Het “P5”-panel van Amerikaanse deeltjesfysici zegt dat het werk aan de ontwikkeling van een toekomstige muon-botser de VS in staat zou kunnen stellen de “energiegrens” te herwinnen, aangezien Michaël Allen openbaart
De VS zouden de bouw van een muon-botser moeten onderzoeken en ‘agressief’ onderzoek en ontwikkeling moeten ondernemen naar de technologieën die voor een dergelijke faciliteit nodig zijn. Dat is de conclusie van een vooraanstaande commissie van Amerikaanse en internationale deeltjesfysici na een jaar van bijeenkomsten om de toekomst van het Amerikaanse onderzoek naar hoge-energiefysica te bespreken. De wetenschappers erkennen echter dat er aanzienlijke technische uitdagingen moeten worden overwonnen om een muon-botser te bouwen.
De potentiële ontwikkeling van een muonfaciliteit maakt deel uit van een twintigjarige langetermijnvisie voor de deeltjesfysica die begin december werd vrijgegeven door het Particle Physics Project Prioritization Panel, oftewel P20 (zie kader hieronder). Sinds 5 komt de P2003 elk decennium bijeen om grote en middelgrote natuurkundige onderzoeksprojecten te evalueren. Vervolgens geeft het zijn aanbevelingen door aan financieringsinstanties zoals het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en de National Science Foundation.
Na de ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012 bij CERN Large Hadron Colliderbegonnen deeltjesfysici plannen te maken voor de bouw van een zogenaamde Higgs-fabriek die elektronen met positronen zou laten botsen om een gedetailleerder onderzoek naar de eigenschappen van het Higgs-deeltje en andere deeltjes mogelijk te maken. Enkele van deze ontwerpen Er is behoefte aan een 90 km lange tunnel die halverwege de jaren 2040 eerst elektronen met positronen zou laten botsen voordat hij later deze eeuw opnieuw zou worden gebruikt als een proton-protonmachine van 100 TeV om te zoeken naar nieuwe natuurkunde.
Toch is de overstap naar deze energieën – en mogelijk zelfs nog hoger – ingewikkeld. Bij energieën die 1 TeV in een cirkelvormige versneller benaderen, verliezen elektronen veel energie door synchrotronstraling. Voor protonen is dit niet zo'n probleem, maar het bereiken van hogere energieën dan 100 TeV vereist een nog grotere ring dan 90 km en zou waarschijnlijk ook nieuwe technologieën nodig hebben. Een alternatieve optie is het laten botsen van muonen – neven van elektronen die 200 keer zwaarder zijn. Aangezien muonen veel zwaarder zijn dan elektronen, zou energieverlies minder een probleem zijn bij een muon-botser.
Daniel Schulte, studieleider van de Internationale Muon Collider-samenwerking, die geen lid was van de P5-commissie, zegt dat synchrotronstraling “met een factor van meer dan een miljard wordt verminderd” bij een muon-botser. “[Muonen] zijn interessant omdat ze [elektronen en positronen] direct kunnen vervangen en het hebben van een muon-botser van 10 TeV komt qua natuurkundig bereik ongeveer overeen met het hebben van een protonen-botser van 100 TeV”, zegt Schulte, wiens samenwerking uit meer dan 60 instituten bestaat. , waaronder CERN, die een blauwdruk opstellen voor een geavanceerde muonfaciliteit. Elke toekomstige muonfaciliteit zou potentieel veel compacter kunnen zijn en misschien goedkoper om te bouwen; een muon-botser met hetzelfde bereik als een protonen-botser van 100 TeV zou bijvoorbeeld op de bestaande locatie van Fermilab passen.
Natuurkundigen van CERN komen bijeen in Londen om plannen voor toekomstige botsingen te plannen
Verwijzend naar het als “ons muonschot”, stelt de P5-commissie dat een muonversnellerprogramma zou passen bij de ambitie van de VS om een grote internationale botsingsfaciliteit te huisvesten, waardoor het land leiding zou kunnen geven aan de mondiale inspanningen om de fundamentele aard van het universum te begrijpen. Het P5-panel beveelt nu aan dat de VS binnen het komende decennium grote test- en demonstratiefaciliteiten voor een dergelijke geavanceerde versneller bouwen. Het rapport beveelt ook aan dat de VS deelnemen aan de International Muon Collider Collaboration en “een leidende rol spelen bij het definiëren van een referentieontwerp”.
Karsten Heeger, vertelde een natuurkundige aan de Yale University die medevoorzitter is van de P5 Natuurkunde wereld dat de aanbeveling voor een muon-botser voortkwam uit de wens om na te denken over de toekomst van de deeltjesfysica op de lange termijn in de VS, buiten de huidige reeks geplande en ontwikkelingsprojecten. Volgens Heeger heeft deze onderzoeks- en ontwikkelingsaanbeveling “veel opwinding” veroorzaakt in de Amerikaanse deeltjesfysica-gemeenschap, vooral onder jongere wetenschappers. “Ze zijn van mening dat het heel spannend is om onderzoek en ontwikkeling te kunnen ondernemen om na te denken over een toekomstige botsinstallatie, vooral als we deze in de VS kunnen hosten”, voegt hij eraan toe.
