Zukünftiger Circular Collider - Future Circular Collider
| Sich kreuzende Speicherringe | CERN , 1971–1984 |
|---|---|
| Proton-Antiproton Collider ( SPS ) | CERN , 1981–1991 |
| ISABELLE | BNL , abgesagt 1983 |
| Tevatron | Fermilab , 1987–2011 |
| Supraleitender Super Collider | Abgesagt im Jahr 1993 |
| Relativistischer Schwerionenbeschleuniger | BNL , 2000–heute |
| Large Hadron Collider | CERN , 2009–heute |
| Zukünftiger Circular Collider | Vorgeschlagen |
Der Future Circular Collider ( FCC ) ist ein vorgeschlagener Post- LHC- Teilchenbeschleuniger mit einer Energie, die deutlich über der früherer Circular Collider ( SPS , Tevatron , LHC ) liegt. Das FCC-Projekt untersucht Szenarien für drei verschiedene Arten von Teilchenkollisionen: Hadronen-Kollisionen (Proton-Proton und Schwerionen) in einem als FCC-hh bekannten Collider-Design, Elektron-Positron-Kollisionen in einem als FCC-ee bekannten Collider-Design und Proton- Elektronenkollisionen in einem als FCC-eh bekannten Collider-Design.
Bei FCC-hh hätte jeder Strahl eine Gesamtenergie von 560 MJ. Bei einer Schwerpunktkollisionsenergie von 100 TeV (gegenüber 14 TeV am LHC) erhöht sich der Gesamtenergiewert auf 16,7 GJ. Diese Gesamtenergiewerte übersteigen den heutigen LHC um fast den Faktor 30.
Das CERN veranstaltete eine FCC-Studie, in der die Machbarkeit verschiedener Partikelbeschleuniger-Szenarien untersucht wurde, mit dem Ziel, die Energie und Leuchtkraft im Vergleich zu bestehenden Beschleunigern deutlich zu erhöhen. Es soll bestehende technische Designs für lineare Elektron/Positron-Beschleuniger ( ILC und CLIC ) ergänzen .
Die Studie untersucht das Potenzial von Hadron- und Lepton- Ringbeschleunigern, führt eine Analyse von Infrastruktur- und Betriebskonzepten durch und berücksichtigt die technologischen Forschungs- und Entwicklungsprogramme, die erforderlich sind, um einen zukünftigen Ringbeschleuniger zu bauen und zu betreiben. Rechtzeitig zur nächsten Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik wurde Anfang 2019 ein Konzeptbericht veröffentlicht .
Hintergrund
Die CERN-Studie wurde als direkte Reaktion auf die hochpriore Empfehlung der aktualisierten Europäischen Strategie für Teilchenphysik aus dem Jahr 2013 initiiert, in der gefordert wurde, dass "CERN Designstudien für Beschleunigerprojekte in einem globalen Kontext mit Schwerpunkt auf Proton-Proton" durchführen sollte und Elektron-Positron-Hochenergie-Grenzmaschinen. Diese Designstudien sollten in Zusammenarbeit mit nationalen Instituten, Labors und Universitäten weltweit mit einem intensiven Beschleuniger-F&E-Programm verbunden werden, das Hochfeldmagnete und Hochgradienten-Beschleunigerstrukturen umfasst". Das Ziel war es, das nächste Update der Europäischen Strategie für Teilchenphysik (2019-2020) und die breitere Physik-Community über die Machbarkeit von Kreisbeschleunigern zu informieren, die frühere Studien für Linearbeschleuniger sowie andere Vorschläge für Teilchenphysik-Experimente ergänzen.
Der Start der FCC-Studie entsprach auch den Empfehlungen des Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) der Vereinigten Staaten und des International Committee for Future Accelerators (ICFA).
