Das „P5“-Gremium amerikanischer Teilchenphysiker sagt, dass die Arbeit an der Entwicklung eines künftigen Myonenbeschleunigers es den USA ermöglichen könnte, die „Energiegrenze“ zurückzuerobern Michael Allen enthüllt
Die USA sollten den Bau eines Myonenbeschleunigers prüfen und eine „aggressive“ Forschung und Entwicklung der für eine solche Anlage erforderlichen Technologien betreiben. Zu diesem Schluss kommt ein hochkarätiges Gremium aus US-amerikanischen und internationalen Teilchenphysikern nach einem Jahr voller Treffen zur Erörterung der Zukunft der US-amerikanischen Hochenergiephysikforschung. Die Wissenschaftler erkennen jedoch an, dass erhebliche technische Herausforderungen bewältigt werden müssten, um einen Myonenbeschleuniger zu bauen.
Die mögliche Entwicklung einer Myonenanlage ist Teil einer langfristigen, 20-jährigen Vision für die Teilchenphysik, die Anfang Dezember vom Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) veröffentlicht wurde (siehe Kasten unten). Seit 2003 trifft sich die P5 alle zehn Jahre, um große und mittlere physikalische Forschungsprojekte zu bewerten. Anschließend leitet es seine Empfehlungen an Förderagenturen wie das US-Energieministerium (DOE) und die National Science Foundation weiter.
Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 am CERN Large Hadron Collider, begannen Teilchenphysiker mit der Planung des Baus einer sogenannten Higgs-Fabrik, die Elektronen mit Positronen kollidieren lassen sollte, um eine detailliertere Untersuchung der Eigenschaften des Higgs-Bosons und anderer Teilchen zu ermöglichen. Einige dieser Designs fordern einen 90 km langen Tunnel, der Mitte der 2040er Jahre erstmals Elektronen mit Positronen kollidieren lassen würde, bevor er später in diesem Jahrhundert als 100-TeV-Proton-Proton-Maschine zur Suche nach neuer Physik umfunktioniert wird.
Doch der Übergang zu diesen Energien – und möglicherweise sogar noch höheren – ist kompliziert. Bei Energien nahe 1 TeV verlieren Elektronen in einem Kreisbeschleuniger viel Energie durch Synchrotronstrahlung. Für Protonen ist das kein großes Problem, aber um höhere Energien als 100 TeV zu erreichen, ist ein noch größerer Ring als 90 km erforderlich und wahrscheinlich auch neue Technologien. Eine alternative Möglichkeit ist die Kollision von Myonen – Cousins von Elektronen, die 200-mal schwerer sind. Da Myonen viel schwerer sind als Elektronen, wäre der Energieverlust in einem Myonenbeschleuniger weniger problematisch.
Daniel Schulte, Studienleiter der Internationale Zusammenarbeit mit dem Myon Collider, der nicht im P5-Komitee war, sagt, dass die Synchrotronstrahlung in einem Myonenbeschleuniger „um einen Faktor von mehr als einer Milliarde reduziert“ wird. „[Myonen] sind interessant, weil sie [Elektronen und Positronen] direkt ersetzen könnten und ein 10-TeV-Myonenbeschleuniger in Bezug auf die physikalische Reichweite in etwa einem 100-TeV-Protonenbeschleuniger entspricht“, sagt Schulte, dessen Zusammenarbeit aus mehr als 60 Instituten besteht , darunter CERN, die einen Entwurf für eine fortschrittliche Myonenanlage entwerfen. Jede zukünftige Myonenanlage könnte möglicherweise viel kompakter und möglicherweise billiger zu bauen sein – ein Myonenbeschleuniger mit der gleichen Reichweite wie ein 100-TeV-Protonenbeschleuniger würde beispielsweise auf den bestehenden Standort von Fermilab passen.
