Линейный коллайдер: проект ускорителя субатомных частиц

Введение

Предлагаемый линейный ускоритель субатомных частиц

Международный линейный коллайдер (ILC) — это предлагаемый линейный ускоритель частиц. Планируется, что первоначальная энергия столкновения составит 500 ГэВ, с возможностью последующего увеличения до 1000 ГэВ (1 ТэВ). Хотя ранее рассматривались Япония, Европа (CERN) и США (Fermilab) в качестве возможных мест размещения ILC, с 2013 года основное внимание в проектировании ILC уделяется высокогорью Китаками в префектуре Ивате на севере Японии. По словам координатора исследований детекторов ILC, правительство Японии готово внести половину необходимых затрат. В ILC будут сталкиваться электроны и позитроны. Его длина составит от 30 до 50 км, что более чем в 10 раз превышает длину Стэнфордского линейного ускорителя на 50 ГэВ — самого длинного существующего линейного ускорителя частиц. Предложение основано на предыдущих аналогичных проектах, разработанных в Европе, США и Японии. В рамках поэтапного подхода ILC может быть первоначально построен с энергией 250 ГэВ для использования в качестве фабрики Хиггса. Такая конструкция будет иметь длину около 20 км. Также ведутся исследования альтернативного проекта — компактного линейного коллайдера (CLIC), который будет работать при более высоких энергиях (до 3 ТэВ) в установке, сопоставимой по длине с ILC. Эти два проекта, CLIC и ILC, объединены в рамках сотрудничества «Линейный коллайдер».

Фон: линаки и синхротроны

Есть две основные формы ускорителей. Линейные ускорители ("линаки") ускоряют элементарные частицы по прямой траектории. Круговые ускорители ("синхротроны"), такие как Теватрон, LEP и Большой адронный коллайдер (LHC), используют круговые пути. Круговая геометрия имеет значительные преимущества при энергиях до и включая десятки ГэВ: при круговой конструкции частицы могут эффективно ускоряться на больших расстояниях. Кроме того, лишь доля частиц, направленных на столкновение, фактически сталкивается. В линейном ускорителе оставшиеся частицы теряются, а в кольцевом ускорителе они продолжают циркулировать и доступны для будущих столкновений. Недостатком круговых ускорителей является то, что заряженные частицы, движущиеся по искривленным траекториям, неизбежно излучают электромагнитное излучение, известное как синхротронное излучение. Потеря энергии на синхротронное излучение обратно пропорциональна четвертой степени массы рассматриваемых частиц. Поэтому целесообразно строить круговые ускорители для тяжелых частиц – адронные коллайдеры, такие как LHC для протонов или, альтернативно, для ядер свинца. Электрон-позитронный коллайдер того же размера никогда не сможет достичь тех же энергий столкновения. Фактически, энергии на LEP, который ранее занимал туннель, теперь отданный LHC, были ограничены 209 ГэВ потерями энергии из-за синхротронного излучения. Несмотря на то, что номинальная энергия столкновения на LHC будет выше, чем на ILC (14 000 ГэВ для LHC против ~500 ГэВ для ILC), измерения могут быть выполнены точнее на ILC. Столкновения между электронами и позитронами гораздо проще анализировать, чем столкновения, в которых энергия распределяется между составляющими кварками, антикварками и глюонами барионных частиц. Таким образом, одной из задач ILC будет проведение прецизионных измерений свойств частиц, обнаруженных на LHC.

Предлагаемые площадки

Первоначально три площадки для Международного линейного коллайдера рассматривались как основные претенденты на создание центров физики высоких энергий в Европе. В ЦЕРН в Женеве туннель расположен глубоко под землей в непроницаемом основании. Эта площадка считалась благоприятной по ряду практических причин, но из-за наличия Большого адронного коллайдера (LHC) она стала менее предпочтительной. В DESY в Гамбурге туннель находится близко к поверхности в водонасыщенной почве. Германия лидирует в Европе по объему финансирования науки, поэтому считалась надежным партнером в плане финансирования. В ОИЯИ в Дубне туннель расположен близко к поверхности в непроницаемой почве. В Дубне имеется комплекс предварительных ускорителей, который можно было бы легко адаптировать для нужд ILC. Однако все три площадки в той или иной степени подходили для размещения линейного коллайдера, что обеспечивало широкий выбор при выборе площадки в Европе. За пределами Европы интерес проявили ряд стран. Япония получает значительное финансирование для исследований нейтрино, например, для эксперимента T2K, что является фактором, не играющим в ее пользу, хотя в Японии уже построено 20 огромных подземных сооружений с доступом для гидроэлектростанций (например, Каннагавская ГЭС). После закрытия Теватрона некоторые группы в США выразили заинтересованность, при этом Фермилаб рассматривался как предпочтительная площадка благодаря уже имеющимся объектам и экспертам. Большая часть информации о заинтересованности других стран носила служебный характер из научного сообщества, и лишь немногие факты были официально опубликованы. Приведенная выше информация является краткой выдержкой из материалов Международного семинара по линейным коллайдерам 2010 года (совместное заседание ECFA CLIC ILC), проходившего в ЦЕРНе. Экономический кризис 2008 года привел к сокращению финансирования проекта коллайдера со стороны Соединенных Штатов и Соединенного Королевства, что сделало Японию наиболее вероятным местом для размещения Международного линейного коллайдера. 23 августа 2013 года комитет по оценке площадок японского сообщества физиков высоких энергий предложил разместить коллайдер в горах Китаками в префектурах Ивате и Мияги. По состоянию на 7 марта 2019 года правительство Японии заявило о своей неготовности поддерживать строительство коллайдера из-за его предполагаемой высокой стоимости – около 7 миллиардов долларов. На это решение повлиял, в частности, Научный совет Японии. Правительство Японии обращалось за финансовой поддержкой к другим странам для софинансирования проекта. В 2022 году японский план по ILC был "приостановлен" комиссией Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT). Было названо несколько причин, включая потенциальную недостаточную международную поддержку и предложение ЦЕРН о создании Future Circular Collider, физические цели которого частично совпадают с целями ILC. Если ILC не будет одобрен для реализации в Японии в 2022 году, ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми предлагают построить ILC на территории Фермилаба. Этот план предусматривает поэтапный подход, начиная с фабрики Хиггса. Служба инженерной поддержки Фермилаба разработала потенциальные планы размещения, использующие территорию лаборатории и сервитут ComEd, проходящий с севера на юг. Предлагаемый проект считается "готовым к реализации".

