Φυσική σωματιδίων σε επιταχυντές στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία

Υπεραγώγιμη κοιλότητα ραδιοσυχνότητας
Οι υπεραγώγιμες κοιλότητες ραδιοσυχνότητας (SCRF) θα είναι τα κύρια στοιχεία του Διεθνούς Γραμμικού Κολλητή. Εδώ, μια κοιλότητα εννέα κυττάρων SCRF επεξεργάζεται στην εγκατάσταση επεξεργασίας κοιλοτήτων στο Fermilab Η απόδοση του καλλιτέχνη του Διεθνούς Γραμμικού Κολλητή.

Η ILC πρότεινε να φιλοξενηθεί στην Ιαπωνία, παρουσιάζοντας τα κρυοσωματίδια (σε κίτρινο στα δεξιά) του γραμμικού επιταχυντή που περιέχουν τις υπεραγώγιμες κοιλότητες επιτάχυνσης ραδιοσυχνοτήτων και τις μονάδες ισχύος και το σύστημα διανομής μέσα στη σήραγγα./div>
Τα πειράματα φυσικής σωματιδίων στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό στην κατανόηση των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους. Με την πρόσφατη ανακάλυψη του μποζόνιο Higgs στο CERN, αναζωπυρώθηκε το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συγκρούσεων νέας γενιάς. Ένας γραμμικός ανιχνευτής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στην Ιαπωνία και ένας κυκλικός αναστολέας στην Κίνα έχουν προταθεί για μελέτες ακρίβειας του μποζονίου Higgs. Εκτός από το πρόγραμμα Higgs, κατασκευάζονται στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία νέες μονάδες ουδετερότητας μεγάλου μήκους βασισμένες σε επιταχυντές. Εδώ, περιγράφουμε την παρούσα κατάσταση των βασικών προγραμμάτων φυσικής σωματιδίων σε επιταχυντές και τα μελλοντικά σχέδια στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία που συμπληρώνουν σε μεγάλο βαθμό τις προσεγγίσεις που διερευνώνται στην Ευρωπαϊκή Στρατηγική για την Ενημέρωση της Φυσικής των σωματιδίων. Ενθαρρύνουμε την επιδίωξη αυτής της συνολικής προσέγγισης, Κύριος Η ανακάλυψη 1 , 2 του μποζονίου Higgs το 2012 ολοκλήρωσε το Πρότυπο Μοντέλο (SM) της Φυσικής των σωματιδίων, ανοίγοντας ταυτόχρονα μια νέα πύλη στο άγνωστο. Στα χρόνια που ακολούθησαν, τα δείγματα δεδομένων που συσσωρεύτηκαν από τα πειράματα ATLAS και CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) αυξήθηκαν 25 φορές επιτρέποντας μετρήσεις μιας σειράς ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs και των συζεύξεων του με πολλά σωματίδια SM σε 10- 25% ακρίβεια 3 , 4. Δεν βρέθηκαν αποδείξεις για εκτροπή από τις προβλέψεις της SM, αλλά οι ελπίδες ότι η «πύλη Higgs» θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την αναζήτηση φαινομένων πέρα ​​από το SM παραμένει. Η ενέργεια σύγκρουσης του LHC πρέπει να αυξηθεί στα 14 TeV κατά την επόμενη περίοδο λήψης δεδομένων που έχει προγραμματιστεί για το 2021-2023, με στόχο το διπλασιασμό του συνόλου δεδομένων για συνολική ολοκληρωμένη φωτεινότητα ~ 300 fb -1 . Η αναβάθμιση υψηλής φωτεινότητας του LHC θα αυξήσει τα σύνολα δεδομένων σύγκρουσης πρωτονίων-πρωτονίων κατά μία τάξη μεγέθους στα 3000 fb -1 κατά την περίοδο λειτουργίας 2027-2037. Οι περισσότερες συζεύξεις Higgs θα είναι μετρήσιμες σε ακρίβεια 5 τοις εκατό , επιτρέποντας είτε την ανακάλυψη αποκλίσεων από τις προβλέψεις της SM - πιθανές ενδείξεις για τη νέα φυσική - είτε περαιτέρω να δείξουν ότι το SM είναι ακριβές σε μια εκπληκτική ακρίβεια. Η ανακάλυψη Higgs έχει ανανεώσει το ενδιαφέρον παγκοσμίως για την ανάπτυξη συγκρούσεων νέας γενιάς. Λόγω της μάζας Higgs 125 GeV, έχουν προταθεί αρκετές προτάσεις για εργοστάσιο Higgs με ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια: ο 250 GeV International Linear Collider (ILC) 6 , 7 , 8 στην Ιαπωνία, ο 380 GeV Compact Linear Collider (CLIC) 9 με βάση μια νέα τεχνική επιτάχυνσης δύο ακτίνων στο CERN, τον μελλοντικό κυκλικό συλλέκτη 10 (FCC-ee) στο CERN και τον κυκλικό συγκεντρωτή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (CEPC) 11στην Κίνα. Τόσο η FCC-ee όσο και η CEPC προτείνονται να ακολουθούνται από ένα πρωτόνιο-πρωτόνιο συγκρουστήρα. Μια τέτοια μηχανή ηλεκτρονίου-ποζιτρονίων αναμένεται να παράσχει εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις των συζευγμάτων του μποζόνιο Higgs, αναζητώντας αποκλίσεις από το SM. Σε υψηλότερες ενέργειες, θα ήταν επίσης δυνατή η άμεση μέτρηση της αυτοσύνδεσης