Четко обрисован научный потенциал будущего коллайдера ILC

На днях в архиве е-принтов появился 52-страничный обзор The Potential of the ILC for Discovering New Particles (arXiv:1702.05333) за авторством очень представительного коллектива физиков. Этот обзор посвящен научному потенциалу будущего линейного электрон-позитронного коллайдера ILC. По сути, это выжимка из сотен опубликованных к настоящему моменту теоретических исследований того, какие научные результаты следует ожидать от этого коллайдера в том или ином сценарии развития физики частиц.

Напомним, что проект линейного электрон-позитронного коллайдера ILC — это лидирующая на сегодня кандидатура на следующий ключевой ускорительный комплекс, который придет на смену Большому адронному коллайдеру. Базовая схема ILC — это длинный, под 50 км, линейный ускоритель электронов и позитронов с суммарной энергией 500 ГэВ. Технологии для этого ускорителя уже давно готовы, и даже выделена площадка под него на территории Японии. Дело осталось за малым: для финансирующих организаций — договориться о вкладах разных стран, а для самих физиков — решиться на этот проект в нынешней ситуации, когда Новая физика еще не открыта. Несмотря на намного более скромную по сравнению с LHC энергию, этот ускоритель будет проводить столкновения в исключительно чистых условиях, без того огромного фона из сотен посторонних адронов, который сильно портит жизнь на LHC. Как следствие, многие важные величины будут измерены на ILC намного точнее, чем на LHC. А это значит, что, сравнив их с предсказаниями Стандартной модели, физики смогут заглянуть еще дальше по шкале энергий и попытаться обнаружить Новую физику.

Представленный обзор перечисляет, на каких именно величинах следует сфокусироваться и какую выгоду по сравнению с LHC можно будет получить. Прежде всего, это тщательное изучение свойств хиггсовского бозона; фактически, ILC будет настоящей фабрикой хиггсовских бозонов. Если на LHC вероятности основных процессов с их участием известны с 20–50-процентной точностью, то на ILC точность улучшится примерно до 1%. Также на ILC станет впервые доступна для измерения важнейшая характеристика хиггсовского бозона: его взаимодействие с самим собой. Есть попытки разглядеть этот процесс и на LHC, но при нынешней статистике это остается безнадежным занятием. Важность этого измерения в том, что он косвенно позволит узнать, как в ранней горячей Вселенной происходил электрослабый фазовый переход, а через него — как возникла асимметрия между веществом и антивеществом в нашей Вселенной.

Очень чистые эксперименты позволят заметить даже очень слабые отклонения от СМ. Так, если в природе существуют новые взаимодействия с тяжелыми частицами-переносчиками, то ILC их косвенно обнаружит вплоть до массы 12 ТэВ. Также на ILC открывается широкий спектр возможностей для открытия суперсимметрии в тех вариантах этой теории, которые не удастся увидеть на LHC из-за огромного адронного фона. Появляются и новые возможности для коллайдерного обнаружения частиц темной материи — и даже их детального изучения, если они будут открыты.

Все эти оценки приведены в обзоре для трех сценариев развития событий в ближайшие годы: когда LHC находит новые сравнительно легкие частицы, новые тяжелые частицы или не находит ничего нового. Как сложится ситуация в реальности, мы пока не знаем. Ключевыми тут станут ближайшие лет 6–7. К этому моменту завершится сеанс LHC Run 3, и коллайдер будет остановлен на несколько лет для перехода к новой фазе — LHC на высокой светимости. В зависимости от результатов LHC станет ясно, насколько оправдано будет вложение средство в ILC по сравнению с альтернативными ускорительными проектами.


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • Fireman  | 23.02.2017 | 18:20 Ответить
    Понимаю, что не дураки разрабатывают все это, но интересно:

    Если бы отказались от ILC, а все, что было бы потрачено на создание 50км шахты бросить на R&D мюонного коллайдера в туннеле LHC, то не полчилось бы выгоднее? Со сдвиганием сроков относительно ILC лет на 5-10

    Или просто для мюонного сейчас нет задач, чтоб такие средства в его разработку вливать
    Ответить
    • Игорь Иванов > Fireman | 23.02.2017 | 18:36 Ответить
      Еще ничего не было потрачено на 50 км туннель, его еще не начали копать. Проект ILC в таком состоянии, когда стороны еще не договорились окончательно, кто сколько денег вкладывает.

