米国の素粒子物理学者の「P5」委員会は、将来のミュオン衝突型加速器の開発に取り組むことで、米国は「エネルギーフロンティア」を取り戻すことができる可能性があると述べている。 マイケル・アレン 明らかに
米国はミュオン衝突器の建設を検討し、そのような施設に必要な技術の「積極的な」研究開発を追求すべきである。 これは、米国および国際的な素粒子物理学者からなる注目度の高い委員会の結論です。 米国の高エネルギー物理学研究の将来について議論するための1年間の会議を経て。しかし科学者らは、ミュオン衝突器を構築するには重大な技術的課題を克服する必要があることを認めている。
ミュオン施設の開発の可能性は、素粒子物理学プロジェクト優先順位パネル (P20) によって 5 月初めに発表された素粒子物理学の 2003 年間の長期ビジョンの一部です (下のボックスを参照)。 5 年以来、PXNUMX は大規模および中規模の物理学研究プロジェクトを評価するために XNUMX 年ごとに会合を開催してきました。その後、その勧告を米国エネルギー省 (DOE) や国立科学財団などの資金提供機関に渡します。
2012年に欧州原子核研究機構（CERN）でヒッグス粒子が発見された後、 大型ハドロン衝突型加速器、素粒子物理学者は、ヒッグス粒子や他の粒子の特性をより詳細に調査できるように、電子と陽電子を衝突させる、いわゆるヒッグス工場の建設を計画し始めました。 これらのデザインの一部 彼らは、90年代半ばに最初に電子と陽電子を衝突させ、今世紀後半に新しい物理学を探索するための2040 TeVの陽子間機械として再利用する、長さ100 kmのトンネルを要求している。
しかし、これらのエネルギー、そして潜在的にはさらに高いエネルギーに移行することは複雑です。円形加速器内で 1 TeV に近いエネルギーでは、電子はシンクロトロン放射によって多くのエネルギーを失います。これは陽子にとってはそれほど問題ではありませんが、100 TeV を超える高エネルギーに到達するには、90 km を超えるさらに大きなリングが必要であり、おそらく新しい技術も必要になるでしょう。代替オプションの 200 つは、XNUMX 倍重い電子の親戚であるミューオンを衝突させることです。ミューオンが電子よりもはるかに重いことを考慮すると、ミューオン衝突器ではエネルギー損失はそれほど問題になりません。
ダニエル・シュルテ氏、研究リーダー ミュオン衝突型加速器の国際協力P5委員会のメンバーではなかったが、ミューオン衝突器では放射光が「10億分の100以上減少する」と述べている。 「[ミュオン] は、[電子と陽電子] を直接置き換えることができるため興味深いものであり、60 TeV ミューオン衝突型加速器を持つことは、物理的到達範囲の点で 100 TeV 陽子衝突型加速器を持つこととほぼ同等です」と、XNUMX 以上の研究機関と共同研究を行っているシュルテ氏は述べています。 CERNを含む、先進的なミュオン施設の青写真を作成している。将来のミューオン施設は、潜在的によりコンパクトで、おそらく建設コストが安くなる可能性があります。たとえば、XNUMX TeV 陽子衝突型加速器と同じ射程を持つミューオン衝突型加速器は、フェルミ研究所の既存の敷地に収まるでしょう。
CERNの物理学者らがロンドンで会合、将来の衝突型加速器計画を策定
これを「私たちのミューオンショット」と呼んで、P5委員会は、ミューオン加速器プログラムは、主要な国際衝突型加速器施設をホストするという米国の野望に適合し、宇宙の基本的な性質を理解するための世界的な取り組みを主導できるようになると述べている。 P5委員会は現在、米国が今後XNUMX年以内にこのような先進的な衝突型加速器のための主要な試験施設と実証施設を建設することを勧告している。報告書はまた、米国が国際ミュオン衝突型加速器協力に参加し、「基準設計の定義において主導的な役割を果たす」よう勧告している。
カルステン・ヘーガーP5の共同議長を務めるイェール大学の物理学者はこう語った。 物理学の世界 ミュオン衝突型加速器の推奨は、現在計画され開発中のプロジェクトを超えて、米国における素粒子物理学の長期的な将来について考えたいという願望から来たものであると述べた。ヒーガー氏によると、この研究開発に関する勧告は、米国の素粒子物理学コミュニティ、特に若い科学者の間で「大きな興奮」を引き起こしたという。 「彼らは、将来の衝突型加速器施設について考えるために研究開発を進めることができるのは本当にエキサイティングだと感じています。特にそれを米国で開催できるかもしれないなら」と彼は付け加えた。
今後の課題
しかし、ミュオン衝突器は大きな技術的課題に直面しており、建設の決定が下されるまでには数十年かかるだろう。ミューオンの問題の 2.2 つは、ミュオンがわずか XNUMX マイクロ秒で崩壊し、その間にミューオンを捕捉し、冷却し、加速する必要があることです。 「あらゆる要素において技術の最前線を押し広げています」と Heeger 氏は言います。 「磁石の開発、加速技術、ビーム集束。これらすべてが非常に重要になるため、現状よりも改善する必要があります」と彼は付け加えた。
シュルテ氏は、ミューオンの寿命が限られていなければ、ミューオン衝突型加速器は「すぐに実現する」だろうという点に同意する。最大の課題の 1 つは、必要な磁石技術の開発だろうと彼は言います。たとえば、陽子の衝突によってミューオンが生成されると、ミューオンを冷却して速度を落とすために高温超伝導磁石が必要になります。そして、ミューオンの損失を減らすために、この技術を小さなスペースに押し込む必要があります。ミューオンビームを加速するには、非常に高速に回転できる高速磁石が必要になります。
高エネルギー物理学: 国際協力の時代は終わりを迎えていますか?