Higgs, απαραίτητη για την εξάλειψη των λεπτομερειών του ηλεκτρικού σπασίματος συμμετρίας. Ένας συγκλονιστής lepton θα συμπλήρωνε την ευρεία μέτρηση της εξερεύνησης καθώς και των μετρήσεων ακριβείας SM στο LHC. Θα συμπληρώσει επίσης τα τρέχοντα και προγραμματισμένα παγκόσμια προγράμματα στη φυσική του νετρίνο, την άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, τις μετρήσεις βαρυτικών κυμάτων και τα έργα στην αστροφυσική με στόχο τη μελέτη της σκοτεινής ενέργειας. Αυτό το ισχυρό και ποικίλο χαρτοφυλάκιο επιστημονικών έργων θα ήταν πρωτοφανές στην ιστορία της φυσικής και θα μπορούσε να δώσει ανακαλύψεις και ιδέες που θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν την κατανόησή μας για το Σύμπαν. Παλαιότερα και σήμερα προγράμματα φυσικής σωματιδίων στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία Η φυσική των σωματιδίων είναι ένα ζωντανό πεδίο στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν ένα πλούσιο ιστορικό επιταχυντών σωματιδίων και σημαντικές ανακαλύψεις στη φυσική των σωματιδίων που έγιναν σε εγκαταστάσεις επιταχυντών υψηλής ενέργειας στις ΗΠΑ (για παράδειγμα, στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, στο Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντή Στάνφορντ (SLAC) και στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών της Fermi (Fermilab) το νετρίνο του μιονίου 12 , στοιχεία για το μοντέλο κουάρκ 13 , 14 , το κουάρκ γοητείας 15 , 16 , το tau lepton 17 , 18 , το κάτω κουάρκ 19 , το κορυφαίο κουάρκ 20 , 21 και το νετρίνο tau 22. Το Tevatron της Fermilab, το οποίο λειτούργησε εδώ και πάνω από 25 χρόνια, ήταν ο πιο ισχυρός επιταχυντής πρωτονίων / αντι-πρωτονίων και συγκρούσεων πριν από την ανάθεση του LHC στο CERN. Στην Ιαπωνία και την Κίνα, οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων καθώς και τα πλούσια προγράμματα φυσικών νετρίνων έχουν οδηγήσει σε αποτελέσματα κεντρικής σημασίας για τη φυσική των σωματιδίων (όπως αναλύεται αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο). Η φυσική των σωματιδίων έχει δει έναν σημαντικό, εποικοδομητικό διατλαντικό ανταγωνισμό και συνεργασία μεταξύ των Ηνωμένων Πολιτειών και της Ευρώπης εδώ και αρκετές δεκαετίες, με παράλληλες και βηματοδοτικές εξελίξεις των συγχροτρόνων πρωτονίων, των γραμμικών επιταχυντών ηλεκτρονίων και των συγκρούσεων. Υπήρξαν επίσης οπισθοδρομήσεις, με κύριο στόχο τον τερματισμό του Superconducting Super Collider στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1993. Παρ 'όλα αυτά, η επιτυχία του τομέα εξακολουθεί να οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον συνδυασμό ανταγωνιστικής ώθησης και συνεργατικών εξελίξεων. Στην Ιαπωνία, το Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (KEK) της Ιαπωνίας δημιούργησε τον συγκρότημα TRISTAN με ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο ακολουθώντας το συγχρονισμένο πρωτόνιο 8-12 GeV, ενώ στην Κίνα ο Ηλεκτρονικός Ποζιτρόνιος Κολλητής του Πεκίνου (BEPC) αναβαθμίστηκε στο BEPC-II στο Ινστιτούτο της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών έχει εξελιχθεί σε ένα παγκοσμίως ηγετικό πρόγραμμα στη φυσική tau-lepton και charm-quark 23 . Παραδείγματα διασυνοριακού ανταγωνισμού προέκυψαν μεταξύ του πειράματος BaBar ( b και ) στο SLAC στις Ηνωμένες Πολιτείες και του πειράματος Belle στο KEK στην Ιαπωνία, καθώς και με το BESII (Beijing Spectrometer II) στο BEPC Κίνα.𝑏¯ Επιπλέον, οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Κορέα, η Ινδία, η Ταϊβάν, η Αυστραλία και άλλοι συμμετέχουν ενεργά σε διεθνείς συνεργασίες. Στην εποχή του LHC, οι εταιρικές σχέσεις με το CERN έχουν αυξηθεί και ενισχυθεί σημαντικά. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν το μοναδικό μεγαλύτερο εθνικό σώμα φυσικών στο CERN, συμβάλλοντας σημαντικά σε όλες τις σημαντικές συνεργασίες του LHC και στα έργα επιτάχυνσης. Το CERN θα συνεχίσει να αποτελεί το επίκεντρο των προγραμμάτων των Ηνωμένων Πολιτειών και της Ασίας στο φυσικό τους περιβάλλον στο προσεχές μέλλον. Η εγκατάσταση της KEKB στην Ιαπωνία έχει πλέον αναβαθμιστεί στον επιταχυντή SuperKEKB που στοχεύει σε ένα άλμα 40 φορές μεγαλύτερη της φωτεινότητας. Ο βελτιωμένος ανιχνευτής Belle II είναι ευαίσθητος στη νέα φυσική στον τομέα της γεύσης, παρόμοια με το πείραμα LHCb στο LHC. οι δύο έχουν εξαιρετικά συμπληρωματικές δυνατότητες σε διαφορετικές περιοχές του φάσματος χώρου και τρόπους αποσύνθεσης και θα μπορούσαν να βρουν στοιχεία για τη νέα φυσική εάν οι σημερινές ανωμαλίες γεύσης επιμένουν 24 . Οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ιαπωνία, η Κίνα και η Κορέα έχουν πραγματοποιήσει μελέτες για τα νετρίνα, παράγοντας πολύ σημαντικά αποτελέσματα. Το ερευνητικό σύμπλεγμα Ιαπωνικού Proton Accelerator (J-PARC) με ένα συγχρονισμένο πρωτόνιο 50 GeV επέτρεψε ένα επιτυχημένο πρόγραμμα ουδετερινών μακράς βάσης από το Tokai στην Kamioka (T2K) μετά το πείραμα ΚΕΚ προς Kamioka (K2K) επαληθευμένες ταλαντώσεις νετρίνων που παρατηρήθηκαν αρχικά με ατμοσφαιρικό νετρίνα χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή Super-Kamiokande 25 . Το Σύστημα Παρακολούθησης Νετρονίνων Sudbury (SNO) συνεργάστηκε επίσης με την επαλήθευση της υπόθεσης ταλάντωσης του νετρίνο ανιχνεύοντας όλες τις γεύσεις των νετρίνων χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή βαρέως ύδατος και δείχνοντας ότι περίπου τα δύο τρίτα των ηλεκτρονίων ουρτερίνων από τον Ήλιο είχαν αλλάξει σε άλλες γεύσεις 26 στο δρόμο τους προς τη Γη. Ο κόλπος Daya της Κίνας 27και το Πείραμα αντιδραστήρων της Κορέας για πειράματα νετρίνο πυρηνικού αντιδραστήρα ουδετερό νιτρου 28 (Neutrino Oscillation, RENO) έχουν επηρεάσει σημαντικά την κατανόησή μας για τις ταλαντώσεις νετρίνων. Ο κόλπος της Daya έχει μετρήσει τη γωνία ανάμειξης νετρίνων θ 13 με κορυφαία ακρίβεια 4%, ανοίγοντας την αναζήτηση παραβίασης συμμετρίας φορτίου / συμμετρία ισοτιμίας (παραβίαση CP) στον τομέα lepton. Το NuMI εκτός άξονα ν εΤο πείραμα της εμφάνισης (NOvA) που χρησιμοποιεί το κύριο σύμπλεγμα νετρίνων της Fermilab, που λειτουργεί επί του παρόντος με μια δέσμη πρωτονίων μέχρι 750 kW στο στόχο (υπό περαιτέρω αναβάθμιση) και έναν πολύ ανιχνευτή 800 χλμ. Στη Μινεσότα, θα μετρήσει όχι μόνο τις παραμέτρους ταλαντώσεων του νετρίνο, αλλά θα διακρίνει την ιεραρχία των μαζών νετρίνων και ενδεχομένως θα παρατηρήσει την παραβίαση του CP. Οι συνεργασίες NOvA και T2K συνεργάζονται για να συνδυάσουν τα αποτελέσματά τους για μεγαλύτερη σημασία. Ένα διεθνές πρόγραμμα βραχυχρόνιας ταλάντωσης νετρίνων βασικής γραμμής που αρχίζει με την 8 GeV Booster της Fermilab είναι επίσης ανθηρό. Η MicroBooNE λαμβάνει δεδομένα, το ICARUS και ο σύντομος ανιχνευτής προσέγγισης βάσης (SBND) σύντομα θα βρίσκονται σε εξέλιξη. Πρωταρχικοί στόχοι επιστήμης περιλαμβάνουν την αναζήτηση νέας φυσικής, ιδιαίτερα για αποστειρωμένα νετρίνα, και μελέτη αλληλεπιδράσεων νετρίνων-πυρήνα, Οι μετρήσεις φυσικής ακριβείας μικρής και μεσαίας κλίμακας τόσο στις Ηνωμένες Πολιτείες όσο και στην Ασία αναζητούν νέα σωματίδια και αλληλεπιδράσεις με έμμεσο τρόπο. Για να μετρηθεί ο γιγαντοματικός παράγοντας g ή μάλλον το g -2 του μιονίου με ακρίβεια 140 μερών ανά δισεκατομμύριο, το πείραμα Muon g- 2 βρίσκεται σε εξέλιξη στο Fermilab 29 . Αυτό υπόσχεται τετραπλάσια βελτίωση σε σχέση με την προηγούμενη μέτρηση που έγινε στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven 30, η οποία ήταν διακριτική από την προσδοκία SM από 3,5 τυπικές αποκλίσεις. Το πείραμα Mu2e στο Fermilab και το πείραμα COMET (Coherent Muon to Electron Transition) στο J-PARC στην Ιαπωνία θα αναζητήσουν μετατροπή από μύον σε ηλεκτρόνιο στο πεδίο Coulomb του πυρήνα, το οποίο - αν παρατηρηθεί - παραβίαση γεύσης και θα ήταν απόδειξη για τη νέα φυσική πέρα ​​από το SM. Οι στόχοι ευαισθησίας αυτών των μετρήσεων αποσκοπούν στην επίτευξη επιπέδων τεσσάρων τάξεων μεγέθους καλύτερα από τα προηγούμενα πειράματα. Ο ανιχνευτής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων BEPC II στο Πεκίνο και ο ανιχνευτής BESIII του, συνεχίζουν με παραγωγικά πειράματα χαμηλής ενέργειας με μια σειρά ανακαλύψεων και μετρήσεων των αποκαλούμενων συντονισμών Χ, Υ και Ζ (αναφ. 31 και αναφορές σε αυτό). Τόσο η Κίνα όσο και η Ρωσία έχουν σχέδια για μηχανές