      Для мюонного коллайдера пока нет работающих технологий. Даже если вы насильно создадите установку, она не будет работать. Я уж не говорю о том, что нынешний туннель LHC для него не подходит.
      Ответить
      • Fireman > Игорь Иванов | 23.02.2017 | 19:29 Ответить
        Я немного о другом:

        Для ILC окончательно не утвержден бюджет (который все равно будет наверное превышен, как бывает с любой новой технологией), часть бюджета - это инфраструктура (в том числе туннель). В результате куча средств пойдет даже не на саму установку, а на обустройство места, где она должна работать (кажется для LEP это составило 50% всего бюджета, но могу путать)

        На выходе - Хиггсовская и t фабрика (ведь никто же не мешает получать t-кварки, нужно лишь немного поднять энергию).

        Если скажем в Run2-Run3 обнаружат частицу на 2-10ТэВ, то ILC (и вообще все перспективное электронно-линейное) до нее никогда не дотянется (если только какой-то прорыв с магнитами не случится)

        Поэтому и подумалось про мюонный коллайдер. С одной стороны он появится лет через 60, но 5-10Гигадолларов не способны сократить сроки лет до 15-20?

        P.S.

        на счет LHC туннеля да, погорячился. На 0.99999с мюон 5 кругов по кольцу намотает, а оно надо
        Ответить
        • Игорь Иванов > Fireman | 25.02.2017 | 01:27 Ответить
          Ну вот как раз в обзоре и описывается, какую научную информацию ILC может дать, если будет обнаружена частица с массой несколько ТэВ (и опять же, зависит от того, какая именно частица). ILC за счет точного измерения сечения сможет чувствовать многоТэвные частицы.

          > С одной стороны он появится лет через 60, но 5-10Гигадолларов не способны сократить сроки лет до 15-20?

          Может быть, способны. А может, и нет. Это не предсказать. Тнехнические препятствия не стоит недооценивать. Термояд вон тоже обещают уже сколько десятилетий.
          Ответить
          • VICTOR > Игорь Иванов | 25.02.2017 | 21:04 Ответить
            Какой-то гипотетический бозон с зарядом (1 или 2) и спином 0 например не может родиться вообще при столкновении e-anti-e?
            Или возможно что-то вроде
            e + e~ -> "Boz+" + e + e +e~ + nu_e~,
            где под тильдой имею в виду античастицу? А спины родившейся пары "e + nu_e~" направлены в противоположные направления.
            Для "дважды заряженного" если энергии хватит, то придумаем что-то вроде:
            e + e~ -> "Boz++" + e + e +e~ + nu_e~ + e + nu_e~.
            Где в любой реакции 1 родившаяся пара может быть так же мюонной или таонной.
            Ответить
      • PavelS > Игорь Иванов | 25.02.2017 | 13:48 Ответить
        А тоннель БАК для мюонного не подходит почему? Слишком круглый? Не получится "нейтрино-фабрика"?
        Ответить
        • VICTOR > PavelS | 25.02.2017 | 21:10 Ответить
          Мюоны на суммарную энергию 1.5 ТэВ - это без особых проблем, кроме того, что нужно будет их разогнать хотя бы до 1.2 ГэВ за 0.22 мкс от точки рождения. Что-то большее на "слишком круглом" - куда большая мощность синхротронного излучения от каждой частицы.
          Ответить
          • PavelS > VICTOR | 26.02.2017 | 00:52 Ответить
            1.5ГэВ - это ж совсем не много. Метров эдак 75 линейная секция нужна.
            Синхротронное излучение от мюонов вроде не так уж и велико, уж точно не как у электронов.
            Ответить
            • VICTOR > PavelS | 26.02.2017 | 13:25 Ответить
              Я именно подобрал 1.5 ТэВ так, что бы Лоренц-фактор был приблизительно как у протонов при суммарной энергии 13 или 14 ТэВ. По моему пониманию и памяти про теории поля заряд q = 1*|e| при равном Лоренц-факторе будет излучать одинаково и в случае протона, и в случае мюона. Разница может быть в том случае, если какая-то сила начнет вертеть наш мюон с очень большой угловой частотой (в смысле поворота спина). Но так как у мюона магнитный момент куда меньше, чем векторная сумма 3 моментов кварков, то вертеть нужно быстро.
              А про 1.2 ГэВ я говорю в смысле того, что нужно быстро разогнать нестабильный мюон до большого Лоренц-фактора. Разгон за мое время на дистанции 75 метров - это средняя скорость "только" 3.4*10^8 м/с. Значит у нас уже противоречие и не так и просто разгонять мюоны, какой-то процент обязательно распадется.
              После этого возникает вопрос - как-то мюонный коллайдер очищают от возникших электронов, которые будут пробовать получить те самые 500 ГэВ энергии, полагаемые мюонам, и потратят из них большой процент на излучение?
              Ответить
              • PavelS > VICTOR | 26.02.2017 | 16:26 Ответить
                Величина "ваше время" в моём расчете не участвует. Мюон не за "ваше время" разгоняется, а разгоняется гораздо быстрее. Мюон, как я считал, разгоняется полем в среднем в резонаторах дающих среднее 20МВ/м. Это не рекордная, а вполне нормальная величина для линейных коллайдеров. Пройдя ~5 метров он уже приобретает энергию равную его энергии покоя и пропорционально падает темп распада.