Die Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC, zusammen mit dem bisher fehlenden Phänomen jenseits des Standardmodells bei Kollisionen mit Schwerpunktenergien von bis zu 8 TeV, hat ein Interesse an zukünftigen Kreisbeschleunigern geweckt, um die Energie- und Präzisionsgrenzen zu verschieben ergänzende Studien für zukünftige Linearmaschinen. Die Entdeckung eines "leichten" Higgs-Bosons mit einer Masse von 125 GeV hat die Diskussion um einen kreisförmigen Leptonen-Beschleuniger neu aufleben lassen, der detaillierte Studien und genaue Messungen dieses neuen Teilchens ermöglichen würde. Bei der Untersuchung eines neuen Tunnels mit einem Umfang von 80–100 km (siehe auch VLHC ), der in die Region Genf passen würde, wurde erkannt, dass ein zukünftiger kreisförmiger Leptonen-Beschleuniger Kollisionsenergien von bis zu 400 GeV bieten könnte (und damit die Produktion von Top-Quarks) bei noch nie dagewesener Leuchtkraft. Das Design von FCC-ee (früher bekannt als TLEP (Triple-Large Electron-Positron Collider)) kombinierte die Erfahrungen von LEP2 und den neuesten B-Fabriken.
Zwei Hauptbeschränkungen für die Leistung eines Kreisbeschleunigers sind der Energieverlust aufgrund von Synchrotronstrahlung und der maximale Wert der Magnetfelder, der bei Biegemagneten erhalten werden kann, um die energetischen Strahlen auf einer kreisförmigen Bahn zu halten. Synchrotronstrahlung ist von besonderer Bedeutung bei der Konstruktion und Optimierung eines kreisförmigen Leptonenbeschleunigers und begrenzt die maximal erreichbare Energiereichweite, da das Phänomen von der Masse des beschleunigten Teilchens abhängt. Um diese Probleme anzugehen, sind ein ausgeklügeltes Maschinendesign sowie die Weiterentwicklung von Technologien wie Beschleunigungshohlräumen (RF) und Hochfeldmagneten erforderlich.
Zukünftige "Intensity and Luminosity Frontier"-Lepton-Collider, wie sie von der FCC-Studie betrachtet werden, würden es ermöglichen, die Eigenschaften des Higgs-Bosons , der W- und Z-Bosonen und des Top-Quarks mit sehr hoher Genauigkeit zu untersuchen und ihre Wechselwirkungen mit einer Genauigkeit von mindestens zu bestimmen eine Größenordnung besser als heute. Die FCC-ee konnte pro Jahr 10^12 Z-Bosonen, 10^8 W-Paare, 10^6 Higgs-Bosonen und 4 x 10^5 Top-Quark-Paare sammeln. Als zweiter Schritt könnte ein „Energy Frontier“ Collider bei 100 TeV (FCC-hh) eine „Entdeckungsmaschine“ sein, die eine achtfache Steigerung im Vergleich zur aktuellen Energiereichweite des LHC bietet .
Das integrierte FCC-Projekt, das FCC-ee und FCC-hh kombiniert, würde sich auf eine gemeinsame und kosteneffiziente technische und organisatorische Infrastruktur stützen, wie es bei LEP gefolgt von LHC der Fall war. Dieser Ansatz verbessert die Empfindlichkeit gegenüber schwer fassbaren Phänomenen bei geringer Masse um mehrere Größenordnungen und die Entdeckung neuer Teilchen bei den höchsten Massen um eine Größenordnung. Auf diese Weise können die Eigenschaften der eindeutig Karte Higgs - Boson und Electroweak Sektor und die Exploration für verschiedene Dunkle Materie Kandidatenpartikel ergänzt andere Ansätze mit Neutrinostrahlen, nicht-Collider Experimente und Astrophysik Experimente zu erweitern.
Motivation
Der LHC hat unser Verständnis der Materie und des Standardmodells (SM) stark verbessert . Die Entdeckung des Higgs-Bosons vervollständigte den Teilcheninhalt des Standardmodells der Teilchenphysik , der Theorie, die die Gesetze beschreibt, die den größten Teil des bekannten Universums beherrschen. Das Standardmodell kann jedoch mehrere Beobachtungen nicht erklären, wie zum Beispiel:
- Beweise für dunkle Materie ,
- Prävalenz von Materie gegenüber Antimaterie ,
- die Neutrinomassen .
Der LHC hat eine neue Phase detaillierter Studien zu den Eigenschaften des Higgs-Bosons und seiner Wechselwirkung mit den anderen SM-Teilchen eingeleitet. Zukünftige Collider mit höherer Energie und Kollisionsrate werden einen großen Beitrag zur Durchführung dieser Messungen leisten, unser Verständnis der Prozesse des Standardmodells vertiefen, ihre Grenzen testen und nach möglichen Abweichungen oder neuen Phänomenen suchen, die Hinweise für neue Physik geben könnten.
