Gebrek aan ontdekkingen is schadelijk voor de volgende grote deeltjesbotser

Een gekoelde lineaire botser zou deeltjes bijna tot de snelheid van het licht versnellen.

REY.HORI / KEK

Gebrek aan ontdekkingen is schadelijk voor de volgende grote deeltjesbotser

Door Dennis Normile, Adrian ChoFeb. 28, 2019, 11:10 AM

Deeltjesfysici maken zich zorgen dat ze niet weten wat hun volgende botser zal zijn of waar ze het moeten bouwen. Europa, China en Japan hebben elk plannen vrijgegeven voor een opvolger van de huidige grootste atoomvernietiger, de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, het deeltjesfysisch laboratorium van Europa in de buurt van Genève, Zwitserland. Het zorgwekkende gebrek aan ontdekkingen van de LHC maakt het echter moeilijk voor natuurkundigen om de megaprojecten van regeringen of hun collega's te ondersteunen.

De opvolger van de machine die het dichtst bij de hand ligt, de International Linear Collider (ILC), brengt deze zorgen ter sprake. Tegen de tijd dat leden van de Linear Collider Board op 7 maart in Tokio bijeenkomen, zal de Japanse regering naar verwachting een verklaring hebben afgegeven over de vraag of deze de $ 7, 5 miljard machine zal hosten. De natuurkundigen houden hun collectieve adem in. Na een kritisch rapport, gepubliceerd in december 2018 door de Science Council of Japan (SCJ), zou zelfs een vleugje officiële ondersteuning sommige ILC-supporters tevreden stellen. "Als de verklaring luidt:" Wij willen graag de ILC hosten, op voorwaarde dat de internationale onderhandelingen succesvol zijn ", zegt Hitoshi Yamamoto, een fysicus aan de Tohoku University in Sendai, Japan.

Slechts 7 jaar geleden verheugden deeltjesfysici zich op de ontdekking van het Higgs-boson te midden van het wrak van protonenbotsingen op de LHC. De Higgs was het laatste ontbrekende stuk in het standaardmodel van fysici van elementaire deeltjes en krachten en de spil in hun uitleg over hoe alle fundamentele deeltjes hun massa verwerven. Maar velen hoopten nieuwe deeltjes en krachten te vinden die niet werden voorspeld door het standaardmodel. Om die reden is de LHC tot nu toe leeg gekomen.

Veel natuurkundigen hebben lang beweerd dat hun volgende grote machine een lineaire botser moet zijn die elektronen en positronen tegen elkaar slaat. Die puntige deeltjes produceren botsingen die veel gemakkelijker te interpreteren zijn dan botsingen van protonen, die zelf zakken met subatomaire deeltjes zijn. Een lineaire botser zou dus ideaal zijn voor een precisieanalyse van nieuwe deeltjes die door de LHC zijn ontdekt. In 2003 bundelden groepen in de Verenigde Staten, Europa en Japan hun krachten om de ILC voor te stellen: twee rechte versnellers gehuisvest in een 31 kilometer lange tunnel die elektronen in positronen zou breken met energieën tot 500 giga-elektronenvolt (GeV) .

Maar toen natuurkundigen in 2007 een basisontwerp voltooiden, bleven de Verenigde Staten het prijskaartje van $ 14 miljard haperen. Japan kwam naar voren als de waarschijnlijke gastheer na de aardbeving en tsunami in Tohoku in 2011, toen donateurs hoopten dat de regering het project zou financieren als onderdeel van een economische stimulans. Het ontwerp werd later teruggeschroefd toen de ontdekking van Higgs onthulde dat een goedkopere 20 kilometer lange machine, die 250 GeV kon bereiken, voldoende zou zijn om veel van die deeltjes te genereren.

Als een "Higgs-fabriek" zou de ILC fysici helpen de snelheden of "vertakkingsverhoudingen" te meten waarmee de Higgs vervalt tot bekende deeltjes. Afwijkingen van standaardmodelvoorspellingen zouden wijzen op nieuwe fysica. Hoewel die wetenschap solide is, is het ook minder opwindend dan het zoeken naar nieuwe deeltjes, zeggen sommige natuurkundigen. "30 jaar besteden aan het meten van de vertakkingsratio's van Higgs zal waarschijnlijk geen mensen grijpen", zegt George Gollin, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Illinois in Urbana.

In zijn rapport van december uitte het SCJ soortgelijke bedenkingen, waarbij hij de onopgeloste technologische uitdagingen van het project opmerkte en zich afvroeg of "het verwachte wetenschappelijke resultaat ... voldoende is om het grote aandeel van Japan in de totale kosten te rechtvaardigen."