ηλεκτρονικού-ποζιτρονίου υψηλής έντασης που λειτουργούν ως εργοστάσια tau-lepton και charm-quark στην περιοχή 3 GeV. Το μέλλον της σωματιδιακής φυσικής στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία Οι δραστηριότητες των σωματιδίων σωματιδίων των ΗΠΑ και της Ασίας την επόμενη δεκαετία επικεντρώνονται κυρίως στη φυσική των νετρίνων και στην εξερεύνηση του τομέα Higgs. Συμμετοχή στο ευρύτερο πρόγραμμα φυσικής στα ενεργειακά σύνορα του CERN θα συνεχιστεί. Φυσική ουδετερόφιλων Οι Ηνωμένες Πολιτείες οικοδομούν την επόμενη ναυαρχίδα του νετρίνα - το Long Neutrino Facility (LBNF) για τη φιλοξενία του πειράματος Deut Underground Neutrino (DUNE) 32 , το οποίο θα ολοκληρωθεί στα τέλη του 2020. Η ισχύς δέσμης Proton θα αναβαθμιστεί στο καθεστώς μεγαβάτ. Η κατασκευή του γραμμικού επιταχυντή PIP-II (Σχεδιασμός Βελτίωσης Πρωτονίων-ΙΙ) του 800 MeV Super Conducting Radio Frequency (SCRF), βρίσκεται σε εξέλιξη. Οι πολύ έντονες δέσμες νετρίνων θα μετακινηθούν από το Fermilab περίπου 1300 χλμ. Μέσω του μανδύα της Γης, όπως φαίνεται στο Σχ. 1, σε ένα τεράστιο συγκρότημα ανιχνευτών υγρού αργύρου 70 kton (με τέσσερις ανιχνευτές υγρού αργόν 10 kton) που βρίσκονται σε απόσταση 1,6 χλμ. κάτω από την επιφάνεια. Ένας πολύπλευρος πλησίον ανιχνευτής στη θέση Fermilab θα δώσει τη δυνατότητα λεπτομερών μελετών των αλληλεπιδράσεων νετρίνων και τον έλεγχο συστηματικών αβεβαιοτήτων. Το πείραμα DUNE θα επιτρέψει την οριστική μέτρηση της ιεραρχίας μάζας νετρίνων, την παρατήρηση της παραβίασης της λεπτικής CP σε ένα μεγάλο χώρο παραμέτρων και τη μέτρηση της ακρίβειας των παραμέτρων ανάμειξης. Με τον ανιχνευτή DUNE, μπορεί επίσης να μελετηθεί η αποσύνθεση πρωτονίων, τα ατμοσφαιρικά νετρίνα και τα νετρίνα αστρονομικής προέλευσης. Σχήμα 1: Σχήμα του LBNF / DUNE. Φιγούρα 1 Fermilab. Σχηματική παράμετρος της εγκατάστασης μακροχρόνιας ουδετερότητας βασικής γραμμής Fermilab (LBNF) για το πείραμα βαθιάς ουδετερόφιλης υπόγειου (DUNE). Η Fermilab σχεδιάζει να παράγει και να στείλει την ισχυρότερη δέσμη νετρίνων στον κόσμο στο πείραμα DUNE που θα εγκατασταθεί σε ένα ορυχείο 1300 χλμ. Μακριά και 1,6 χλμ. Κάτω από την επιφάνεια στο εργαστήριο Sanford της Νότιας Ντακότα. Εικόνα πλήρους μεγέθους Το LBNF / DUNE είναι το πρώτο τέτοιο διεθνές mega-project στις Ηνωμένες Πολιτείες. η συνεργασία DUNE διαμορφώνεται μετά από ATLAS και CMS, με εισφορές από 31 χώρες. Η συνεργασία με το CERN στην κατασκευή του πρωτοτύπου - οι ανιχνευτές proto-DUNE και οι δοκιμές τους στην αποκλειστική πλατφόρμα Neutrino - διαμορφώνουν το κλειδί για την τελική επιτυχημένη εκτέλεση του DUNE. Επίσης, το PIP-II είναι ο πρώτος επιταχυντής που θα κατασκευαστεί στις Ηνωμένες Πολιτείες με πέντε χώρες να συνεισφέρουν σημαντικά. Η Ιαπωνία συνεχίζει το επιτυχημένο βασισμένο σε επιταχυντή πρόγραμμα βασισμένης σε ουδέτερο ταλαντώσεις νετρίνο με το έργο Hyper-Kamiokande (Hyper-K) που περιλαμβάνει τον ανιχνευτή Hyper-Kamiokande και αναβαθμίσεις στο σύμπλεγμα επιταχυντών J-PARC. Η τελευταία έχει αρχίσει να αναπτύσσεται, έχοντας επιτύχει ισχύ δέσμης πρωτονίων μεγαλύτερη από 500 kW. Το έργο Hyper-K έλαβε πρόσφατα αρχική χρηματοδότηση και έγκριση από την ιαπωνική κυβέρνηση. Το δυναμικό του Hyper-K είναι παρόμοιο με το LBNF / DUNE, αλλά χρησιμοποιεί διαφορετική τεχνολογία ανιχνευτών (ανιχνευτές νερού Cherenkov) που χρησιμοποιούνται με επιτυχία στους προκατόχους του. Η βασική παράμετρος του L / E είναι παρόμοια και για τις δύο, αλλά διαφορετικές τιμές L (μήκος βάσης, απόσταση από το σημείο παραγωγής νετρίνων προς τον ανιχνευτή) και E (ενέργεια από το νετρίνο) δίνουν ανεξάρτητες ευαισθησίες στα δύο πειράματα για τη μαζική ιεραρχία και την παραβίαση του CP. Η φυσική Higgs και τα ενεργειακά σύνορα Ενώ οι αμερικανικές και ασιατικές ομάδες συνεχίζουν να συνεισφέρουν στο LHC και την αναβάθμιση της υψηλής φωτεινότητας, υπάρχει συναίνεση στην παγκόσμια κοινότητα φυσικής ότι ο επόμενος μηχανισμός συγκρούσεων για τη φυσική των σωματιδίων θα πρέπει να είναι ένα εργοστάσιο Higgs με ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια. Το μποζόνιο Higgs μπορεί να παραχθεί σε μεγάλο βαθμό σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στα 250 GeV μέσω της διαδικασίας e + e - → Z 0 H (βλέπε σχήμα 2 ). Το υπόβαθρο αυτής της υπογραφής, κυρίως από την ακτινοβολία e + e - → Z 0 γ και e + e - → Z 0 Z 0διεργασίες, είναι καλά κατανοητές και μπορούν να υπολογιστούν από την θεωρία electroweak στο επίπεδο 0,1% 33 . Η πολύ καθαρή διαδικασία σήματος με χαμηλό υπόβαθρο έχει το ξεχωριστό πλεονέκτημα της αναγνώρισης Higgs μέσω της ανάκτησης Z 0 , επιτρέποντας μια αμερόληπτη επιλογή κατακερματισμών Η - ακόμα και αόρατων τρόπων. Οι μετρήσεις των συζεύξεων Higgs με σωματίδια SM με ακρίβεια ή υψηλότερη επί τοις εκατό ποσοστό θα πρέπει να είναι εφικτές, παρέχοντας ευαισθησία στη φυσική πέρα ​​από το SM. Η κατάλληλη πόλωση και των δύο δοκών μπορεί να ενισχύσει τις διατομές παραγωγής Higgs καθώς επίσης και να προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για την ανίχνευση της νέας φυσικής. Οι πιθανές αναβαθμίσεις σε 350 GeV και πέρα ​​θα επιτρέψουν ακριβείς μετρήσεις της μάζας κορυφής κουάρκ και της σύζευξης, καθώς και πρόσβαση σε αυτοσύνδεση Higgs. Εικόνα 2: Κυρίαρχη διατομή παραγωγής Higgs. Σχήμα 2 Διατομές παραγωγής Higgs ως συνάρτηση της κεντρικής ενέργειας της μάζας για τρεις κύριες διεργασίες και τα αντίστοιχα διαγράμματα Feynman. Η πόλωση της δέσμης Ρ -0,8 για τα ηλεκτρόνια και +0,3 για τα ποζιτρόνια, και η μάζα Higgs M H 125 GeV θεωρούνται. Η κυρίαρχη διαδικασία παραγωγής είναι η διαδικασία Higgsstrahlung, όπου το μποζόνιο Higgs παράγεται σε συνδυασμό με ένα boson Z 0 (κόκκινη καμπύλη), ακολουθούμενη από τις δύο διεργασίες σύντηξης boson vectors, W + W - σύντηξη (μπλε καμπύλη) και Z 0 Z 0διαδικασία σύντηξης (πράσινη καμπύλη). Η μαύρη καμπύλη δείχνει τη συνολική διατομή για την παραγωγή Higgs με ζεύγη φερμιών. Σχήμα προσαρμοσμένο με άδεια από τον αναφ. 33 . Εικόνα πλήρους μεγέθους Η απαιτούμενη ενέργεια σύγκρουσης μόνο 250 GeV για το εργοστάσιο Higgs ανοίγει διάφορες επιλογές για την τεχνολογία συγκρούσεων. Οι γραμμικές συγκρούσεις έχουν αναπτυχθεί τις τελευταίες δεκαετίες. Ο σχεδιασμός και η τεχνολογία της ILC είναι η πιο ώριμη και έτοιμη για κατασκευή. Η κρίσιμη τεχνολογία που οδηγεί την απόδοση και την τιμή είναι η κοιλότητα SCRF, η οποία έχει σημειώσει σημαντικές βελτιώσεις τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον, το Ευρωπαϊκό XFEL (Ηλεκτρονικό λέιζερ χωρίς ακτίνες Χ) στο DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), το οποίο κατασκευάστηκε με 101 κρυογονικές μονάδες με κοιλότητες SCRF που παρέχουν κλίση επιτάχυνσης 23,6 MV m -1 και παρέχει δέσμη ηλεκτρονίων 17,5 GeV θεωρείται πρωτότυπο αυτής της βασικής τεχνολογίας. Το Υπουργείο Παιδείας, Πολιτισμού, Αθλητισμού, Επιστήμης και Τεχνολογίας (MEXT) της Ιαπωνίας σκέφτεται να φιλοξενήσει το 250 GeV ILC στην Ιαπωνία με διεθνείς συνεργασίες. Η πρόσφατη έρευνα και ανάπτυξη μέσω της συνεργασίας των Ηνωμένων Πολιτειών με την Ιαπωνία περιλαμβάνει σημαντική αύξηση στην κλίση επιτάχυνσης των κοιλοτήτων SCRF και μειωμένο κόστος κατασκευής. Η δυνατότητα πολωρίσματος των δοκών, η δυνατότητα μελλοντικών αναβαθμίσεων της ενέργειας και η μείωση της τιμής, έθεσαν το ILC στο προσκήνιο για χρηματοδότηση. Με κόστος μηχανής της ίδιας τάξης με εκείνο του LHC, το ILC θεωρείται ότι είναι εντός εύρους διεθνών πόρων και δυνατοτήτων. Ακολουθώντας προσεκτικά το ILC είναι ο καινοτόμος σχεδιασμός CLIC με τεχνολογία επιτάχυνσης με δέσμη, με δυνατότητα μεγαλύτερης ενέργειας. Η πρόταση CLIC προσφέρει μια σταδιακή προσέγγιση με μια αρχική ενέργεια σύγκρουσης 380 GeV για να επιτρέψει τόσο τη λειτουργία εργοστάσιο Higgs στα 250 GeV όσο και για να εξερευνήσει καλύτερα τη φυσική του κορυφαίου κουάρκ. Οι γραμμικοί προσκρουστήρες προσφέρουν το πλεονέκτημα των πιθανών αναβαθμίσεων ενέργειας χωρίς τον περιορισμό από την ακτινοβολία synchrotron των κυκλικών μηχανών. Τα αποτελέσματα των συζητήσεων στην Ευρωπαϊκή Στρατηγική για την Ανάλυση της Φυσικής των σωματιδίων θα επηρεάσουν τις προσδοκίες για έναν γραμμικό συγκεντρωτή στην Ευρώπη ή την Ιαπωνία. Η διεθνής επιτροπή μελλοντικών επιταχυντών (ICFA) 34 , 35 , που δημιουργήθηκε για