Die Studie Future Circular Collider (FCC) entwickelt Optionen für potenzielle hochenergetische Frontier-Circular Collider am CERN für die Zeit nach dem LHC. Geplant ist unter anderem, nach Teilchen der Dunklen Materie zu suchen, die etwa 25 % der Energie im beobachtbaren Universum ausmachen. Obwohl kein Experiment an Collidern den gesamten Massenbereich von Dunkler Materie (DM) untersuchen kann, der durch astrophysikalische Beobachtungen ermöglicht wird, gibt es eine sehr breite Klasse von Modellen für schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) in der GeV – 10er von TeV-Massenskala, und welche könnte im Bereich der FCC liegen.
FCC könnte auch den Fortschritt bei Präzisionsmessungen von Electroweak Precision Observables (EWPO) anführen. Die Messungen spielten eine Schlüsselrolle bei der Konsolidierung des Standardmodells und können zukünftige theoretische Entwicklungen leiten. Darüber hinaus können die Ergebnisse dieser Messungen Daten aus astrophysikalischen/kosmologischen Beobachtungen enthalten. Die verbesserte Präzision des integrierten FCC-Programms erhöht das Entdeckungspotenzial für neue Physik.
Darüber hinaus wird FCC-hh die Fortsetzung des Forschungsprogramms zu ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen von RHIC und LHC ermöglichen. Die höheren Energien und Leuchtkräfte, die FCC-hh beim Betrieb mit Schwerionen bietet, werden neue Wege in der Untersuchung der kollektiven Eigenschaften von Quarks und Gluonen eröffnen.
Die FCC-Studie sieht auch einen Wechselwirkungspunkt für Elektronen mit Protonen (FCC-eh) vor. Diese tiefen inelastischen Streuungsmessungen werden die Partonstruktur mit sehr hoher Genauigkeit auflösen und eine Promille-genaue Messung der starken Kopplungskonstanten liefern. Diese Ergebnisse sind essentiell für ein Programm von Präzisionsmessungen und werden die Sensitivität der Suche nach neuen Phänomenen insbesondere bei höheren Massen weiter verbessern.
Umfang
Die FCC-Studie legte ursprünglich den Schwerpunkt auf hochenergetische Proton-Proton-(Hadron- oder Schwerionen)-Beschleuniger, die in einem ersten Schritt auch einen Elektron/Positron-(ee)-Hochintensitäts-Frontier-Beschleuniger beherbergen könnten. Nach Prüfung der Einsatzbereitschaft der verschiedenen Technologien und der physikalischen Motivation hat die FCC-Kollaboration jedoch das sogenannte integrierte FCC-Programm entwickelt, das als erster Schritt vorgesehen ist FCC-ee mit einer Betriebszeit von etwa 10 Jahren bei verschiedenen Energiebereichen von 90 GeV bis 350 GeV, gefolgt von FCC-hh mit einer Betriebsdauer von ca. 15 Jahren.
Die FCC-Kollaboration hat die technologischen Fortschritte identifiziert, die zum Erreichen der geplanten Energie und Intensität erforderlich sind, und führt technologische Machbarkeitsbewertungen für kritische Elemente zukünftiger Kreisbeschleuniger durch (dh Hochfeldmagnete, Supraleiter, Hochfrequenz-Kryogen- und Vakuumsysteme, Energiesysteme, Strahl Bildschirmsystem, ua). Das Projekt muss diese Technologien voranbringen, um die Anforderungen einer Post-LHC-Maschine zu erfüllen, aber auch um die großtechnische Anwendbarkeit dieser Technologien sicherzustellen, die zu ihrer weiteren Industrialisierung führen könnte. Die Studie liefert auch eine Analyse der Infrastruktur- und Betriebskosten, die den effizienten und zuverlässigen Betrieb einer zukünftigen Großforschungsinfrastruktur sicherstellen könnten. Strategische F&E wurden im CDR in den kommenden Jahren auf die Minimierung der Baukosten und des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Maximierung der sozioökonomischen Auswirkungen mit Fokus auf den Nutzen für Industrie und Ausbildung konzentriert.
Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten auch an den Detektorkonzepten, die benötigt werden, um die physikalischen Fragen in jedem der Szenarien (hh, ee, he) zu beantworten. Das Arbeitsprogramm umfasst Experiment- und Detektorkonzeptstudien, um neue Physik zu erforschen. Die Detektortechnologien basieren auf Experimentkonzepten, den prognostizierten Colliderleistungen und den physikalischen Fällen. In diversen Bereichen wie Kryotechnik, Supraleitung, Materialwissenschaft und Informatik müssen neue Technologien entwickelt werden, einschließlich neuer Datenverarbeitungs- und Datenmanagementkonzepte.