Botsende dromen

Japan, China en Europa hebben allemaal machines voorgesteld om de Large Hadron Collider (LHC) te volgen.

CEPC (China) en Future Circular Collider (Europa) 100 kilometer omtrek LHC (Europa) 27 kilometer omtrek ILC (Japan) 20 kilometer lengte
V. ALTOUNIAN / SCIENCE

De overheid kan nog steeds aanbieden om de ILC te hosten om andere redenen dan de wetenschappelijke uitbetaling. De ILC zou de eerste echte internationale wetenschappelijke faciliteit in Japan zijn en het zou het land decennia lang een centrum voor acceleratorfysica maken. De kandidaat-site, in het Kitakami-gebergte dat zich uitstrekt over de prefecturen Iwate en Miyagi, bevindt zich in een regio die het zwaarst te lijden had onder de aardbeving in 2011. De potentiële stimulans voor de regionale economie is niet onopgemerkt gebleven: regionale vertegenwoordigers van het Dieet, het nationale parlement, vormden een ILC-promotiegroep, evenals industriële belangen.

Dit is de reden waarom "mensen buiten de wetenschapsgemeenschap de ILC zo sterk ondersteunen", zegt Yasuhiro Okada, een theoretisch fysicus en plaatsvervangend hoofd van het ILC-planningsbureau bij de High Energy Accelerator Research Organisation in Tsukuba, Japan. In de afgelopen 6 weken heeft een gestage stroom van gemeenteraden, burgergroeperingen en kamers van koophandel brieven van steun voor de ILC aan ambtenaren van de regerende Liberal Democratic Party gepresenteerd, volgens lokale nieuwsberichten.

Maar door de beperkte omvang van een Higgs-fabriek overwegen onderzoekers in zowel China als Europa plannen voor ambitieuzere machines. In november 2018 onthulde China plannen voor een voorgestelde Circular Electron Positron Collider (CEPC), een machine van $ 5 miljard met een omtrek van 100 kilometer. Om niet te overtreffen, bracht CERN in januari een conceptueel ontwerp uit voor zijn eigen 100 kilometer lange circulaire elektron-positron-botser.

Omdat elektronen en positronen overvloedige röntgenstralen uitstralen wanneer ze rond een ring buigen, zouden de cirkelvormige botsers veel minder efficiënt werken dan een lineaire botser. Ze zouden echter een voordeel hebben: de tunnels zouden later kunnen worden gebruikt voor een nieuwe protonenbotser die de deeltjes zeven keer zo hoog zou maken als de LHC's, waardoor het potentieel voor het ontdekken van nieuwe deeltjes zou toenemen. Een lineaire botser kon niet worden omgezet in een dergelijke protonsmitter omdat protonen dergelijke energieën niet in hun enkele doorgang door de machine konden bereiken.

De bouw van de CEPC hangt af van de financiering in het kader van het volgende vijfjarenplan van China, dat begint in 2021. "Het is nog te vroeg om enige respons van onze financieringsinstanties te krijgen", zegt Wang Yifang, directeur van het Institute of High van de Chinese Academy of Sciences Energiefysica in Beijing, die het project leidt. En net als de ILC wordt de CEPC geconfronteerd met vragen over kosten en wetenschappelijke opbrengsten. Maar China wil misschien graag de rest van de wereld laten zien dat het zo'n internationale samenwerking kan organiseren, zegt Young-Kee Kim, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Chicago in Illinois en voormalig adjunct-directeur van Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois. "Ze willen de wereld hun kracht laten zien."

Natuurlijk kunnen de twijfels over de wetenschap voor de volgende botser verdampen als de LHC nieuwe deeltjes oproept. De machine, die in de jaren 2030 zal draaien, heeft slechts een tiende van zijn totale geplande gegevens verzameld. Gezien dat feit zeggen sommige natuurkundigen dat er geen haast is om een ​​beslissing te nemen over de volgende machine.

Als een Higgs-fabriek niet uitkomt, is er mogelijk nog een weg vooruit. Sommige CERN-onderzoekers willen de LHC vervangen door een botser met deeltjesgeleidende magneten die twee keer zo sterk zijn. Dat zou de energie van de LHC verdubbelen zonder de kosten van een nieuwe tunnel. Hoewel dat plan minder ambitieus is, zegt Robert Roser, een natuurkundige van Fermilab: "Dat is wat ik zou doen."