να διευκολύνει τις ισχυρές διεθνείς συνεργασίες σε όλες τις πτυχές της κατασκευής και εκμετάλλευσης μεγάλων εγκαταστάσεων επιτάχυνσης, έχει συμμετάσχει ενεργά στις προσπάθειες για την υλοποίηση ενός γραμμικού ανιχνευτή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων από τη δεκαετία του 2000 . Η ICFA δημιούργησε τη Διεθνή Γραμμή Διευκόλυνσης Γραμμικής Συγκέντρωσης το 2002 και την Παγκόσμια Αγωνιστική Μελέτη το 2005 που οδήγησε στην Έκθεση Τεχνικού Σχεδιασμού ILC 6 το 2013. Το Συμβούλιο Γραμμικής Συγκράτησης, το οποίο δημιουργήθηκε από το ICFA, έχει καθοριστική σημασία για την προώθηση της φυσικής περίπτωσης έναν γραμμικό συγκεντρωτή Higgs Factory, συντονίζοντας τις παγκόσμιες προσπάθειες στην έρευνα και την ανάπτυξη της τεχνολογίας επιταχυντών και ανιχνευτών και επικοινωνώντας με την κοινότητα της φυσικής των σωματιδίων. Τον Μάρτιο του 2019 στη συνεδρίαση του ICFA / Linear Collider Board στο Τόκιο, η MEXT της Ιαπωνίας αναγνώρισε τη σημασία της ILC και ζήτησε από την KEK να ξεκινήσει μια διεθνή ομάδα εργασίας για να εξετάσει διάφορες πτυχές του έργου. Η ομάδα ανέφερε σχετικά με την προτεινόμενη διεθνή κατανομή κόστους και πιθανά συστήματα διαχείρισης 36 για ένα εργαστήριο ILC. Πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές συζητήσεις σχετικά με πιθανές συμφωνίες εταιρικής σχέσης μεταξύ του MEXT / KEK και των εκπροσώπων στις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Γαλλία και τη Γερμανία. Οι επίσημες διαπραγματεύσεις αναμένουν μια θετική δέσμευση της ιαπωνικής κυβέρνησης να συνεχίσει τη φιλοξενία της ILC. Οι κυκλικοί προσκρουστήρες ηλεκτρονίου-ποζιτρονίων όπως το FCC-ee σε σήραγγα των 100 km μπορούν να λειτουργούν με πολύ υψηλή φωτεινότητα από το μποζόνιο Z 0 έως το κατώτατο όριο παραγωγής ζεύγους. Μια παράλληλη πρόταση στην Κίνα για την κατασκευή του CEPC, ενός κυκλικού αναστολέα 100 χλμ. Που αρχικά λειτουργεί σε ενέργειες σύγκρουσης των 240-250 GeV, φτάνει επίσης την ωριμότητα 11 . Ενώ οι συγκρούσεις lepton είναι κρίσιμες για μετρήσεις ακρίβειας, είναι πολύ λιγότερο απαιτητικές και θα μπορούσαν να προσφέρουν πρόσβαση στη νέα φυσική, οι συσπειρωτές hadron είναι απαραίτητοι για μια ευρεία εξερεύνηση των συνόρων υψηλής ενέργειας και ως εκ τούτου οι δύο είναι συμπληρωματικές. Η σημαντική αύξηση της διατομής με την ενέργεια είναι ένας ισχυρός μοχλός για την πρόταση υψηλότερων ενεργειακών, μετα-LHC, πρωτονίων-πρωτονίων συγκρούσεων. Η προτεινόμενη εγκατάσταση πρωτονίων-πρωτονίων, FCC-hh, που ακολουθεί το FCC-ee μπορεί επίσης να αυξηθεί για να μελετήσει τις συγκρούσεις ηλεκτρονίων-πρωτονίων και τις συγκρούσεις ιόντων-ιόντων. Όπως στην περίπτωση της FCC, η Κίνα προτείνει τη χρήση της σήραγγας CEPC για την εγκατάσταση του προγράμματος Super Proton-Proton Collider (SPPC) μετά το πρόγραμμα CEPC. Ο συνδυασμός ενός πολύ μεγάλου κυκλικού ανιχνευτή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων - με τον πιθανό μελλοντικό πρόσκοντα πρωτονίων-πρωτονίων - παράλληλα με ένα γραμμικό συμπλοκοποιητή 250 GeV (και υψηλότερου) ηλεκτρονικού-ποζιτρονίου θα παρείχε ένα ολοκληρωμένο, ισχυρό και συμπληρωματικό σύνολο εγκαταστάσεων για τον κόσμο πρόγραμμα φυσικής σωματιδίων. Το αν μπορεί να επιτευχθεί το κόστος ενός τέτοιου συνόλου μηχανών δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί. Με τις προοπτικές της ILC στην Ιαπωνία και της CEPC στην Κίνα, υπάρχει η δυνατότητα για την Ασία να εμφανιστεί τα επόμενα χρόνια ως ηγετική παγκόσμια περιοχή για τον τομέα. Κοινή ανάπτυξη τεχνολογίας Καθώς το πεδίο ξεκινάει με το σχεδιασμό και την κατασκευή συνοριακών εγκαταστάσεων με ισχυρές διεθνείς συνεργασίες, η ανάπτυξη τεχνολογιών διεξάγεται και μοιράζεται σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι εξαιρετικά ανεπτυγμένοι μαγνήτες διπολικού επιταχυντή βιομηχανικής κλίμακας ήταν κρίσιμοι για την ώθηση των κυκλικών συσπειρωτών πρωτονίων-πρωτονίων υψηλής ενέργειας. Η ταχεία ανάπτυξη κοιλοτήτων ραδιοσυχνοτήτων υψηλού πεδίου για επιτάχυνση, που παρουσιάζεται στο σχήμα 3 , είναι κρίσιμη για τις μελλοντικές εγκαταστάσεις, ειδικά για τους γραμμικούς συγκρουσιακούς παράγοντες.