Collider
Die FCC-Studie entwickelte und bewertete drei Beschleunigerkonzepte für ihren konzeptionellen Designbericht.
FCC-ee (Elektron/Positron)
Als möglicher Zwischenschritt zur Realisierung der Hadronenanlage gilt ein Leptonencollider mit Schwerpunktkollisionsenergien zwischen 90 und 350 GeV. Saubere experimentelle Bedingungen haben e + e − -Speicherringen einen starken Rekord sowohl für die Messung bekannter Teilchen mit höchster Präzision als auch für die Erforschung des Unbekannten beschert.
Insbesondere würden eine hohe Leuchtkraft und eine verbesserte Handhabung von Leptonenstrahlen die Möglichkeit schaffen, die Eigenschaften der Z-, W-, Higgs- und Top-Partikel sowie die starke Wechselwirkung mit erhöhter Genauigkeit zu messen.
Es kann nach neuen Teilchen suchen, die an die Higgs- und elektroschwachen Bosonen bis zu Skalen von Λ = 7 und 100 TeV koppeln. Darüber hinaus würden Messungen unsichtbarer oder exotischer Zerfälle der Higgs- und Z-Bosonen Entdeckungspotenzial für Dunkle Materie oder schwere Neutrinos mit Massen unter 70 GeV bieten. Tatsächlich könnte der FCC-ee tiefgreifende Untersuchungen der elektroschwachen Symmetriebrechung ermöglichen und eine breite indirekte Suche nach neuer Physik über mehrere Größenordnungen in Energie oder Kopplungen eröffnen.
Die Realisierung eines Intensity-Frontier-Lepton-Colliders, FCC-ee, erfordert im ersten Schritt eine Vorbereitungsphase von fast 8 Jahren, gefolgt von der Bauphase (alle zivile und technische Infrastruktur, Maschinen und Detektoren inkl. Inbetriebnahme) von 10 Jahren. Für den anschließenden Betrieb der FCC-ee-Anlage ist eine Laufzeit von 15 Jahren vorgesehen, um das derzeit geplante Physikprogramm abzuschließen. Das macht insgesamt fast 35 Jahre für Bau und Betrieb von FCC-ee
FCC-hh (Proton/Proton und Ion/Ion)
Ein zukünftiger Hadronenbeschleuniger an der Energiegrenze wird in der Lage sein, Kraftträger neuer Wechselwirkungen bis zu Massen von etwa 30 TeV zu entdecken, falls sie existieren. Die höhere Kollisionsenergie erweitert den Suchbereich für dunkle Materieteilchen weit über den TeV-Bereich hinaus, während supersymmetrische Partner von Quarks und Gluonen bei Massen bis zu 15-20 TeV gesucht werden können und die Suche nach einer möglichen Unterstruktur innerhalb von Quarks nach unten erweitert werden kann bis Entfernungsskalen von 10 −21 m. Aufgrund der höheren Energie und Kollisionsrate werden Milliarden von Higgs-Bosonen und Billionen von Top-Quarks produziert, was neue Möglichkeiten für das Studium seltener Zerfälle und der Flavour-Physik schafft.
Ein Hadron-Beschleuniger wird auch die Untersuchung von Higgs- und Boson-Wechselwirkungen auf Energien weit oberhalb der TeV-Skala ausdehnen und eine Möglichkeit bieten, den Mechanismus, der dem Brechen der elektroschwachen Symmetrie zugrunde liegt, im Detail zu analysieren.
Bei Schwerionenkollisionen ermöglicht der FCC-hh-Beschleuniger die Erforschung der kollektiven Struktur der Materie bei extremeren Dichte- und Temperaturbedingungen als zuvor.
Schließlich trägt FCC-eh zur Vielseitigkeit des Forschungsprogramms dieser neuen Einrichtung bei. Mit der enormen Energie des 50 TeV Protonenstrahls und der potentiellen Verfügbarkeit eines Elektronenstrahls mit einer Energie in der Größenordnung von 60 GeV eröffnen sich neue Horizonte für die Physik der tiefen inelastischen Streuung . Der FCC-he-Beschleuniger wäre sowohl eine hochpräzise Higgs-Fabrik als auch ein leistungsstarkes Mikroskop, das neue Teilchen entdecken, Quark/Gluon-Wechselwirkungen untersuchen und mögliche weitere Unterstrukturen der Materie in der Welt untersuchen könnte.
Im integrierten FCC-Szenario beginnt die Vorbereitungsphase für einen Hadronenbeschleuniger an der Energiefront, FCC-hh, in der ersten Hälfte der FCC-ee-Betriebsphase. Nach der Einstellung des FCC-ee-Betriebs erfolgt der Maschinenausbau, begrenzte Tiefbauaktivitäten und eine Anpassung der allgemeinen technischen Infrastruktur, gefolgt von der FCC-hh-Maschinen- und Detektorinstallation und Inbetriebnahme, die insgesamt etwa 10 Jahre dauern wird. Für den anschließenden Betrieb der FCC-hh-Anlage wird eine Laufzeit von 25 Jahren prognostiziert, woraus sich insgesamt 35 Jahre für Bau und Betrieb der FCC-hh ergeben.
Die stufenweise Umsetzung bietet ein Zeitfenster von 25 – 30 Jahren für F&E zu Schlüsseltechnologien für FCC-hh. Dies könnte es ermöglichen, alternative Technologien in Betracht zu ziehen, z. B. supraleitende Hochtemperaturmagnete, und sollte zu verbesserten Parametern und verringerten Implementierungsrisiken im Vergleich zum unmittelbaren Bau nach dem HL-LHC führen.
Hochenergie-LHC
Ein hochenergetischer Hadronenbeschleuniger, der im selben Tunnel untergebracht ist, aber mit neuen FCC-hh-Klasse 16T Dipolmagneten könnte die aktuelle Energiegrenze um fast den Faktor 2 (27 TeV Kollisionsenergie) erweitern und liefert eine integrierte Leuchtkraft von mindestens einem Faktor von 3 größer als der HL-LHC. Diese Maschine könnte eine erste Messung der Higgs-Selbstkopplung bieten und Teilchen mit signifikanten Geschwindigkeiten auf Skalen bis zu 12 TeV direkt produzieren - was die Reichweite der HL-LHC-Entdeckung für neue Physik fast verdoppelt. Das Projekt nutzt die bestehende unterirdische LHC-Infrastruktur und große Teile der Injektorkette am CERN wieder.
Es wird davon ausgegangen, dass der HE-LHC zwei Interaktionspunkte mit hoher Leuchtkraft (IPs) 1 und 5 an den Standorten der gegenwärtigen ATLAS- und CMS- Experimente aufnehmen wird, während er zwei sekundäre Experimente in Kombination mit Injektionen wie beim gegenwärtigen LHC beherbergen könnte.
Der HE-LHC könnte direkt dem HL-LHC nachfolgen und ein Forschungsprogramm von etwa 20 Jahren über die Mitte des 21. Jahrhunderts hinaus bereitstellen.
Technologien
Da die Entwicklung eines Teilchenbeschleunigers der nächsten Generation neue Technologien erfordert, hat die FCC-Studie die für die Realisierung des Projekts erforderlichen Geräte und Maschinen unter Berücksichtigung der Erfahrungen aus vergangenen und gegenwärtigen Beschleunigerprojekten untersucht.
Die Grundlagen für diese Weiterentwicklung werden in fokussierten F&E-Programmen gelegt:
- ein 16-Tesla-Hochfeld-Beschleunigermagnet und damit verbundene Supraleiterforschung,
- ein 100-MW-Hochfrequenz-Beschleunigungssystem, das Leistung vom Stromnetz effizient auf die Balken übertragen kann,
- eine hocheffiziente großtechnische kryogene Infrastruktur zur Kühlung supraleitender Beschleunigerkomponenten und der dazugehörigen Kühlsysteme.
Für einen zuverlässigen, nachhaltigen und effizienten Betrieb werden zahlreiche weitere Technologien aus unterschiedlichen Bereichen (Beschleunigerphysik, Hochfeldmagnete, Kryotechnik, Vakuum, Bauingenieurwesen, Materialwissenschaften, Supraleiter, ...) benötigt.
Magnettechnologien
Hochfeld-supraleitende Magnete sind eine Schlüsseltechnologie für einen Frontier-Hadron-Beschleuniger. Um einen 50 TeV-Strahl über einen 100 km langen Tunnel zu lenken, werden 16 Tesla-Dipole benötigt, die doppelte Stärke des Magnetfelds des LHC.
Die Hauptziele einer F&E an 16 T Nb 3 Sn Dipolmagneten für einen großen Teilchenbeschleuniger sind der Nachweis, dass diese Magnettypen in Beschleunigerqualität machbar sind und eine angemessene Leistung zu einem erschwinglichen Preis zu gewährleisten. Daher besteht das Ziel darin, die Leiterleistung über die gegenwärtigen Grenzen hinaus zu steigern, die erforderliche "Marge auf der Lastlinie" mit konsequenter Reduzierung des Leitereinsatzes und der Magnetgröße zu reduzieren und ein optimiertes Magnetdesign zu entwickeln, das die Leistung in Bezug auf die Kosten maximiert.
Die Magnet-F&E zielt darauf ab, den Einsatzbereich von Beschleunigermagneten auf Basis von Niedertemperatur-Supraleitern (LTS) auf bis zu 16 T zu erweitern und die technologischen Herausforderungen beim Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) für Beschleunigermagnete im 20-T-Bereich zu erforschen Bereich.
Supraleitende Hochfrequenzhohlräume
Die Strahlen, die sich in einem Kreisbeschleuniger bewegen, verlieren durch Synchrotronstrahlung einen Teil ihrer Energie : bis zu 5% pro Umdrehung für Elektronen und Positronen, viel weniger für Protonen und Schwerionen. Um ihre Energie zu erhalten, liefert ein System von Hochfrequenzhohlräumen konstant bis zu 50 MW an jeden Strahl. Die FCC-Studie hat dedizierte Forschungs- und Entwicklungslinien für eine neuartige supraleitende Dünnschicht-Beschichtungstechnologie ins Leben gerufen, die den Betrieb von HF-Kavitäten bei höheren Temperaturen ermöglicht (CERN, Courier, April 2018), wodurch der elektrische Bedarf für Kryotechnik gesenkt und die erforderliche Anzahl von Kavitäten reduziert wird dank einer Erhöhung des Beschleunigungsgradienten. Eine laufende F&E-Aktivität, die in enger Zusammenarbeit mit der Linear-Collider-Community durchgeführt wird, zielt darauf ab, die Spitzeneffizienz von Klystrons von 65 % auf über 80 % zu steigern. Hochtemperatur-Nb- Cu- Beschleunigungskavitäten mit hohem Gradienten und hocheffiziente HF-Leistungsquellen könnten zahlreiche Anwendungen in anderen Bereichen finden.
Kryotechnik
Die Verflüssigung von Gas ist ein stromintensiver Vorgang der Kryotechnik . Die zukünftigen Lepton- und Hadronen-Beschleuniger würden intensiv von Niedertemperatur-Supraleitern Gebrauch machen, die bei 4,5 K und 1,8 K betrieben werden und eine sehr groß angelegte Verteilung, Rückgewinnung und Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten erfordern.
Dadurch entsprechen die zu entwickelnden kryogenen Systeme dem Zwei- bis Vierfachen der derzeit eingesetzten Systeme und erfordern eine erhöhte Verfügbarkeit und maximale Energieeffizienz. Es wird erwartet, dass weitere Verbesserungen in der Kryotechnik breite Anwendung in medizinischen Bildgebungstechniken finden.
Das kryogene Strahlvakuumsystem für einen Hadronenbeschleuniger an der Energiegrenze muss bei kryogenen Temperaturen eine Energie von 50 W pro Meter absorbieren. Um die Magnetkaltbohrung vor der Kopfbelastung zu schützen, muss das Vakuumsystem resistent gegen Elektronenwolkeneffekte, sehr robust und stabil unter supraleitenden Quenchbedingungen sein.
Es sollte auch eine schnelle Rückkopplung bei Vorhandensein von Impedanzeffekten ermöglichen. Um diese einzigartigen thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften für Kollimationssysteme zu erreichen, müssen neue Verbundmaterialien entwickelt werden. Solche Materialien könnten auch durch die laufende Erforschung der Dünnschicht- NEG- Beschichtung ergänzt werden, die in der Innenfläche der Kupfer-Vakuumkammern verwendet wird.
Kollimation
Ein Hadronenbeschleuniger mit 100 TeV erfordert effiziente und robuste Kollimatoren, da an den Interaktionspunkten 100 kW hadronischer Hintergrund erwartet werden. Darüber hinaus sind schnelle selbstanpassende Steuersysteme mit Kollimationslücken im Submillimeterbereich erforderlich, um irreversible Schäden an der Maschine zu verhindern und die in jedem Strahl gespeicherten 8,3 GJ zu verwalten.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sucht die FCC-Studie nach Designs, die den großen Energiebelastungen mit akzeptabler vorübergehender Verformung und ohne bleibende Schäden standhalten können. In Zusammenarbeit mit den FP7-Programmen HiLumi LHC DS und EuCARD2 werden neuartige Verbundwerkstoffe mit verbesserten thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften untersucht.
Zeitstrahl
Der Large Hadron Collider am CERN mit seinem High Luminosity Upgrade ist der weltweit größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger und wird voraussichtlich bis 2036 in Betrieb sein. Es wurden verschiedene Vorschläge für eine Post-LHC-Forschungsinfrastruktur in der Teilchenphysik gestartet, darunter sowohl lineare und Rundmaschinen.
Die FCC-Studie untersucht Szenarien für verschiedene kreisförmige Teilchenbeschleuniger, die in einem neuen Tunnel mit 100 km Umfang untergebracht sind, aufbauend auf der Tradition des LEP und des LHC , die beide in demselben Tunnel mit 27 km Umfang untergebracht sind. Für den Entwurf und den Bau eines großen Beschleunigerkomplexes und Teilchendetektoren ist ein Zeitrahmen von 30 Jahren angemessen.
Die Erfahrungen aus dem Betrieb von LEP und LHC und die Möglichkeit, neuartige Technologien im High Luminosity LHC zu testen, bilden eine Grundlage für die Bewertung der Machbarkeit eines Post-LHC-Teilchenbeschleunigers. Im Jahr 2018 veröffentlichte die FCC-Kollaboration den vierbändigen Conceptual Design Report (CDR) als Beitrag zur nächsten Europäischen Strategie für Teilchenphysik. Die vier Bände konzentrieren sich auf: (a) "Vol. 1 Physics Opportunities"; (b) "Vol. 2 FCC-ee: The lepton collider"; (c) "Vol. 3 FCC-hh: Der Hadronenbeschleuniger"; und (d) "Vol. 4 Der Hochenergie-LHC".
Organisation
Die vom CERN veranstaltete FCC-Studie ist eine internationale Zusammenarbeit von 135 Forschungsinstituten und Universitäten sowie 25 Industriepartnern aus der ganzen Welt.
Die FCC-Studie wurde als Reaktion auf die Empfehlung in der vom Rat des CERN angenommenen Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik 2013 ins Leben gerufen . Die Studie wird von drei Gremien geleitet: dem International Collaboration Board (ICB), dem International Steering Committee (ISC) und dem International Advisory Committee (IAC).
Das ICB überprüft den Ressourcenbedarf der Studie und findet Übereinstimmungen innerhalb der Zusammenarbeit. Es kanalisiert so die Beiträge der Teilnehmer der Kooperation mit dem Ziel, ein geografisch ausgewogenes und thematisch komplementäres Beitragsnetzwerk zu bilden. Das ISC ist das Aufsichts- und Hauptkontrollorgan für die Durchführung der Studie und handelt im Namen der Kooperation.
Das ISC ist für die ordnungsgemäße Durchführung und Umsetzung der Beschlüsse des ICB verantwortlich, leitet den strategischen Umfang, die individuellen Ziele und das Arbeitsprogramm der Studie ab und formuliert diese. Seine Arbeit wird durch die Koordinationsgruppe, das zentrale Exekutivorgan des Projekts, unterstützt, die die einzelnen Arbeitspakete koordiniert und das laufende Management der Studie übernimmt.
Schließlich überprüft der IAC den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt der Studie und legt dem Internationalen Lenkungsausschuss wissenschaftliche und technische Empfehlungen vor, um wichtige technische Entscheidungen zu unterstützen und zu erleichtern.
