Fundamental fysik bloghoved

Nyt eksperiment i Kina?

Brev fra onkel rejsende Mack.

Jeg har tilbragt den sidste uges tid i Wuhan, Kina til konferencen 'Hard Probes'. Her er fysikken bag kollisioner af tunge atomkerner som bly og guld blevet diskuteret. Der var blandt andet et oplæg om fremtiden – muligheden for at få et nyt, stort eksperiment til kollision af protoner eller elektroner i Kina.

Målet er at lave et eksperiment der kan afsøge et energiområde der ligger over det der kan gøres ved LHC, samt at give os mere præcis viden om Higgs-bosonen og øvrige processer i Standardmodellen. Midlet kaldes CEPC-SPPC. Det er i virkeligheden to eksperimenter. Planen er at når tunnellen først er gravet skal der først et elektron-positron eksperiment op – det er det der kaldes CEPC. Når det har kørt en rum tid, skal det erstattes med et proton-proton eksperiment. Det er samme model man med held har brugt på CERN hvor man i 90erne kolliderede elektroner og positroner ved LEP, og nu støder protoner sammen.

Grunden til denne model er at elektroner fungerer godt som præcisionseksperiment, fordi energien kan styres meget præcist. Protoner er på den anden side gode til nye opdagelser hvor man ikke ved hvor man skal lede, fordi man kan dække et meget stort, og også højere, energiområde.

Selve eksperimentet skal være stort. Ringen er planlagt til at være 100 km. lang. Med så lang en ring mener man at der også vil være plads til flere eksperimenter end ved LHC, hvor der er 4 store eksperimenter på en 27 km. lang ring.

Der er tre primære kandidater til placeringen (se billede). Qinhuangdau, der glimrer ved at være en storby (rimeligt tæt på Beijing, med mulighed for indenrigsfly), Shanxi, der ligger lidt mere landligt, men stadig tæt nok på Beijing til at transport ikke vil være helt umuligt, samt længere sydpå nær Hong Kong. Så vidt jeg kunne forstå ligger Hong Kong lige nu lunt i svinget, pga. løfter om fine vilkår fra det lokale styre.

Illustration: Privatfoto

Til detaljerne. Elektron-positron-maskinen, med kodenavnet CEPS, Circular Electron Positron Syncrotron, skal arbejde med kollisionsenergier i området 90-250 GeV. I den lave ende får man lige netop Z-partiklen med, den har en masse på 91 GeV, og i den høje ende har man 2 gange higgs-bosonens masse. Ifølge Einsteins relativitetsteori kan man omsætte energien i kollisionerne til partikelmasser, hvilket er hele idéen med eksperimenter af denne type.

Først og fremmest betyder dette adgang til en masse spændende higgs-fysik. Der kommer til at blive produceret omkring 1 million higgser ved dette eksperiment, og i det meget rene miljø i en elektron-positron-maskine, kan man få meget mere præcis viden om higgs. Det man især vil koncentrere sig om, er higgs-bosonens kobling med andre partikler, altså hvor stærkt den interagerer med Standardmodellens øvrige partikler. Hvis der findes mere fysik end hvad Standardmodellen beskriver, vil disse koblinger være et oplagt sted at lede, da nye partikler vil forstyrre Standardmodellens koblinger. Ironisk nok er den eneste kobling man ikke vil kunne måle ved denne maskine higgs-bosonens kobling med sig selv. (ironisk fordi den langt hen ad vejen bliver solgt som en higgs-maskine). Dette vil man kunne med en anden maskine der er foreslået i Europa, der har et linært design – men det er nok tvivlsomt om vi får to eksperimenter i verden der kan måle næsten det samme.

Når jeg siger at elektron-positron-kollisioner udgør et rent miljø, har det intet at gøre med hvad man normalt opfatter som laboratorierenlighed. Det handler om hvor meget baggrund man får med, og skal skille sit signal ud fra. I kollisioner mellem protoner har man meget baggrund. Det skyldes at protoner består af kvarker og gluoner, og man har ingen garanti for at man kun støder én sammen fra hver proton ad gangen. Elektroner og positroner er derimod fundamentale partikler, og man har dermed kun én kollision per sammenstød.

Dette giver også muligheder for sådan en som mig, der er interesseret i den stærke kernekraft – altså kvarker og gluoner. Ved denne maskine vil man namlig lave i omegnen af 10 mia. Z-bosoner! Z-bosoner er interessante fordi de kan henfalde til to kvarker. Når de gør det, har man en kvark-kvark-dipol i vakuum – altså uden andre kvarker eller gluoner til at forstyrre den – og det giver os et ret enestående laboratorium til at undersøge netop den stærke kernekraft. Som beskrevet ovenfor har man mange under-sammenstød i proton-kollisioner. En del af min forskning går ud på at beregne interferensen mellem disse under-sammenstød, og se hvilken indflydelse den interferens har på hvad man måler i sidste ende. Men beregninger af denne type har brug for et fikspunkt – nemlig hvad sker der når vi absolut ved at vi kun har ét under-sammenstød.

Til det mere praktiske. Kommer det faktisk til at ske? Ifølge den meget optimiske tidsplan vi blev præsenteret for, skulle konstruktionen af CEPC gå fra 2021-2027, og man skulle være klar til at tage data allerede i 2028. Det vil man så gøre parallelt med forstudier og R&D af proton-proton-maskinen, der skal være klar til at efterfølge når elektron-positron-maskinen står af i 2035. Der vil være ombygning frem til 2042, hvorefter man er klar til at tage proton-proton data.

Problemet er, som altid, penge. Indtil videre har projektet kørt på mindre bevillinger der kun kan finansiere teoretiske forstudier, faktisk konstruktion af prototyper har måttet vente til der er penge i kassen. På billedet ser man deres breakdown af omkostningerne. Ringen på 100 km kommer alt i alt til at koste omkring 36 mia. CNY ~ 36 mia. DKK. Langt størstedelen af omkostningerne ligger i acceleratoren og civilingeniørarbejdet med at grave tunellen.

Dette er penge der skal komme fra den kinesiske regering, og ingen – sikkert ikke engang regeringen selv- ved endnu om bevillingen gives. Mit gæt er at pengene kommer. Det er helt tydeligt at Kina satser meget hårdt på tre ting lige nu: 1) Uddannelse af egen ungdom indenfor STEM, 2) Tiltrækning af vestlige akademikere der kan hjælpe med uddannelse og videnstransfer, 3) Udstationering af egne, unge akademikere, der kan suge knowhow op, og tage det med hjem. De første to pinde dækkes virkeligt godt ind af sådan et eksperiment!

Christian Bierlich er teoretisk partikelfysiker og er i gang med en ph.d. ved Lund Universitet. Han skriver om stort og småt fra fysikkens verden.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten