Recentemente, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) ha presentato un progetto concettuale per il Future Circular Collider (FCC), che dovrebbe sostituire il Large Hadron Collider. Il concept ipotizza la realizzazione di un tunnel lungo 100 km nelle vicinanze di Ginevra, in cui si prevede di posizionare sequenzialmente anelli acceleratori per lavorare con fasci di vario tipo: dagli elettroni ai nuclei pesanti. Perché i fisici hanno bisogno di un nuovo collisore, quali compiti risolverà e quale ruolo giocano gli scienziati russi in questo, ha detto a RIA Novosti un partecipante al progetto FCC, professore presso l'Università Nazionale di Ricerca Nucleare MEPhI (NRNU MEPhI) Vitaly Okorokov.
- Vitaly Alekseevich, perché i fisici hanno bisogno del Future Ring Collider?- Il progetto FCC è uno dei punti più importanti della nuova edizione della Strategia europea per la fisica delle particelle, che si sta formando oggi. Scienziati russi partecipano a progetti internazionali in quest'area della scienza fondamentale, sia nella ricerca sui collisori che negli esperimenti senza acceleratori. Nella fisica moderna, il mondo delle particelle elementari è descritto dal cosiddetto Modello Standard - teoria dei campi quantistici, che include interazioni elettromagnetiche, forti e deboli. La composizione delle particelle fondamentali in questo modello è stata completamente confermata sperimentalmente con la scoperta del bosone di Higgs nel 2012 presso il Large Hadron Collider (LHC). Tuttavia, le risposte a molte domande importanti, ad esempio, sulla natura della materia oscura, sull'emergere dell'asimmetria di materia e antimateria nell'Universo osservabile e così via, vanno oltre lo scopo del Modello Standard. Per trovare soluzioni ai problemi chiave della fisica fondamentale, gli scienziati stanno progettando nuovi complessi acceleratori sempre più potenti. - Quali compiti risolverà il Future Ring Collider? - Questa è la misurazione dei parametri del Modello Standard con una precisione irraggiungibile prima, uno studio dettagliato delle transizioni di fase e delle proprietà della materia che avvengono nell'Universo primordiale in condizioni estreme, la ricerca di segnali di nuova fisica al di fuori del Modello Standard, comprese le particelle di materia oscura. Dal punto di vista della fisica, è molto interessante studiare le proprietà dell'interazione forte a energie ultraelevate e sviluppare una teoria che la descriva: la cromodinamica quantistica.- Quali compiti risolverà il Future Ring Collider? - Questa è la misurazione dei parametri del Modello Standard con una precisione irraggiungibile prima, uno studio dettagliato delle transizioni di fase e delle proprietà della materia che avvengono nell'Universo primordiale in condizioni estreme, la ricerca di segnali di nuova fisica al di fuori del Modello Standard, comprese le particelle di materia oscura. Dal punto di vista della fisica, è molto interessante studiare le proprietà dell'interazione forte a energie ultraelevate e sviluppare una teoria che la descriva: la cromodinamica quantistica.- Quali compiti risolverà il Future Ring Collider? - Questa è la misurazione dei parametri del Modello Standard con una precisione irraggiungibile prima, uno studio dettagliato delle transizioni di fase e delle proprietà della materia che avvengono nell'Universo primordiale in condizioni estreme, la ricerca di segnali di nuova fisica al di fuori del Modello Standard, comprese le particelle di materia oscura. Dal punto di vista della fisica, è molto interessante studiare le proprietà dell'interazione forte a energie ultraelevate e sviluppare una teoria che la descriva: la cromodinamica quantistica.è molto interessante studiare le proprietà di una forte interazione a energie ultraelevate e sviluppare una teoria che la descriva: la cromodinamica quantistica.è molto interessante studiare le proprietà di una forte interazione a energie ultraelevate e sviluppare una teoria che la descriva: la cromodinamica quantistica.- Qual è l'essenza di questa teoria?- Secondo esso, le particelle chiamate adroni, ad esempio protoni e neutroni, hanno una struttura interna complessa formata da quark e gluoni - le particelle fondamentali del Modello Standard coinvolte nelle interazioni forti. Secondo le idee esistenti, quark e gluoni sono confinati all'interno di adroni e, anche in condizioni estreme, possono essere quasi liberi solo su scale lineari dell'ordine delle dimensioni di un nucleo atomico. Questa è una caratteristica chiave di forte interazione, che è stata confermata da un gran numero di studi sperimentali e teorici. Tuttavia, il meccanismo di questo fenomeno più importante - il confinamento di quark e gluoni (confinamento) - non è stato ancora determinato. Per diversi decenni, il problema del confinamento è stato invariabilmente incluso in ogni sorta di elenchi dei principali problemi irrisolti della fisica fondamentale. Nell'ambito del progetto FCC, si prevede di ottenere nuovi dati sperimentali e di avanzare in modo significativo nella comprensione delle proprietà delle interazioni forti, in particolare del confinamento.