CERN-Physiker treffen sich in London, um zukünftige Pläne für einen Collider auszuarbeiten
Das P5-Komitee bezeichnet es als „unseren Myonenschuss“ und erklärt, dass ein Myonenbeschleunigerprogramm zu den Ambitionen der USA passen würde, eine große internationale Collider-Anlage zu beherbergen, die es ihnen ermöglichen würde, weltweite Bemühungen zum Verständnis der grundlegenden Natur des Universums anzuführen. Das P5-Gremium empfiehlt nun, dass die USA innerhalb des kommenden Jahrzehnts große Test- und Demonstrationsanlagen für einen so fortschrittlichen Collider bauen. Der Bericht empfiehlt außerdem, dass die USA an der International Muon Collider Collaboration teilnehmen und „eine führende Rolle bei der Definition eines Referenzdesigns übernehmen“.
Karsten Heger, ein Physiker an der Yale University, der Co-Vorsitzender des P5 ist, sagte Physik-Welt dass die Empfehlung für den Myonenbeschleuniger dem Wunsch entsprang, über die langfristige Zukunft der Teilchenphysik in den USA nachzudenken, die über die aktuelle Zahl geplanter und sich entwickelnder Projekte hinausgeht. Laut Heeger hat diese Forschungs- und Entwicklungsempfehlung in der US-amerikanischen Teilchenphysik-Community „große Aufregung“ hervorgerufen, insbesondere bei jüngeren Wissenschaftlern. „Sie sind der Meinung, dass die Möglichkeit, Forschung und Entwicklung zu betreiben, um über eine zukünftige Collider-Anlage nachzudenken, wirklich spannend ist, insbesondere wenn wir sie möglicherweise in den USA beherbergen können“, fügt er hinzu.
Herausforderungen für die Zukunft
Ein Myonenbeschleuniger steht jedoch vor großen technischen Herausforderungen und es würde Jahrzehnte dauern, bis eine Entscheidung zum Bau eines solchen getroffen werden könnte. Ein Problem bei Myonen besteht darin, dass sie in knapp 2.2 Mikrosekunden zerfallen und in dieser Zeit eingefangen, gekühlt und beschleunigt werden müssten. „Es verschiebt wirklich die technischen Grenzen in allen Bereichen“, sagt Heeger. „Die Magnetentwicklung, die Beschleunigungstechnologie, die Strahlfokussierung; All diese Dinge werden von entscheidender Bedeutung sein und müssen im Vergleich zum aktuellen Stand verbessert werden“, fügt er hinzu.
Schulte stimmt zu, dass ein Myon-Collider ohne die begrenzte Lebensdauer des Myons „einfach“ wäre. Er sagt, dass eine der größten Herausforderungen darin bestehen wird, die erforderliche Magnettechnologie zu entwickeln. Sobald die Myonen beispielsweise durch Protonenkollisionen erzeugt wurden, werden supraleitende Hochtemperaturmagnete benötigt, um sie abzukühlen und abzubremsen. Und diese Technologie muss auf kleinstem Raum untergebracht werden, um den Myonenverlust zu reduzieren. Um den Myonenstrahl zu beschleunigen, werden dann Hochgeschwindigkeitsmagnete benötigt, die sich sehr schnell bewegen lassen.
Hochenergiephysik: Gehen die Tage der internationalen Zusammenarbeit zu Ende?
Das Problem ist, dass viele dieser Technologien noch nicht existieren oder noch in den Kinderschuhen stecken. Trotz dieser Herausforderungen ist Heeger zuversichtlich, dass ein Myonenbeschleuniger gebaut werden könnte: „Teilchenphysiker und Beschleunigerphysiker haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten unglaublichen Einfallsreichtum gezeigt, und deshalb bin ich optimistisch“, sagt er. Aber selbst wenn eine solche Anlage nicht realisierbar ist, würde die Arbeit daran auf den aktuellen US-Stärken in der Teilchenphysik aufbauen und zu Verbesserungen bei Protonen- und Neutrinostrahlanlagen beitragen. Es hätte wahrscheinlich auch weitreichende Vorteile für die Gesellschaft, einschließlich der Produktion medizinischer Isotope, der Materialwissenschaften und der Kernphysik, weshalb Heeger davon überzeugt ist, dass es sich um eine „gut angelegte Investition“ handelt.
