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Teilchenphysiker wollen den ersten Myonenbeschleuniger der Welt bauen


Die Silhouetten von zwei Personen rahmen den Blick in den Tunnel des Large Hadron Collider ein

Es gibt mehrere mögliche Beschleuniger, die dem Large Hadron Collider folgen könnten. Bildnachweis: Denis Balibouse/Reuters/Alamy

Die Dynamik wächst, um in den Vereinigten Staaten einen Teilchenbeschleuniger zu bauen, der Myonen zerschmettert – schwerere Verwandte von Elektronen. Der Collider würde dem nächsten großen Beschleuniger der Welt folgen, der noch gebaut werden muss, und Physiker hoffen, dass er neue Elementarteilchen entdecken würde. Obwohl die Kurzlebigkeit von Myonen den Bau eines solchen Colliders technisch schwierig macht, besteht sein Hauptvorteil darin, dass er kleiner und möglicherweise billiger als konkurrierende Collider-Designs wäre. Die Vision bleibt weit entfernt, frühestens in den 2040er Jahren, aber Forschung und Entwicklung müssen jetzt beginnen, sagen ihre Befürworter.

Es ist eine „kühne und vielversprechende Vision“, sagt Karri Di Petrillo, Teilchenphysiker am Fermi National Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois. Physiker auf der ganzen Welt denken über die Machbarkeit eines solchen Colliders nach, aber ihn in den Vereinigten Staaten zu hosten, „wäre ein Wendepunkt für meine Generation von Physikern“, sagt sie.

Während Snowmass, einer großen Planungsübung der US-amerikanischen Teilchenphysik-Community, die etwa einmal pro Jahrzehnt ihre wissenschaftliche Vision darlegt, kam unter Physikern Unterstützung für einen Myonenbeschleuniger zum Vorschein. Die Übung gipfelte in einem zehntägigen Workshop, der vom 17. bis 26. Juli in Seattle, Washington, stattfand. Die Organisatoren werden nun die Ansichten von Tausenden von Wissenschaftlern in einem Bericht zusammenfassen, der die wichtigsten Fragen auf diesem Gebiet beschreibt und was zu ihrer Lösung erforderlich ist, was letztendlich die US-Bundesfinanzierung beeinflussen wird. Fast ein Drittel der Weißbücher, die Physiker zum Abschnitt „Energiegrenze“ der Übung beisteuerten, handelte von Myonenbeschleunigern, und begeisterte Unterstützer des Treffens verkauften T-Shirts, die die Pläne unterstützten.

Higgs-Fabrik

Die Myonenmaschine würde dem Bau einer „Higgs-Fabrik“ folgen, einem großen Collider Kooperationen in Europa, China und Japan buhlen bereits um den Aufbau um das Elementarteilchen zu untersuchen, das als bekannt ist das Higgs-Boson im Detail (siehe ‘Future Colliders’). Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, Europas Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, Schweiz, entdeckte 2012 das Higgs – das mit dem Feld verbunden ist, das Teilchen Masse verleiht. Aber es entdeckte nicht die anderen neuen Teilchen, so viele Physiker erwartet, und einige glauben jetzt, dass dies außerhalb der Reichweite der Maschine liegen könnte.

Eine Higgs-Fabrik würde Elektronen mit ihren Antimaterie-Gegenstücken, Positronen, in Kollisionen zusammenbringen, die sauberer sind als die Proton-Proton-Zerschmetterungen im LHC, was Präzisionsstudien ermöglicht. Im Gegensatz dazu wäre ein Myon Collider eine “Entdeckungs”-Maschine, die versucht, neue Teilchen durch Kollisionen mit beispielloser Energie zu finden und die Ursache von Diskrepanzen aufzuklären, die in Ergebnissen früherer Experimente gefunden wurden.

Zukünftige Beschleuniger: Geschätztes Betriebsdatum für Beschleuniger, die gebaut werden könnten, um das Higgs-Boson im Detail zu untersuchen.
Zukünftige Beschleuniger: Geschätztes Betriebsdatum für Beschleuniger, die gebaut werden könnten, um das Higgs-Boson im Detail zu untersuchen.

Myonen können auf höhere Energien beschleunigt werden als Elektronen, da sie als Synchrotronstrahlung weniger Energie verlieren. Und sie haben einen großen Vorteil gegenüber Protonenkollisionen. Dabei kommt es zu Zusammenstößen zwischen den Quarks, aus denen die Teilchen bestehen, von denen jedes nur einen Bruchteil der gesamten Kollisionsenergie trägt. Da Myonen Elementarteilchen sind, wird bei jeder Kollision die gesamte Energie des Teilchens verbraucht. Dies bedeutet, dass ein 10-Billionen-Elektronenvolt (TeV)-Myonenbeschleuniger mit einer Länge von etwa 10 Kilometern Teilchen erzeugen könnte, die so viel Energie haben wie die, die von der 100-TeV-, 90-Kilometer-Protonenmaschine erzeugt werden, die CERN bauen will zweite Hälfte des Jahrhunderts.

