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加速器科学的新纪元——物理学家重新定义国际线性对撞机实验

对撞机 直线加速器 希格斯玻色子
发布:2021-02-19 15:18:41    

PNNL物理学家Jan Strube在美国领导人中定义了新的国际线性对撞机实验。


 图片来源:Rey.Hori的概念图|凯克  

拟议中的国际直线对撞机隧道的概念图。

 
图片来源:Andrea Starr摄影|太平洋西北国家实验室 

物理学家Jan Strube


 图片来源:Rey.Hori的概念图|凯克 

在提出的ILC中,在阻尼环中产生的电子和正电子粒子束会绕着每个末端摆动,并直射到中心,撞击到探测器的前面。每个加速器臂可以加长以获得更高的能量。

 

在2012年瑞士大型强子对撞机(LHC)检测到难以捉摸的亚原子粒子希格斯玻色子之前,世界各地的科学家就已经在为下一代粒子加速器进行艰苦的计划。这些工程奇迹可以说是地球上一些最先进的科学机器,需要数十年的时间来计划,构建,测试和启动。

拟议的国际直线对撞机(ILC)就是这种情况。

“要充分认识希格斯粒子的性质的作用,并超越我们现有的理论,我们需要更多的灵敏度和精确度,而这正是国际劳工大会和它的实验设计做的,说:”Jan Strube,一个西北太平洋国家实验室(PNNL)的物理学家。他的研究将高级计算与高能物理相结合,以优化当前和未来实验的检测能力。

Strube还与俄勒冈大学的基础科学研究所共同任命,并且是美国领先的研究人员之一,致力于确定新型ILC的实验要求,以实现所需的精度。

美国,日本和欧洲政府正在讨论由科学家设想的在日本开展ILC的问题。美国能源部(DOE)在2020年10月由国际物理学界组织的研讨会上表示支持ILC。

在2021年1月发表的《欧洲核子研究中心信使》(CERN Courier)的一篇文章中,来自德国和日本的Strube及其同事概述了使用线性对撞机进行粒子物理研究的未来,这可能会增进我们对暗物质的理解并有助于回答有关宇宙的基本问题。《信使》涵盖了全世界的高能物理学工作,由欧洲核研究组织(CERN)出版,欧洲核子研究组织是最大,最受尊敬的科学研究中心和大型强子对撞机所在地。

标准模型的最终证明

在标准模型的物理,成立于20世纪60年代,是一个涵盖理论来解释3自然界的四种基本力的:电磁,弱相互作用和强相互作用和重力。斯特劳伯说,大型强子对撞机发现希格斯玻色子证实了其中三种力的前三个数学方程式,除了几个明显的遗漏-暗物质就是其中之一。

科学家认为,他们可以在“希格斯工厂”中通过更精确的电子-正电子碰撞测量来填补空白,该工厂的重点是在干净的实验室中生产希格斯玻色子,以进行更详细的研究。

ILC是为设施的初始阶段设计的一条21公里长的直线隧道,它提供了一个清洁,精确的环境来测量微粒碰撞产生的微小能量变化。隧道可以延伸至50公里,以实现超越希格斯玻色子的独特物理测量所需的更高能量。

ILC检测器的研究和开发集中在低质量跟踪和高粒度传感器上,以实现前所未有的分辨率。正如所描述的快递物品时,ILC的偏振光束和高亮度将导致在许多标准模型观测当前所知幅度提高至少一个数量级。

除了回答有关自然基本定律的问题外,通过这项工作开发的技术还可以带来医学,工业过程和研究设施的进一步进步,这是能源部的所有优先事项。

国际劳工大会的新阶段

在欧洲的战略粒子物理近期优先的下一个加速器的第一阶段为“希格斯玻厂。” 拟议的ILC的初始步骤将包括在建设之前建立一个准备实验室进行技术协调,同时继续就治理,资源共享和运营相关问题进行政府间讨论。

在近一个世纪的时间里,DOE一直在进行加速器协作研究,以此作为其开展“大规模科学”的独特能力的典型例子。这种分组方法导致了各个领域的进步,例如融合,高性能计算,人工智能等。

如果ILC向前发展,Strube预计PNNL可能会在机器学习和数据分析方面贡献专业知识。这些功能可以增强各种实验方面,包括仿真和建模软件,数据吞吐量和管理以及设施运营。

Strube设想的新的加速器具有用于发现和揭幕性质的潜在暗物质,在粒子物理学的重中之重研究无论是在西北太平洋国家实验室和世界各地。根据计划的时间表,如果继续进行ILC,该设施将在2035年左右进行调试。

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