                Электроны отсеиваются понятно как, на первом же повороте они повернут гораздо круче, чем мюоны, т.к. их масса меньше. Впрочем, на первых метрах разгона возможно паразитные потери на разгон электронов и будут велики.

                Также мне не вполне ясно, что мешает получать мюоны в электрон-позитронных столкновениях на резонансной энергии, когда пучки идут под небольшим углом и в центр масс не неподвижен относительно земли. Тогда мюонные пары вылетали бы уже чутка разогнанными и довольно-таки "холодными".
                Ответить
                • VICTOR > PavelS | 26.02.2017 | 17:19 Ответить
                  Куда-то летят мюонные пары, куда-то - компенсирующие лептонный заряд пары нейтрино-антинейтрино. Неопределенность у нас есть (у каждой родившейся частицы есть по 3 проекции импульса). Если энергия резонансная, то её хватает только на чуть больше, чем масса родившихся мюонов + энергия 4 нейтрино.
                  Мюоны конечно получат импульс меньший, чем был у начальных электронов. Если при подборе суммарная энергия мюонов скажем не выше 215 МэВ выйдет, то и большого разброса по энергии не выйдет у них.
                  Ну и необходимо, что бы поле разгона присутствовало и в точке столкновения и развело родившееся частицы до того, как они аннигилируют обратно.
                  Ответить
                  • PavelS > VICTOR | 26.02.2017 | 21:20 Ответить
                    Нейтрино-то зачем? Мюон+антимюон - они безнейтринным же способом аннигилируют в электрон-позитронную пару? Я просто не знаю, но нейтрино кажутся лишними. Тут ведь нечего компенсировать. 0 на вход, 0 на выход. Потому я и говорю об ожидании резонансного пика, что он должен быть мощным и узким, что никаких частиц кроме мюонов возникать на нём не может. Так что если б я фантазировал, то я бы взял бы пару пучков электрон-позитронов и их сталкивал бы - фокусируется такое отлично, как у электронного микроскопа, так что общий КПД процесса можно надеяться будет вполне сносным.

                    Развести пару частиц не проблема, достаточно сталкивать их в магнитном поле. Движущаяся пара частиц сразу же разойдётся.
                    Ответить
                    • VICTOR > PavelS | 26.02.2017 | 21:49 Ответить
                      Точно, можно и без рождения лишнего.
                      Это чуть сложнее будет при рождении бозона какого-то (см. вчерашний комментарий мой чуть Выше).
                      И у меня идея в том, что расходиться будут как и сходиться, нужно только довести электрический потенциал ускорителя до самой точки рождения. Под электрическим можно иметь в виду переменное магнитное поле, которое гонит частицы по кругу вокруг вектора "dB/dt".
                      Ответить
  • VICTOR  | 24.02.2017 | 00:34 Ответить
    Возник такой вопрос про длинный коллайдер на 500 ГэВ (это ведь 250+250?). Имеет ли смысл к проекту "длинная труба" городить предварительный ускоритель (причем с 2 концов) до энергии смешной энергии по 350 МэВ, в форме кольца? Как бы потери на излучение будут куда меньше, чем были на LEP, кольцевой предполагаю потому, что он будет меньше.
    Или все равно любая такая идея не даст существенного изменения длины - скажем с 51 км уменьшится до 50 км, но на концах тоннеля нужно будет вырыть круги диаметром по 300 метров?
    Ответить
    • Игорь Иванов > VICTOR | 25.02.2017 | 01:28 Ответить
      Конечно, там тоже многоступенчатая система ускорения. Но я не очень понимаю, какую именно выгоду вы видите здесь.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»