Kritik
Der von der FCC vorgeschlagene Teilchenbeschleuniger wurde wegen seiner Kosten kritisiert, wobei die Kosten für die Energy-Frontier Hadron Collider (FCC-hh)-Variante dieses Projekts auf über 20 Milliarden US-Dollar geschätzt werden. Sein Potenzial für neue Entdeckungen wurde auch von Physikern in Frage gestellt. Die theoretische Physikerin Sabine Hossenfelder kritisierte ein einschlägiges Werbevideo dafür, dass es eine Vielzahl offener Probleme der Physik skizziert, obwohl der Beschleuniger wahrscheinlich nur das Potenzial haben wird, einen kleinen Teil davon zu lösen. Sie stellte fest, dass es (Stand 2019) "keinen Grund gibt, dass die neuen physikalischen Effekte, wie Teilchen, aus denen dunkle Materie besteht, beim nächstgrößeren Collider zugänglich sein müssen".
Reaktionen auf diese Kritik kamen sowohl aus der Physik-Community als auch von Philosophen und Wissenschaftshistorikern, die das explorative Potenzial jedes zukünftigen Großbeschleunigers betonten. Eine ausführliche physikalische Diskussion ist im ersten Band des FCC Conceptual Design Report enthalten. Gian Giudice , Leiter der Physikabteilung des CERN schrieb einen Artikel über die "Zukunft der High-Energy Colliders", während andere Kommentare unter anderem von Jeremy Bernstein , Lisa Randall , James Beacham , Harry Cliff und Tommaso Dorigo stammten . In einem kürzlichen Interview Theoretiker für das CERN Courier , Nima Arkani-Hamed beschrieb den konkreten experimentellen Ziel für ein Post-LHC Collider: „Zwar gibt es absolut keine Garantie gibt , werden wir neue Teilchen erzeugen, werden wir auf jeden Fall Stresstest unserer bestehenden Gesetze in den meisten extreme Umgebungen, die wir jemals untersucht haben. Die Messung der Eigenschaften des Higgs wird jedoch garantiert einige brennende Fragen beantworten. [...] Eine Higgs-Fabrik wird diese Frage durch Präzisionsmessungen der Kopplung des Higgs an eine Reihe von andere Teilchen in einer sehr sauberen experimentellen Umgebung." Darüber hinaus gab es einige philosophische Antworten auf diese Debatte, insbesondere eine von Michela Massimi , die das explorative Potenzial zukünftiger Collider betonte: "Die Hochenergiephysik veranschaulicht auf wunderbare Weise eine andere Denkweise über Fortschritt, bei der Fortschritt dadurch gemessen wird, dass Live-Möglichkeiten ausgeschlossen werden , indem man mit hoher Konfidenz (95%) bestimmte physikalisch vorstellbare Szenarien ausschließt und auf diese Weise den Raum des objektiv Möglichen in der Natur abbildet. 99,9% der Zeit schreitet so die Physik voran und in der verbleibenden Zeit bekommt jemand einen Nobelpreis Preis für die Entdeckung eines neuen Teilchens."
Studien für Linearbeschleuniger
Ein Upgrade mit hoher Leuchtkraft des LHC [HL-LHC] wurde genehmigt, um seine Betriebslebensdauer bis Mitte der 2030er Jahre zu verlängern. Das Upgrade wird die Erkennung seltener Prozesse erleichtern und statistische Messungen verbessern.
Die Studie Future Circular Collider ergänzt bisherige Studien zu Linear Collidern. Der Compact Linear Collider (CLIC) wurde 1985 am CERN gestartet. CLIC untersucht die Machbarkeit eines hochenergetischen (bis zu 3 TeV), leuchtstarken Leptonen (Elektron/Positron)-Beschleunigers.
Der International Linear Collider ist ein ähnliches CLIC-Projekt, das eine Kollisionsenergie von 500 GeV haben soll. 2013 stellte sie ihren Technical Design Report vor. 2013 bildeten die beiden Studien eine organisatorische Partnerschaft, die Linear Collider Collaboration (LCC), um die weltweiten Entwicklungsarbeiten für einen Linear Collider zu koordinieren und voranzutreiben.
Siehe auch
- Compact Linear Collider - ein weiterer Post-LHC-Linearteilchenbeschleuniger am CERN . geplant
- International Linear Collider - ein weiterer Post-LHC-Linearteilchenbeschleuniger in Japan geplant
- Circular Electron Positron Collider - ein vorgeschlagener Circular Collider in China
- Supraleitender Super Collider - ein US-amerikanisches Circular Collider-Projekt mit einem geplanten Umfang von 87 km, das 1993 aufgegeben wurde