Τα ασιατικά εργαστήρια συνεργάζονται με τα αμερικανικά εργαστήρια σε συνεργασία με το CERN για την ανάπτυξη μαγνητών υψηλού πεδίου για να επιτρέψουν στους μελλοντικούς προτεινόμενους συγκεντρωτές πρωτονίων 100 χιλιομέτρων να λειτουργούν σε ενέργειες άνω των 100 TeV. Η Κίνα έχει ξεκινήσει έρευνα και ανάπτυξη υπεραγωγών με βάση το σίδηρο, οι οποίες μπορεί να προσφέρουν επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες και υψηλότερα πεδία σε φθηνότερο κόστος. Παρόμοιες προσπάθειες αρχίζουν επίσης στις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι επιδρομείς Muon συνεχίζουν να ενδιαφέρουν 39 με την πιθανότητα να φτάσουν τις ενέργειες σύγκρουσης πάνω από 10 TeV, αλλά η ανάπτυξή τους έχει πολλές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της ψύξης των μιονίων. Το διεθνές MICE (Muon Ionization Cooling Experiment) συνεργασία έχει επιδείξει πρόσφατα την ψύξη του μιονίου 40 . Μια καινοτόμος προσέγγιση για την παραγωγή ζευγών μ + μ - χαμηλών εκπομπών 41 που ακολουθείται από επιτάχυνση και σύγκρουση υψηλής ενέργειας είναι επίσης υπό μελέτη. Η σήραγγα LHC μπορεί να είναι κατάλληλη για μια μελλοντική εγκατάσταση που φιλοξενεί ένα 14 TeV συγκρότημα μιονίων 42 . Η υπόσχεση των πολύ υψηλών βαθμίδων επιτάχυνσης στους επιταχυντές 43 , 44 , 45 με πλάσμα είναι δελεαστικός. Παρά την επιτυχία των πειραμάτων 46 , 47 , απόδειξη της ύπαρξης αρχής , υπάρχουν τεράστιες προκλήσεις στην πραγματοποίηση ενός επιταχυντή υψηλής ενέργειας. Το πάνελ ICFA για τους Προχωρημένους και τους Νέους Επιταχυντές έχει αρχίσει να διευκολύνει κοινές μελέτες και σχέδια έρευνας και ανάπτυξης για τέτοιους επιταχυντές με πιθανές εφαρμογές και με σκοπό την ανάπτυξη ενός σχεδίου για έναν προηγμένο γραμμικό ανιχνευτή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του '30 48 . Διαδικασίες στρατηγικού προγραμματισμού Για την Ενημέρωση της Ευρωπαϊκής Στρατηγικής για τη Φυσική των Σωματιδίων, τα σενάρια που προτείνονται 49 αφορούν τις εγκαταστάσεις στο CERN όπως CLIC, FCC (-ee και -hh), τον LHC υψηλής ενέργειας και τις παραλλαγές τους. Ωστόσο, η Ευρωπαϊκή Στρατηγική Ενημέρωση πρέπει κατ 'ανάγκη να λάβει υπόψη προτάσεις σε άλλες περιοχές του κόσμου. Οι βασικές εγκαταστάσεις και πειράματα για τη φυσική του νετρινοειδούς με βάση τον επιταχυντή βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ασία και αναγνωρίζονται ως τέτοια στις ευρωπαϊκές παραμέτρους. Το αποτέλεσμα των ιαπωνικών διαβουλεύσεων σχετικά με τη φιλοξενία της ILC, αν και δεν είναι γνωστό εγκαίρως για τις συζητήσεις στρατηγικής, πρέπει να διατηρηθεί ως σημείο λήψης αποφάσεων για τα μελλοντικά ευρωπαϊκά σχέδια. Ομοίως, η πρόοδος σχετικά με το κινεζικό CEPC θα αποτελέσει μέρος των προβληματισμών. Το τρέχον πρόγραμμα αμερικανικής φυσικής υψηλής ενέργειας καθοδηγείται από το στρατηγικό σχέδιο που περιγράφεται στην έκθεση P5 του 2014 50 . Αυτή η αναφορά ακολούθησε τη μελέτη που διεξήχθη σε όλη την Κοινότητα, το «Snowmass» 2013 51 που οργανώθηκε από τη Διεύθυνση Σωματιδίων και Πεδίων της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας. Η στρατηγική P5 επικεντρώθηκε γύρω από πέντε «οδηγούς επιστήμης»: το μποζόνιο Higgs ως εργαλείο για την ανακάλυψη. τη φυσική της μάζας του νετρίνο. αναγνώριση της νέας φυσικής της σκοτεινής ύλης. κατανόηση της κοσμικής επιτάχυνσης. και την εξερεύνηση του άγνωστου. Το σχέδιο P5 υποστηρίζει ρητά τα προγράμματα LHC, LBNF / DUNE και ILC. Η επόμενη μελέτη της κοινότητας Snowmass θα πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια του 2020-2021 για την επόμενη προβλεπόμενη έκθεση P5 το 2022. Η ισχυρή συμμετοχή των ΗΠΑ στο κατασκευαστικό και πειραματικό πρόγραμμα της LHC κατέστη δυνατή με συμφωνία που υπογράφηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες και το CERN το 1997, η οποία έληγε το 2017. Δεδομένης της ισχυρής υποστήριξης της εταιρικής σχέσης ΗΠΑ-CERN με την έκθεση P5 του 2014 , υπογράφηκε νέα συμφωνία με το CERN τον Μάιο του 2015, η οποία προβλέπει συνεργασία και «αμοιβαιότητα». Αμερικανοί επιστήμονες θα συνεχίσουν να συμμετέχουν στα προγράμματα LHC και LHC υψηλής φωτεινότητας. Η συμφωνία απαιτεί επίσης την άμεση συμμετοχή του