問題は、このテクノロジーの多くがまだ存在していないか、初期段階にあることです。これらの課題にもかかわらず、ヒーガー氏はミュオン衝突器を構築できると確信している。「素粒子物理学者と加速器物理学者はここ数年、数十年にわたって信じられないほどの創意工夫を示してきたので、私は楽観視している」と彼は言う。しかし、たとえそのような施設が実現不可能だとしても、それに向けた取り組みは素粒子物理学における米国の現在の強みをさらに強化し、陽子線およびニュートリノビーム施設の改善につながるだろう。また、医療用同位体生産、材料科学、核物理学など社会に広範な利益をもたらす可能性が高く、ヒーガー氏は「無駄のない投資」になると信じている。
たとえば、高温超伝導磁石の開発は、素粒子物理学を超えて重要な意味を持つことになる。それらは核融合炉に役立つ可能性があり、風力タービンの性能を向上させる可能性があります。シュルテ氏はまた、ミュオン衝突型加速器の開発に取り組むことは、次世代の科学者の育成において多大な利益をもたらすと信じている。 「これは素晴らしいプロジェクトです。なぜなら、物事は新しく、発明や創造性の余地があるからです。その精神は、私たちが過去に行ったことをより大きな方法でやり直すプロジェクトとは大きく異なります。」と彼は付け加えた。
米国の素粒子物理学の将来の進路を描く
P5のレポート – 素粒子物理学におけるイノベーションと発見への道筋 – スノーマス会議の成果に基づいています。スノーマス会議では、10 年 2022 月に 5 日間、世界中から素粒子物理学者と宇宙論者がシアトルに集まり、研究の優先順位と将来の実験について話し合いました。 PXNUMX レポートは、宇宙の過去と未来の両方をカバーし、宇宙のほぼすべての基本構成要素とその相互作用を研究する研究ポートフォリオを作成することを目的としています。
既存のプロジェクトに関して、P5 委員会の最優先事項は、CERN の大型ハドロン衝突型加速器の高輝度アップグレードと実験の第 XNUMX 段階を完了することです。 深部地下ニュートリノ実験 サウスダコタ州リードにある（DUNE）では、地球を1280キロメートル移動する際にフェルミ研究所で生成されるニュートリノの高エネルギービームを研究する予定だ。 DUNEは2030年頃に運用を開始する予定である。その他に推奨される優先事項には、フェルミ研究所の陽子改良計画IIや、2025年に初光を期待しており南天の10年間の調査を行うチリのベラ・ルービン天文台などがある。
その他の推奨事項としては、 CMB-S4 実験 – 南極とチリのアタカマ砂漠に設置された一連の地上望遠鏡は、宇宙マイクロ波背景放射を観測して、ビッグバン直後の宇宙の物理過程を調査します。 P5はまた、米国がヒッグス工場に関して国際パートナーと協力することを推奨している。次世代の暗黒物質直接検出実験。 IceCube-Gen2天文台は、南極にある現在のIceCube天文台と比較して、宇宙ニュートリノに対する感度が10倍向上します。
「私たちは、現在のプログラムの運営、新しいプロジェクトの開始、将来に向けた研究開発の基礎作りの間でバランスを取ることに努めました」と P5 共同議長の Karsten Heeger 氏は言います。同氏は、ヒッグス工場や素粒子物理学のためのDUNEの完成などのプロジェクトの後に何が起こるのか、そして米国の次世代の科学者のために何が起こるのかを考えることが重要だったと付け加えた。 「現在、進行中のプロジェクトを実行することだけに全力を注ぐと、10～15 年後にはその先にあるものに向けた基礎が整っていないことに気づくかもしれません」と彼は言います。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/