Das Myon-Collider-Konzept gibt es seit den 1960er Jahren. Aber erst in den letzten Jahren wurden brauchbare Technologien entwickelt, die in der Lage sein könnten, mit den Macken des Myons fertig zu werden, zu denen die Tatsache gehört, dass es leicht zerfällt, störende Hintergrundgeräusche erzeugt und schwer zu überreden ist, einen intensiven Strahl zu bilden. Die Aufregung unter den US-Physikern liegt jetzt darin, dass genug Zeit vorhanden ist, um die Maschine zu entwickeln und zu bauen, die eine Higgs-Fabrik ablöst, und viele Leute, die daran arbeiten können, sagt Priscilla Cushman, Physikerin an der University of Minnesota in Minneapolis.

Ob es in den Vereinigten Staaten gebaut wird, hängt von Finanzierung und Politik sowie von der technischen Machbarkeit ab, sagt Joel Butler, Teilchenphysiker am Fermilab und Vorsitzender der Snowmass-Lenkungsgruppe. CERN organisiert auch eine internationale Zusammenarbeit, um die Machbarkeit eines Myonenbeschleunigers zu untersuchen. Für alle auf dem Tisch liegenden Beschleunigeroptionen müssen US-Physiker genug Forschung und Entwicklung betreiben, „damit die Entscheidungen, wenn sie getroffen werden müssen, auf gute Weise getroffen werden können“, sagt er.

Die Begeisterung für den Myonenbeschleuniger schlägt mit einem wachsenden Fokus auf Kosten und Nachhaltigkeit einher, sagt Caterina Vernieri, eine Teilchenphysikerin an der Stanford University in Kalifornien, die Teil einer Gruppe ist, die ein billigeres Higgs-Factory-Design, bekannt als Cool Copper Collider, aufstellte Teil des Snowmass-Prozesses.

Dunkle Materie

Fernbeschleuniger waren nur ein kleiner Teil der Snowmass-Agenda. Unter ihren kurzfristigeren Plänen betonten die Physiker ihr Engagement für ein hochintensives Upgrade des LHC ab 2026, das mehr als das Zehnfache der bis zu diesem Zeitpunkt erstellten Daten produzieren wird. Sie bekräftigten auch ihren Wunsch, den schrittweisen Bau eines 1.300 Kilometer langen, in den USA ansässigen Experiments namens DUNE voranzutreiben, das zur Untersuchung der Natur schwer fassbarer Teilchen, die Neutrinos genannt werden. Einige plädierten für grünes Licht für CMB-S4, a Untersuchung der nächsten Generation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.

Ein disziplinübergreifender Aufruf lautete, dafür zu sorgen, dass ein breites Spektrum an Einrichtungen zur Jagd nach Dunkler Materie existiert. Das Versäumnis, eine theoretisch vorhergesagte Art von Dunkler Materie zu finden, die als bekannt ist schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) in den letzten zehn Jahren, entweder an den massiven Detektoren, die zu ihrer Suche nach ihnen entwickelt wurden, oder am LHC, bedeutet, dass Dunkle Materie noch exotischer sein muss, als man angenommen hatte.

Physiker wollen nach viel leichteren Kandidaten für dunkle Materie suchen und ihre Suche umgestalten, um zu berücksichtigen, dass sie als ganze Familie von Teilchen existieren könnte und nicht nur als eine, sagt Suchita Kulkarni, Physikerin für dunkle Materie an der Universität Graz in Österreich, der am Snowmass-Meeting teilnahm. Um es zu finden, sind einige große und empfindliche Experimente erforderlich – wie diejenigen, die bereits nach WIMPS suchen – und viele weitere kleine, experimentelle, sagt Micah Buuck, Physiker an der Stanford University.

Finanzierungsempfehlungen

Der zweijährige Snowmass-Prozess, zu dem Physiker aus aller Welt 521 Arbeiten eingereicht haben, war „anstrengend, aber spannend“, sagt Cushman, der Mitglied der Lenkungsgruppe ist.

Nächstes Jahr kommt es zur Crunch Time, wenn das US-Bundesgremium zur Priorisierung von Teilchenphysik, bekannt als P5, die Schlussfolgerungen von Snowmass – und Budgetüberlegungen – nutzen wird, um Geldgebern des Energieministeriums und der National Science Foundation Investitionsempfehlungen für die nächsten zehn Jahre zu geben .

Physiker arbeiten jetzt daran, wie sie am besten mit Geldgebern und der Öffentlichkeit kommunizieren können, sagt Kulkarni. In den letzten zehn Jahren haben sie nicht das gefunden, was viele erwartet hatten – eine Abweichung vom Standardmodell, ihrer besten Beschreibung der Teilchenphysik, von der sie wissen, dass sie unvollständig ist. „Die Community bemüht sich, eine konsistente und ehrliche Erzählung zu erstellen“, sagt Kulkarni. „Wir geben unser Bestes und werden etwas daraus lernen. Aber Entdeckungen sind wankelmütige Geliebte, und man weiß nie, wann man sie bekommt.“

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