Uitdagingen voor de toekomst
Een muon-botser wordt echter geconfronteerd met grote technische uitdagingen en het zou tientallen jaren duren voordat er een besluit zou worden genomen om er een te bouwen. Een probleem met muonen is dat ze in amper 2.2 microseconden vervallen, terwijl ze moeten worden opgevangen, gekoeld en versneld. “Het verlegt echt de technische grenzen op alle onderdelen”, zegt Heeger. “De magneetontwikkeling, de versnellingstechnologie, de straalfocussering; al deze dingen zullen van cruciaal belang zijn, en ze moeten worden verbeterd ten opzichte van de huidige situatie”, voegt hij eraan toe.
Schulte is het ermee eens dat zonder de beperkte levensduur van het muon een muon-botser “rechttoe rechtaan” zou zijn. Hij zegt dat een van de grootste uitdagingen het ontwikkelen van de benodigde magneettechnologie zal zijn. Zodra de muonen bijvoorbeeld zijn geproduceerd door protonbotsingen, zullen supergeleidende magneten op hoge temperatuur nodig zijn om ze af te koelen en te vertragen. En deze technologie zal in een kleine ruimte moeten worden geperst om het muonverlies te verminderen. Er zijn dan hogesnelheidsmagneten nodig die zeer snel kunnen bewegen om de muonenbundel te versnellen.
Hoge-energiefysica: lopen de dagen van internationale samenwerking ten einde?
Het probleem is dat veel van deze technologie nog niet bestaat of nog in de kinderschoenen staat. Ondanks deze uitdagingen heeft Heeger er vertrouwen in dat er een muon-botser kan worden gebouwd: "Deeltjesfysici en versnellerfysici hebben de afgelopen jaren en decennia een ongelooflijke vindingrijkheid getoond, en daarom ben ik optimistisch", zegt hij. Maar zelfs als een dergelijke faciliteit niet haalbaar is, zou het ernaar streven voortbouwen op de huidige sterke punten van de VS op het gebied van de deeltjesfysica en bijdragen aan verbeteringen in de faciliteiten voor protonen- en neutrinobundels. Het zou waarschijnlijk ook brede voordelen voor de samenleving hebben, waaronder de productie van medische isotopen, materiaalkunde en kernfysica, dus Heeger gelooft dat het een “goed bestede investering” zou zijn.
De ontwikkeling van supergeleidende magneten bij hoge temperaturen zou bijvoorbeeld belangrijke implicaties hebben die verder gaan dan de deeltjesfysica. Ze kunnen nuttig zijn voor kernfusiereactoren en kunnen de prestaties van windturbines verbeteren. Schulte gelooft ook dat het werken aan een muon-botser substantiële voordelen zal bieden als het gaat om het opleiden van de volgende generatie wetenschappers. “Dit is een geweldig project omdat de dingen nieuw zijn, er ruimte is voor uitvindingen en voor creativiteit. De geest is heel anders dan bij een project dat iets dat we in het verleden deden op een grotere manier opnieuw doet”, voegt hij eraan toe.
Het uitstippelen van de toekomstige koers van de Amerikaanse deeltjesfysica
Het rapport van de P5 – Pathways to Innovation en Discovery in de deeltjesfysica – bouwt voort op de resultaten van een Snowmass-conferentie, waar deeltjesfysici en kosmologen van over de hele wereld in juli 10 gedurende tien dagen in Seattle bijeenkwamen om onderzoeksprioriteiten en toekomstige experimenten te bespreken. Het P2022-rapport heeft tot doel een onderzoeksportfolio te creëren dat bijna alle fundamentele bestanddelen van het universum en hun interacties bestudeert, en zowel het kosmische verleden als de toekomst bestrijkt.
Wat de bestaande projecten betreft, is de topprioriteit van de P5-commissie de voltooiing van de High-Luminosity-upgrade bij de Large Hadron Collider van CERN, evenals de eerste fase van de Diep ondergronds neutrino-experiment (DUNE) in Lead, South Dakota, dat een hoogenergetische straal neutrino’s zal bestuderen die in Fermilab wordt geproduceerd terwijl ze 1280 km door de aarde reizen. DUNE zal naar verwachting rond 2030 operationeel worden. Andere aanbevolen prioriteiten zijn onder meer het Proton Improvement Plan II van Fermilab en het Vera Rubin Observatorium in Chili, dat in 2025 het eerste licht verwacht en een tienjarig onderzoek naar de zuidelijke hemel zal uitvoeren.
Andere aanbevelingen zijn onder meer de CMB-S4 experiment – een reeks telescopen op de grond, gelegen op de Zuidpool en in de Chileense Atacama-woestijn, die de kosmische microgolfachtergrond zouden observeren om de fysieke processen in het universum onmiddellijk na de oerknal te onderzoeken. De P5 beveelt ook aan dat de VS samenwerkt met internationale partners aan een Higgs-fabriek; een experiment voor directe detectie van donkere materie van de volgende generatie; en het IceCube-Gen2-observatorium, dat een tienvoudige verbetering zal opleveren in de gevoeligheid voor kosmische neutrino's ten opzichte van het huidige IceCube-observatorium op de Zuidpool.
“We probeerden een evenwicht te vinden tussen het uitvoeren van het huidige programma, het starten van nieuwe projecten en het leggen van de basis op het gebied van R&D voor de toekomst”, zegt Karsten Heeger, medevoorzitter van P5. Hij voegt eraan toe dat het belangrijk was om na te denken over wat er komt na projecten als de Higgs-fabriek en de voltooiing van DUNE, zowel voor de deeltjesfysica als voor de volgende generatie wetenschappers in de VS. “Als we ons nu volledig concentreren op het uitvoeren van de lopende projecten, kunnen we over tien tot vijftien jaar misschien nog niet de basis hebben gelegd voor wat daarna komt”, zegt hij.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/