CERN στο πρόγραμμα φυσικής σωματιδίων των ΗΠΑ, ιδιαίτερα στη φυσική του νετρίνο. Στην Ασία δεν υπάρχει ισοδύναμη διαδικασία σύγκρισης ούτε με την ευρωπαϊκή στρατηγική ενημέρωσης ούτε με τη διαδικασία των ΗΠΑ P5. Ωστόσο, στην Ιαπωνία, το 2017 52 από την Επιτροπή Προγραμμάτων για τη Φυσική Υψηλών Ενεργειών της Ιαπωνικής Ένωσης Φυσικών Υψηλών Ενεργειών (JAHEP) ενημερώθηκε για έναν χάρτη πορείας για τη φυσική των σωματιδίων . Η στρατηγική αποτελεί αδιαμφισβήτητη περίπτωση για την κατασκευή του 250 GeV ILC στην Ιαπωνία χωρίς καθυστέρηση για να διερευνήσει λεπτομερείς ιδιότητες του μποζόνιο Higgs. Ο JAHEP ενθάρρυνε επίσης την υλοποίηση του έργου Hyper-K νετρίνο και αποσύνθεσης πρωτονίων με διεθνή συμμετοχή και αναβαθμίσεις στην ισχύ δέσμης πρωτονίων στο J-PARC για την επίτευξη της απαιτούμενης έντασης δέσμης νετρίνων. Η κατανόηση της παραβίασης του CP στον τομέα του lepton θεωρείται μια μελέτη μείζονος σημασίας για τη φυσική των σωματιδίων. Φυσική σωματιδίων ως παγκόσμια επιχείρηση Η φυσική των σωματιδίων είναι συνδεδεμένη παγκοσμίως. Η διεθνής συνεργασία μέσω συνεργασίας, ισορροπημένη από τον ανταγωνισμό, οδήγησε τον τομέα στην εκπληκτική επιτυχία, ενώ ταυτόχρονα διασχίζει διαφορετικά πολιτικά και χρηματοδοτικά συστήματα. Καινοτόμες, όλο και ισχυρότερες εγκαταστάσεις και πειράματα αποτελούν το σήμα κατατεθέν του τομέα. Με την επιτυχία του LHC, η σωματιδιακή φυσική έχει αποδείξει την κατασκευή και εκμετάλλευση πολύ μεγάλων εγκαταστάσεων με πολυεθνικές συνεισφορές. Το πεδίο είναι σαφές σχετικά με την ανάγκη για ένα εργοστάσιο Higgs με ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια, ως την κρίσιμη παγκόσμια εγκατάσταση επόμενης γενιάς. Η ILC θα είναι μια τέτοια εγκατάσταση και ίσως η επόμενη μεγάλη διευκόλυνση για την επίτευξη της έγκρισης. Σε αντίθεση με το LHC που κατασκευάστηκε σε ένα καθιερωμένο εργαστήριο φυσικής υψηλής ενέργειας, το ILC θα εξαρτηθεί από την προθυμία και την ικανότητα μιας ενιαίας κυβέρνησης να ξεκινήσει ένα νέο διεθνές εργαστήριο με διαπραγματευόμενες διεθνείς δεσμεύσεις. Στην πιο πρόσφατη συνάντηση της ICFA, οι υπάλληλοι της Ιαπωνίας MEXT και της Εθνικής Διαιτολογίας επιβεβαίωσαν το έντονο ενδιαφέρον για την υλοποίηση του ILC στην Ιαπωνία και σχεδιάζουν να συνεχίσουν τις διεθνείς διαπραγματεύσεις 53. Παραμένει να δούμε πόσο μεγάλα εργαστήρια και έθνη σε όλο τον κόσμο μπορούν να προσαρμοστούν και να αγκαλιάσουν αυτό το ενισχυμένο επίπεδο συνεργασίας. Οι μακροπρόθεσμες επιλογές για τα ενεργειακά σύνορα επιδιώκονται με σθένος, αν και η επιλογή της επιλογής είναι λιγότερο σαφής. Το CERN και οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν καθοδηγήσει τα ενεργειακά σύνορα εδώ και δεκαετίες. Το CERN είναι τώρα χωρίς ανταγωνιστή κοόρτης στην ικανότητά του να συνεχίσει το ρόλο βραχυπρόθεσμα, καθώς οι Ηνωμένες Πολιτείες επικεντρώνονται στα σύνορα με το νετρίνο και την ακρίβεια. Ωστόσο, ένας νέος κύκλος κοινοτικής μελέτης που αρχίζει στις Ηνωμένες Πολιτείες θα μπορούσε να φέρει νέες ιδέες και φιλοδοξίες. Ο αντίκτυπος σημαντικών προγραμμάτων στην Ασία, ιδίως της Κίνας, προς τα μελλοντικά ενεργειακά σύνορα θα μπορούσε επίσης να είναι πολύ σημαντικός, παρόλο που τα εμπόδια πρέπει να ξεπεραστούν στις διεθνείς σχέσεις για να αγκαλιάσουν μια σημαντική διεθνή διευκόλυνση που φιλοξενείται στην Κίνα. Επί του παρόντος, ωστόσο, Οι καινοτομίες στις τεχνολογίες επιτάχυνσης θα μπορούσαν να αποτελέσουν αντικατάσταση παιχνιδιών για το μακροπρόθεσμο μέλλον. Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν για την επιδίωξη στοιχειωδών σωματιδίων έχουν βρει μετασχηματιστικές εφαρμογές σε άλλους κλάδους - από τις επιστήμες της ζωής μέχρι τα υλικά σχεδιασμού - με μεγάλα κοινωνικά οφέλη. Οι μελλοντικές κρίσιμες προκλήσεις για το πεδίο της φυσικής των σωματιδίων για την κάλυψη των επιστημονικών της αναγκών και την προώθηση των συνόρων της γνώσης θα περιλάμβαναν την αντιμετώπιση των πιθανών γεωπολιτικών φραγμών και των περιορισμών των πόρων. Προτρέπουμε την παγκόσμια βελτιστοποίηση των διεθνών πόρων για να διασφαλίσουμε τη συνεχή ανάπτυξη του εξαιρετικά επιτυχημένου πεδίου της φυσικής σωματιδίων υψηλής ενέργειας.