Die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitermagneten beispielsweise hätte wichtige Auswirkungen über die Teilchenphysik hinaus. Sie könnten für Kernfusionsreaktoren nützlich sein und die Leistung von Windkraftanlagen verbessern. Schulte glaubt auch, dass die Arbeit an einem Myonenbeschleuniger erhebliche Vorteile für die Ausbildung der nächsten Generation von Wissenschaftlern bringen wird. „Dies ist ein großartiges Projekt, weil die Dinge neu sind, es Raum für Erfindungen und Kreativität gibt, der Geist ist ganz anders als bei einem Projekt, bei dem etwas, das wir in der Vergangenheit gemacht haben, in größerem Umfang neu gemacht wird“, fügt er hinzu.
Planung des zukünftigen Verlaufs der US-amerikanischen Teilchenphysik
Der Bericht der P5 – Wege zu Innovation und Entdeckung in der Teilchenphysik – baut auf den Ergebnissen einer Snowmass-Konferenz auf, bei der Teilchenphysiker und Kosmologen aus der ganzen Welt im Juli 10 zehn Tage lang in Seattle zusammenkamen, um Forschungsprioritäten und zukünftige Experimente zu diskutieren. Der P2022-Bericht zielt darauf ab, ein Forschungsportfolio zu schaffen, das nahezu alle grundlegenden Bestandteile des Universums und ihre Wechselwirkungen untersucht und dabei sowohl die kosmische Vergangenheit als auch die Zukunft abdeckt.
Im Hinblick auf bestehende Projekte hat das P5-Komitee höchste Priorität auf den Abschluss des High-Luminosity-Upgrades am Large Hadron Collider des CERN sowie auf die erste Phase des Projekts Tief unterirdisches Neutrino-Experiment (DUNE) in Lead, South Dakota, das einen hochenergetischen Neutrinostrahl untersuchen wird, der im Fermilab erzeugt wird, während er 1280 km durch die Erde wandert. DUNE soll etwa im Jahr 2030 seinen Betrieb aufnehmen. Weitere empfohlene Prioritäten sind Fermilabs Proton Improvement Plan II und das Vera Rubin Observatorium in Chile, das 2025 das erste Licht erwartet und eine 10-jährige Untersuchung des Südhimmels durchführen wird.
Weitere Empfehlungen sind die CMB-S4 Experiment – eine Reihe bodengestützter Teleskope am Südpol und in der chilenischen Atacama-Wüste, die den kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachten würden, um die physikalischen Prozesse im Universum unmittelbar nach dem Urknall zu untersuchen. Die P5 empfiehlt außerdem, dass die USA mit internationalen Partnern an einer Higgs-Fabrik zusammenarbeiten; ein Experiment zur direkten Detektion dunkler Materie der nächsten Generation; und das IceCube-Gen2-Observatorium, das gegenüber dem aktuellen IceCube-Observatorium am Südpol eine zehnfache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber kosmischen Neutrinos bieten wird.
„Wir haben versucht, ein Gleichgewicht zwischen der Durchführung des aktuellen Programms, dem Start neuer Projekte und der Schaffung der Grundlagen für Forschung und Entwicklung für die Zukunft zu finden“, sagt P5-Co-Vorsitzender Karsten Heeger. Er fügt hinzu, dass es wichtig sei, darüber nachzudenken, was nach Projekten wie der Higgs-Fabrik und der Fertigstellung von DUNE für die Teilchenphysik sowie für die nächste Generation von Wissenschaftlern in den USA kommt. „Wenn wir uns jetzt voll und ganz auf die Umsetzung der laufenden Projekte konzentrieren, könnten wir in zehn bis 10 Jahren feststellen, dass wir nicht den Grundstein für das gelegt haben, was danach kommt“, sagt er.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/