Originally, three sites for the International Linear Collider were leading contenders at established High Energy Physics centers in Europe. At CERN in Geneva the tunnel is located deep underground in non permeable bedrock. This site was considered favorable for a number of practical reasons but due to the LHC the site was disfavored. At DESY in Hamburg the tunnel is close to the surface in water saturated soil. Germany leads Europe for scientific funding and was therefore considered reliable in terms of funding. At JINR in Dubna the tunnel is close to the surface in non permeable soil. Dubna has a pre accelerator complex which could have been easily adapted for the needs for the ILC. But all three were more or less well suited for housing a Linear Collider and one had ample choice for a site selection process in Europe. Outside Europe a number of countries expressed interest. Japan receives a large amount of funding for neutrino activities, such as the T2K experiment, a factor not in its favor, although 20 huge caverns with access tunnels have already been constructed in Japan for hydroelectric power plants (e. g. the Kannagawa Hydropower Plant). Following the closure of the Tevatron some groups within the USA had expressed interest, with Fermilab being a favored site because of the facilities and experts already present. Much of the speculated interest from other countries was hearsay from within the scientific community, and very few facts were published officially. The information presented above is a summary of that contained in the International Workshop on Linear Colliders 2010 (ECFA CLIC ILC Joint Meeting) at CERN. The 2008 economic crisis led the United States and United Kingdom to cut funds to the collider project, leading to Japan's position as the most likely host for the International Linear Collider. On August 23, 2013, the Japanese high energy physics community's site evaluation committee proposed it should be located in the Kitakami Mountains of the Iwate and Miyagi Prefectures. As of March 7, 2019, the Japanese government has stated that it is not ready to support the construction of the Collider due to its high proposed cost of approximately $7 billion. This decision was informed partly by the Science Council of Japan. The Japanese government sought monetary support from other countries to help fund this project. In 2022, the Japanese plan for the ILC was "shelved" by a panel for Japan’s Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) Several reasons were given, including potentially insufficient international support and the CERN proposal for the Future Circular Collider, which has overlapping physics goals with the ILC. If the ILC is not approved to go forward in Japan in 2022, scientists from Fermi National Accelerator Laboratory propose that the ILC be constructed on site at Fermilab. This plan advocates the phased approach of beginning with a Higgs factory. Fermilab Engineering Support Services have established potential layouts that use land on site and the ComEd easement that runs north and south of site. The proposed project is considered to be "shovel ready".

Стоимость

В отчете о референс-дизайне стоимость строительства ILC, исключая исследования и разработки, создание прототипов, приобретение земли, затраты на сервитуты для подземных сооружений, детекторы, непредвиденные расходы и инфляцию, оценивалась в 6,75 миллиарда долларов США (в ценах 2007 года). После официального утверждения проекта, завершение комплекса ускорителей и детекторов, как ожидается, займет семь лет. Страна-хозяйка должна будет оплатить 1,8 миллиарда долларов за расходы, специфичные для площадки, такие как прокладка туннелей и шахт, а также обеспечение водоснабжения и электроэнергии. Бывший министр энергетики США Стивен Чу оценил общую стоимость в 25 миллиардов долларов США. Директор ILC Бариш заявил, что это, вероятно, завышенная оценка. Другие представители Министерства энергетики оценили общую стоимость в 20 миллиардов долларов. После завершения отчета о референс-дизайне ILC 2013 года, Бариш сообщил, что стоимость строительства ILC эквивалентна 7,78 миллиарда долларов США в ценах 2012 года; для этого потребуется "22,6 миллиона человеко-часов и расходы, специфичные для местоположения, включая подготовку площадки, научные детекторы и эксплуатацию объекта".