- Quali strumenti dovrebbero risolvere questi problemi?- Viene utilizzato un approccio integrato per svolgere un ampio programma di ricerca, secondo il quale il progetto FCC prevede due fasi. Il primo stadio "FCC-ee" prevede la creazione di un collisore elettrone-positrone con un'energia del fascio compresa tra 44 e 182,5 gigaelettronvolt. Nella seconda fase verranno condotti esperimenti "FCC-hh" su fasci di protoni e nuclei in collisione. In questo caso, si suppone che acceleri i protoni a un'energia di 50 teraelettronvolt e nuclei pesanti (piombo) - fino a 19,5 teraelettronvolt. Questo è più di sette volte le energie raggiunte nel complesso operativo più potente dell'LHC. Si prevede di utilizzarlo, insieme all'intera infrastruttura esistente, per ottenere fasci di particelle accelerate prima che vengano introdotte nell'anello principale di 100 chilometri del nuovo collisore FCC-hh. La costruzione di un acceleratore di elettroni lineare esterno con un'energia di 60 gigaelettronvolt consentirà di implementare un programma per uno studio dettagliato della struttura interna di un protone mediante scattering elettrone-protone profondamente anelastico (FCC - eh).- Lo sviluppo e la costruzione di installazioni di questo livello richiede decenni. Quando inizieranno i lavori? Quando si prevede di ottenere i primi risultati scientifici?- Se il concetto viene adottato, l'inizio dell'attuazione del programma integrale FCC è previsto intorno al 2020 La costruzione del collisore leptonico FCC-ee richiederà circa 18 anni, con una successiva durata dei lavori di circa 15 anni. Si scopre che la durata della prima fase sarà di circa 35 anni. Durante il funzionamento della FCC-ee, inizierà la preparazione della seconda fase del progetto. In conformità con il concetto, entro dieci anni dalla fine dell'operazione FCC-ee, verrà smantellato, verrà eretto l'anello collisore adronico e verranno installati rilevatori. L'ottenimento di nuovi dati per i fasci di protoni e nucleari è previsto per la metà del 2060. La durata dell'operazione FCC con fasci di protoni e nucleari è prevista per circa 25 anni e la durata totale della seconda fase è di circa 35 anni. Pertanto, si presume che gli esperimenti presso la FCC continueranno fino alla fine del 21 ° secolo. Questo progetto sarà veramente globale.
Quale ruolo svolgono gli scienziati russi, in particolare, di NRNU MEPhI nel progetto FCC?
- NRNU MEPhI, insieme ad altre organizzazioni russe, partecipa attivamente al progetto FCC e svolge lavori scientifici sia per il programma fisico della ricerca futura che per il complesso dell'acceleratore.
Gli scienziati di NRNU MEPhI hanno dato un contributo al concetto di FCC, in particolare, nel primo volume, contenente una descrizione del programma fisico generale per tutti i tipi di fasci pianificati, e nel terzo volume, dedicato alla ricerca con fasci di protoni e nucleari (FCC - hh).
- Dicci più in dettaglio, per favore
- Come accennato in precedenza, a temperature estremamente elevate (centinaia di migliaia di volte superiori rispetto al centro del Sole) e densità energetiche, quark e gluoni possono diventare quasi liberi su scala nucleare, formando un nuovo stato della materia, che di solito è chiamato plasma di quark-gluone.
Le collisioni di fasci di protoni e vari nuclei ad energie ultraelevate del collisore FCC-hh permetteranno di indagare, in particolare, le proprietà collettive della materia quark-gluone formata dalle interazioni sia di sistemi grandi (nuclei pesanti) che piccoli (protone-protone, protone-nucleo), fornendo condizioni uniche per lo studio delle proprietà degli stati a molte particelle.
Il previsto aumento di FCC-hh, significativo, rispetto all'LHC, dell'energia e della luminosità integrale dei fasci apre opportunità qualitativamente nuove per studiare, ad esempio, il comportamento delle particelle fondamentali più pesanti del Modello Standard: il bosone di Higgs (circa 125 volte più pesante di un protone) e un quark t (più pesante di un protone circa 175 volte) - nella materia calda e densa di quark-gluoni, così come il loro possibile uso come "sonde" per determinare le proprietà di questa materia.
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Nell'estate del 2014, durante una discussione presso l'Institute for High Energy Physics. AA. Logunov del Centro Nazionale di Ricerca "Istituto Kurchatov" è stata avanzata una proposta per utilizzare i bosoni di Higgs per studiare le proprietà della materia quark-gluone. Questa proposta è stata inclusa come uno degli elementi nel programma di ricerca con fasci di nuclei pesanti presso la FCC. A mio parere, questa direzione è di notevole interesse per la fisica delle interazioni forti.
Abbiamo solo accennato ad alcuni aspetti della ricerca futura. Il programma scientifico della FCC è molto ampio e il lavoro nell'ambito di questo progetto è in corso.
