner, som de blev genereret med - så de ramte elektronerne i den næste cyklus.

Mellem accelerationssektionerne og kollisionspunktet bygges der et 2,2 km langt "stråleudleveringssystem" til elektroner og positroner, der komprimerer partikelpakkerne til en længde på 0,3 mm, en bredde på 700 nm og en højde på 6 nm.

Acceleratortunnelen, hoveddelen af ​​ILC, siges at være mere end ti gange så lang som SLAC lineær accelerator i Californien med en længde på op til omkring 31 km . Afslutning forventes ikke før 2019 . Den superledende teknologi til acceleratoren er allerede ved at blive testet på fri-elektron laser FLASH på DESY i Hamburg , og vil også blive brugt i det europæiske røntgen laser projekt XFEL .

Det er planlagt at udstyre ILC med to detektorer. Da partikelstrålerne kun kolliderer på et sted, kan detektorerne bevæges sidelæns og kan derfor skiftevis med målingerne.

Forskningsmål

ILC'en kolliderer elektroner og positroner med tyngdepunktenergier mellem 200 og 500 GeV, en udvidelse til 1000 GeV (1 TeV) er mulig.

De vigtigste forskningsmål er

Undersøgelser af Higgs-bosonen

Higgs boson var 2.012 ved accelerator LHC fra CERN opdaget i Genève. Higgs-bosonen har en speciel position i standardmodellen for elementær partikelfysik. Det er den eneste partikel uden spin (indre vinkelmoment). Eksistensen af ​​Higgs-bosonen er en konsekvens af Higgs-mekanismen , der forklarer, hvorfor elementære partikler som elektroner , kvarker og bærere af den svage interaktion har masse. Dette forklarer især, hvorfor den svage interaktion, f.eks. B. er ansvarlig for det radioaktive beta-henfald, så svagt og kort rækkevidde: Koblingen til Higgs-feltet betyder, at W- og Z-bosoner , som formidler den svage interaktion, har en masse på henholdsvis 80 og 91 GeV og derfor  udveksles kun over ekstremt korte afstande på ca. 10 −17 m (1/100 protonradius).

Det såkaldte hierarkiproblem findes i standardmodellen for partikelfysik : kvantekorrektioner fører til, at massen af ​​Higgs-bosonen er meget følsom over for den energiskala, som standardmodellen mister sin gyldighed på. Mange tilgange til løsning af hierarkiproblemet er baseret på antagelsen om nye elementære partikler (fx supersymmetriske partnere) eller nye interaktioner. I sådanne tilfælde forventer man Higgs-bosonets lidt forskellige egenskaber, for eksempel forskellige forgreningsforhold i forskellige henfaldskanaler end dem, der er forudsagt af standardmodellen. Derfor er en nøjagtig måling af disse forgreningsforhold af grundlæggende betydning.

Undersøgelser af den øverste kvark

Med en masse på 173 GeV (som svarer nogenlunde til massen af et guld atom), den top-kvark er langt den tungeste kvark og den tungeste kendte elementarpartikel. På grund af sin store masse parres den øverste kvark stærkere end alle andre partikler til Higgs-bosonen, og den yder et særligt stærkt bidrag til kvantkorrektioner af egenskaber for andre elementære partikler, for eksempel massen af ​​W-bosonen.

Topkvarker kan produceres parvis ved en elektron-positronaccelerator (som et par af en topkvark og et topantikvark ), hvis tyngdepunktets energi ligger over den såkaldte toptærskel ved to gange den øverste masse på 346 GeV. Tidligere elektron-positronacceleratorer havde ikke nok energi til at generere toppar; kun ILC ville gøre denne måling mulig.

En måling af generation som en funktion af tyngdepunktet energi viser en stejl stigning i området omkring toppen tærskel, stilling og højde som forudsiges meget præcist ved teori og således muliggøre en meget nøjagtig måling af massen og henfaldsbredden af den øverste kvark.

Målinger af fordelingen af ​​flyvevejledningen for de øverste kvarker (produktionsvinklen) giver information om de forskellige koblinger af venstre og højrehåndede topkvark til Z-bosoner. Igen er denne måling en følsom test af standardmodellens forudsigelser, og afvigelser vil give slutninger om fysik ud over standardmodellen.

Søg efter ukendte elementære partikler

Med en massecenterenergi på 500 GeV ville ILC være i stand til at producere partikel-antipartikelpar af nye, ukendte partikler med en masse på op til 250 GeV (omtrent svarende til massen af ​​et uranatom ); efter en udvidelse til 1 TeV -massecenter energi ville være det dobbelte af dette område. Søgningen efter nye partikler vil derfor være et fokus for forskning på ILC, som det er tilfældet med enhver partikelaccelerator, der opnår en højere energi end tidligere anlæg.

