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未来的机器将如何探索粒子物理学的新领域

粒子物理学 加速器
发布:2020-09-16 09:25:46     来源:OPEN ACCESS GOVERMENT

美国能源部科学办公室的吉姆·西格里斯特(Jim Siegrist)描绘了未来的机器如何探索粒子物理学的新领域

粒子物理学是全球性的。要解决该领域最紧迫的科学问题,就需要来自世界各地的专业知识。开发世界一流的国际设施以探索亚原子世界新前沿的时间表可能需要数十年,但这是建立在标志着科学和技术进步的众多里程碑之上的。美国能源部(DOE)的科学办公室正在与全球各地的合作伙伴合作,以实现下一代粒子物理设施并实现未来的发现。

研究中微子科学

今天,在美国的基础工程正在进行中,以建立一个研究中微子科学的国际机构。这些幽灵粒子很少与其他形式的物质相互作用,并且在它们行进时会在三种已知类型之间改变它们的味道。为了能够精确研究这种令人困惑的行为,长基线中微子设施(LBNF)将在伊利诺伊州能源部的费米国家加速器实验室(Fermilab)产生世界上强度最大的中微子束,并将它们通过地球发送1,300公里南达科他州的桑福德地下研究设施。

费米实验室的新型超导粒子加速器,质子改进计划II(PIP-II),将提供产生中微子所需的高强度质子束。在南达科他州地球表面以下约1,500 m处,深地下中微子实验(DUNE)将测量来自伊利诺伊州和自然资源的中微子,例如来自我们银河系地区的超新星。来自33个国家/地区的1,000多名科学家的国际合作正在致力于开发和制造大型DUNE探测器,利用CERN Neutrino平台上的原型结果来完善其设计并批准技术。

国际伙伴关系将在成功实现这一新的国际中微子设施中发挥关键作用。美国能源部科学办公室正在努力加强现有的高能物理合作伙伴关系,并与全球合作伙伴建立新的合作伙伴关系,以汇集必要的科学人才和技术专长。目前已经与欧洲核研究组织(CERN)以及印度,意大利和英国政府签署了正式协议,以为这一大规模中微子努力的不同领域做出贡献。

目前正在与欧洲,亚洲和南美其他几个国家进行扩大合作伙伴关系的讨论。实际上,通过这种合作伙伴关系,PIP-II的捐款将使该设施成为美国托管的第一个加速器项目,而全球合作伙伴的捐款也很大。

发展粒子加速器技术

美国能源部科学研究院也在开发粒子加速器技术,该技术将有助于启用未来的全球粒子物理设施。美国能源部正在支持未来的“希格斯工厂”的开发,这是一种国际参与的电子-正电子对撞机,可以产生许多希格斯玻色子,以进行精密研究,以补充欧洲核子研究组织的大型强子对撞机(LHC)的研究。为了实现这一愿景,DOE支持加速器和检测器技术的研发,以使日本能够与国际直线对撞机(ILC)一起前进。我们的科学家正在开发超导技术的改进,这将提高加速器腔效率,并降低建造和后续操作的成本。在过去的一年中,DOE还与美国国务院合作,

6月,欧洲核子研究组织理事会一致通过了更新2020年《欧洲粒子物理战略》的决议。正如欧洲核子研究组织总干事最近指出的那样,该战略既有远见又雄心勃勃,同时又保持现实和审慎,强调了与包括DOE在内的全球合作伙伴合作可以实现的许多令人振奋的未来粒子物理学举措。作为其高度优先事项之一,欧洲战略重新获得了LHC加速器以及LHC实验ATLAS和CMS检测器的高发光度升级的成功完成。为了实现LHC计划的下一个时代,美国能源部科学办公室正在为加速器升级贡献关键的磁体和腔体组件,其中包括在美国开发的高产铌锡基超导磁体,

未来:粒子物理学的新领域

展望大型强子对撞机之后的下一个设施的未来发展,正在研究未来圆形对撞机(FCC),它是下一代复合物,其粒子碰撞能可能是大型强子对撞机的七倍。这种设施的开发是2020年欧洲战略更新的重点之一。

今年早些时候,美国能源部科学办公室与欧洲核子研究组织(CERN)和欧洲各地的国家实验室合作进行了FCC创新研究,这是欧盟委员会Horizo​​n 2020设计研究计划的一部分,该计划将研究法瑞100公里周长对撞机的技术设计边界,也可以利用CERN的现有基础设施。该研究将使科学家和工程师能够优化粒子对撞机的设计,并将研究计划到一个合适的土木工程项目中,同时还允许所有全球合作伙伴整合到研究的网络和用户社区中。

此外,DOE和CERN最近已开始讨论,以将DOE的合作扩展到CERN拟议的未来对撞机中,并期待与CERN和其他全球合作伙伴合作,设想可以实现FCC的技术。总体而言,诸如LHC,FCC和LBNF / DUNE / PIP-II之类的设施跨越了科学和技术领域,有望使我们的探索和突破性发现成为可能。

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