Kompakt lineær kolliderer

Image
Kompakt lineært kolliderprosjekt

Den kompakte Linear Collider (CLIC) er et konsept for en fremtidig lineær akselerator som er ment å ytterligere øke grensen for oppnåelige tyngdepunkt energier i høy-energi fysikk . I CLIC skal elektroner og positroner akselereres og bringes til kollisjon. Prosjektet er for tiden den eneste modne planleggingsvarianten for en slik lineær akselerator i energiområdet opptil flere T eV . Akseleratoren vil ha en lengde mellom 11 og 50 km, som er mer enn ti ganger lengre enn Stanford Linear Accelerator i Stanford , California . Hensikten er å bygge CLIC ved CERN nær Genève som et grenseoverskridende prosjekt mellom Frankrike og Sveits . Byggingen er planlagt å starte i 2026 og igangkjøring er planlagt til 2035, da Large Hadron Collider på CERN kunne ha opphørt driften.

CLIC vil bruke en ny tostråle-akseleratorteknikk med en akselerasjonsgradient på 100 MV / m. Det er planlagt å utvide CLIC i tre trinn slik at partikkelkollisjoner kan finne sted ved tre forskjellige tyngdepunktenergier på opptil 3 TeV for å kunne utforske det mulige spekteret av ny fysikk i hele energiområdet på en best mulig måte. Foreløpig er videre forskning og utviklingsarbeid nødvendig for å kunne utføre fysiske målinger med høy presisjon under de vanskelige forholdene til en slik partikkelstråle og for å blokkere urovekkende bakgrunnseffekter.

Målet med CLIC er å oppdage fysikk utover standardmodellen , både via presisjonsmålinger av forutsagte fysiske størrelser og via direkte deteksjon av tidligere ukjente partikler . På grunn av sin konstruksjon som elektron-positron kollider, ville CLIC være svært følsom for avvik i elektrosvak sektor av standardmodellen, med en presisjon som overstiger den for LHC. Den nåværende planleggingen av CLIC inkluderer også muligheten for å polarisere partikkelbjelkene.

bakgrunn

Det er to hovedtyper av partikkelakseleratorer, som skiller seg ut i måten partikler akselereres på: Leptoner som elektroner og positroner eller hadroner , spesielt protoner og antiprotoner. Hadroner er partikler som består av partoner som fører til mer komplekse kollisjonshendelser. Enhver slik hendelse må deles inn i den “harde” prosessen, der to av komponentene i hadronene samhandler med hverandre, og en bakgrunnsprosess der fragmentene fra hadronene omadroniseres . Videre er det ikke kjent hvilket moment de samhandlende partonene hadde, bare fremdriften til den komplette hadronen. Dette begrenser den maksimale oppnåelige presisjonen til målingene. Leptoner, derimot, er elementære partikler , så den eksakte starttilstanden i kollisjonshendelsen er kjent, og færre andre partikler genereres i kollisjonen.

På den annen side har hadroner en høyere masse enn leptoner og kan derfor akselereres til høyere energier enn leptoner i en ringakselerator på grunn av lavere energitap på grunn av synkrotronstråling . Lepton-akseleratorer er derfor vanligvis utformet som lineære akseleratorer med et betydelig høyere plassbehov.

Utvidelsesetapper

Image
CLIC-akselerator med utvidelsesnivåene 380 GeV, 1,5 TeV og 3 TeV

En tretrinns utvidelse er planlagt for CLIC, med den første etappen på 380 GeV, den andre på 1,5 TeV og den tredje på 3 TeV. Den integrerte lysstyrken til de enkelte nivåene skal være 1 fra henholdsvis −1 , 2,5 fra −1 og 5 fra −1 over en periode på 27 år  . Valget av disse tyngdepunktenergiene er basert på gjeldende data innhentet av LHC og en undersøkelse fra CLIC-studien.

Selv ved 380 GeV ville CLIC dekke hele fysikken til standardmodellen; Energier utover denne grensen tillater oppdagelse av ny fysikk så vel som presisjonsmålinger innenfor standardmodellen. I tillegg vil CLIC operere i området rundt 350 GeV, som representerer terskelen for generering av topp- antitope parene, med sikte på å bestemme egenskapene til den øverste mer presist.

Objekter av etterforskning

Higgs fysikk

Så langt er alle resultatene av LHC-eksperimentene på Higgs-bosonen i tråd med forventningene til standardmodellen. Imidlertid kan disse eksperimentene bare teste noen spådommer med store måleusikkerheter. CLIC kunne måle noen parametere, spesielt styrken til Higgs-koblingene til andre partikler, med større presisjon. Ekspansjonstrinnet ved 380 GeV tillot for eksempel nøyaktige modelluavhengige målinger av Higgs-boson-koblingene til fermioner og bosoner via Higgs-stråling og vektorbosonfusjonsprosesser . Det andre og tredje stadiet av utvidelsen vil muliggjøre tilgang til fenomener som kobling til toppkvarken, sjeldne Higgs-forfall og Higgs selvinteraksjon.

Toppfysikk

Image
En rekonstruert topphendelse ved 3 TeV i en simulert CLIC-detektor

Toppkvarken som den tyngste kjente elementære partikkelen har ennå ikke blitt undersøkt i elektron-positron kollidere. Et primært mål for det planlagte toppprogrammet ved CLIC er å studere energiterskelen for topp antitop-produksjon ved rundt 350 GeV for nøyaktig å bestemme massen til toppen og andre egenskaper. For disse undersøkelsene er 10% av varigheten av det første ekspansjonstrinnet med en integrert lysstyrke på totalt 100 fb −1 planlagt. Ved hjelp av disse studiene kunne toppmassen bestemmes mer presist på en teoretisk veldefinert måte enn det som er mulig i hadron kollidere. Ytterligere mål for CLIC ville være å måle elektrosvake koblinger til toppkvarken til Z-bosonen og fotonet , siden avvik fra prediksjonene i standardmodellen ville være en indikasjon på ny fysikk. Observasjonen av topp og nedbrytes med smak endring nøytrale strømninger , den smak skiftende nøytrale strømninger ville, ved CLIC være en indirekte indikasjon på ny fysikk, ettersom disse må ikke forekommer i standardmodellen ved CLIC.

Nye fenomener

CLIC kunne oppdage ny fysikk enten gjennom indirekte målinger eller direkte observasjoner. Vesentlige avvik fra egenskapene til partiklene som standardmodellen forutsier i presisjonsmålinger, vil være et slikt indirekte signal. Disse indirekte metodene gir innsikt i energiskalaer langt over den oppnåelige fokusenergien opp til noen titalls TeV.

Eksempler på indirekte målinger som ville være mulig med CLIC ved 3 TeV: Bruk av produksjonen av muonantimyonpar for å oppnå indikasjoner på et Z 'boson (opptil ca. 30 TeV), som indikerer en ekstra kalibreringsgruppe ; Bruk av vektorbosonspredning for å få innsikt i mekanismen for elektrosvak symmetribrudd ; Ved å bruke kombinasjonen av forskjellige slutttilstander i Higgs-forfallet for å bestemme den grunnleggende eller sammensatte naturen til Higgs-bosonen (opptil ca. 50 TeV).

Direkte parproduksjon av partikler opp til en masse på 1,5 TeV og produksjon av enkeltpartikler opp til en masse på 3 TeV er også mulig med CLIC. På grunn av færre urovekkende bakgrunnshendelser ved lepton kolliderere, ville det være mulig på CLIC å måle disse potensielle nye partiklene med høy nøyaktighet. Eksempler på slike partikler som CLIC kunne observere direkte, ville være noen som ble spådd av supersymmetri : Charginos , Neutralinos og Sleptonen .

status

I 2017 ble omtrent 2% av det årlige CERN-budsjettet investert i utviklingen av CLIC. Den første fasen av CLIC med en lengde på rundt 11 kilometer tar anslagsvis 6 milliarder sveitsiske franc. CLIC er et internasjonalt prosjekt som mer enn 70 institutter i mer enn 30 land bidrar til. Den består av to samarbeid: CLIC-detektor og fysikk-samarbeid (CLICdp) og CLIC-akseleratorstudie . CLIC er for tiden i utviklingsfasen, med ytelsesstudier for akseleratordeler og systemer og detektorteknologier som også gjennomføres og optimaliseringsstudier blir gjennomført og analysemetoder utviklet. Parallelt samarbeider samarbeidene med grupper fra teoretisk fysikk for å utforske CLICs fysiske potensial.