For at være i stand til at opdage en ny partikel skal den genereres tilstrækkeligt ofte, og begivenheder med den nye partikel skal afvige fra andre begivenheder med tilstrækkelig sikkerhed (kvalitativt eller kvantitativt). Derfor er det tilgængelige centrum for masseenergi kun en parameter, der påvirker udsigten til at finde nye partikler. Andre parametre er typen af ​​strålepartikler (elektroner og positroner eller kvarker eller gluoner fra protoner) og den hastighed, hvormed andre begivenheder (såkaldt baggrund) genereres. Selvom LHC-acceleratoren ved CERN allerede kan producere partikler med masser over 250 GeV eller 500 GeV, forudsiger nogle teorier partikler med lavere masser, som sandsynligvis kun vil blive opdaget ved ILC på grund af den lavere undergrundshastighed eller vil blive undersøgt nærmere der.

I mange modeller er data fra en elektron-positronaccelerator absolut nødvendige for at være i stand til pålideligt at bevise eller udelukke eksistensen af ​​nye partikler i bestemte masseområder. Dette gælder også for mange modeller inden for supersymmetri, hvor, afhængigt af værdierne for nogle parametre, endda relativt lette partikler kan blive genereret for sjældent i proton-proton kollisioner eller generere signaler, der er for iøjnefaldende til at være i stand til registreres pålideligt. En elektron-positronaccelerator med den størst mulige tyngdepunktenergi som ILC ville således være komplementær til LHC.

Forholdet til Large Hadron Collider (LHC)

Large Hadron Collider (LHC) har været i drift siden 2008, og når protoner kolliderer med protoner, når det et centrum af massenergi på 13 TeV, som potentielt også kan generere partikler, hvis masse er for stor til at kunne genereres direkte ved ILC. Sammenlignet med en proton-protonaccelerator har en elektron-positronaccelerator flere egenskaber, der gør brugen attraktiv på trods af den generelt lavere tyngdepunktenergi:

  • Når elektroner ødelægges af positroner, er hele tyngdepunktenergien tilgængelig til dannelse af nye partikler, mens i proton-protonkollisioner og proton- antiproton- kollisioner ødelægges gluoner eller kvark-antikvarkpar, som kun indeholder en (a priori ukendt) Bær en del af tyngdepunktet. Som et resultat er den effektive tyngdepunktenergi i proton-proton kollisioner omkring en størrelsesorden mindre end det nominelle tyngdepunkt energi.
  • På grund af den fuldstændige tilintetgørelse af elektron-positron-parene kendes hele energien og hele fremdriften af ​​de resulterende partikler. Usynlige partikler såsom neutrinoer kan detekteres og måles på grund af deres rekyl (rekylmetode).
  • Proton-proton kollisioner forekommer overvejende via spredning af kvarker og gluoner blandt hinanden, hvilket fører til høje begivenheder med delvist højenergi partikel jets, som repræsenterer en forstyrrende baggrund til påvisning og undersøgelse af nye partikler og stiller høje krav til betjeningen af ​​detektorerne. I modsætning hertil er baggrundshastigheden ved elektron-positron kollisioner flere størrelsesordener lavere. Denne mindre baggrund gør det muligt at opdage mere sjældne begivenheder eller dem med mindre koncise underskrifter, der ikke længere kan adskilles fra baggrunden i proton-proton kollisioner.

Samlet set er elektron-positronacceleratorer som ILC og proton-protonacceleratorer som LHC komplementære forskningsenheder; Elektron-positronacceleratorer har fordele i nøjagtighed og i studiet af sjældne hændelser, især hvis de medieres af elektrosvækket interaktion, mens proton (anti) protonacceleratorer som LHC når højere energier og især i studiet af stærkt interagerende partikler som tunge kvarker (eller deres hypotetiske superpartnere, squarks) giver fordele.

Weblinks

Individuelle beviser

  1. ^ T. Behnke et al.: The International Linear Collider Technical Design Report - bind 1: resumé . 2013, arxiv : 1306.6327 ( ILC TDR bind 1 ).
  2. ↑ linearcollider.org
  3. ↑ Rika Takahashi: ILC-kandidatsted i Japan annonceret. 29. august 2013. Hentet 2. september 2013 .
  4. ^ [Jan Osterkamp, ​​Ny partikelaccelerator inden udgangen], Spektrum.de, 20. december 2018
  5. ^ H. Baer et al.: The International Linear Collider Technical Design Report - bind 2: fysik . 2013, arxiv : 1306.6352 ( ILC TDR bind 2 ).
  6. ^ C. Adolphsen et al.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volume 3.II: Accelerator Baseline Design . 2013, arxiv : 1306.6328 ( ILC TDR Vol. 3.II ).
  7. ^ T. Behnke et al.: The International Linear Collider Technical Design Report - Volume 4: Detectors . 2013, arxiv : 1306.6329 ( ILC TDR bind 4 ).
  8. LC ILC Technical Design Report, bind 1, s. 10 ( online version )
  9. ↑ Barry Barish på www.linearcollider.org (engelsk)
  10. ^ ILC's tekniske designrapport