CLIC har levert to korte dokumenter som et bidrag til neste oppdatering av den europeiske strategien for partikkelfysikk (ESPP), som oppsummerer CLICs fysikkpotensial og status for akselerator- og detektorprosjektene ved CLIC. Oppdateringen av ESPP er en prosess i hele fysikksamfunnet, som forventes fullført i mai 2020 med publisering av et nytt strategipapir.

Detaljert informasjon om CLIC-prosjektet finner du i CERN Yellow Reports om potensialet for ny fysikk, implementeringsplanen og detektorteknologier. En oversikt er gitt i CLICs sammendragsrapport for 2018.

Individuelle bevis

  1. ↑ a b c d e f g h i j Philip N. Burrows et al.: The Compact Linear Collider (CLIC) - 2018 Summary Report . I: CERN Yellow Reports . CERN-2018-005-M, 2018, ISBN 978-92-9083-507-3 , doi : 10.23731 / CYRM-2018-002 , arxiv : 1812.06018 (engelsk).
  2. ^ ATLAS-samarbeid: Observasjon av en ny partikkel i jakten på standardmodellen Higgs Boson med ATLAS-detektoren ved LHC . I: Physics Letters B . teip 716 , nr. 1 , 2012, s. 1–29 , doi : 10.1016 / j.physletb.2012.08.020 , arxiv : 1207.7214 (engelsk).
  3. ^ CMS-samarbeidet: Observasjon av et nytt boson ved en masse på 125 GeV med CMS-eksperimentet ved LHC . I: Physics Letters B . teip 716 , nr. 1 , 2012, s. 30–61 , doi : 10.1016 / j.physletb.2012.08.021 , arxiv : 1207.7235 (engelsk).
  4. ↑ a b Konseptuell designrapport CLIC CDR. I: CLIC-detektor og fysikkstudie. CERN, åpnet 23. august 2019 .
  5. ↑ a b H. Abramowicz et al.: Higgs Physics at the CLIC Electron-Positron Linear Collider . I: European Physical Journal C . teip 77 , nr. 7 , 2017, s. 475 , doi : 10.1140 / epjc / s10052-017-4968-5 , arxiv : 1608.07538 (engelsk).
  6. ↑ a b H. Abramowicz et al.: Top-Quark Physics at the CLIC Electron-Positron Linear Collider . 2018, arxiv : 1807.02441 (engelsk).
  7. ↑ a b c J. de Blas et al.: CLIC Potential for New Physics . I: CERN Yellow Reports . CERN-2018-009-M, 2018, ISBN 978-92-9083-511-0 , doi : 10.23731 / CYRN-2018-003 , arxiv : 1812.02093 (engelsk).
  8. ^ P. Roloff et al.: The Compact Linear e +  e - Collider (CLIC): Physics Potential . 2018, arxiv : 1812.07986 (engelsk).
  9. ^ A. Robson et al.: The Compact Linear e +  e - Collider (CLIC): Akselerator og detektor . 2018, arxiv : 1812.07987 (engelsk).
  10. ↑ M. Aicheler et al.: The Compact Linear Collider (CLIC) - Prosjektgjennomføringsplan . I: CERN Yellow Reports . CERN-2018-010-M, 2018, doi : 10.23731 / CYRM-2018-004 (engelsk).
  11. ^ D. Dannheim et al.: Detector Technologies for CLIC . I: CERN Yellow Reports . CERN-2019-001, 2019, doi : 10.23731 / CYRM-2019-001 , arxiv : 1905.02520 (engelsk).