LHCs arvtager annonsert: Gjør deg klar for ILC

ILCs superledende magneter - en kjerneteknologi, nå klar til bygging. (Bilde: DESY.de)

ILCs superledende magneter – en kjerneteknologi, nå klar til bygging. (Bilde: DESY.de)

Hva skjer når LHC en gang er ferdig med å lete etter partikler? Hva blir det neste gigantprosjektet for verdens tusenvs av partikkelfysikere? En fersk designrapport detaljerer den heteste kandidaten – ILC – og den ser både pen og råspennende ut.

Verdens mest ambisiøse fysikkprosjekt

12. juli 2013 overleverte prosjektgruppen bak ILC – International Linear Collider – den ferdige designrapporten til rådgivende grupper og forkningsråd i Asia, Europa og Amerika. Rapporten markerer at verdens neste vidundermaskin, vårt mest ambisiøse fysikkprosjekt til dags dato, er klar for bygging. Prosjektleder Lyn Evans la frem planer for en 31 kilometer lang, underjordisk maskin, drevet av det nyeste og tøffeste innen akseleratorteknologi, vakuumpumper, superledende og superkraftige magneter, med mer. ILC skal smelle stoff sammen med antistoff, og to nye kjemepekameraer til å ta bilder av kollisjonene ble også presentert. Men hva er målet med en slik maskin? Og når og hvor vil den bli bygget?

Konsepttegning av ILC. Merk sammenligningen med en fotballbane. (Bilde:  Pablo Vazquez)

Konsepttegning av ILC. Merk sammenligningen med en fotballbane. (Bilde: Pablo Vazquez)

I skrivende stund er LHC, Large Hadron Collider, det største og mest omfattende fysikkeksperimentet vi noen sinne har bygget. LHC ligger i en 27 kilometer lang, ringformet tunell, gravet ut 100 meter under bakken litt utenfor Geneve i Sveits. Målet med maskinen er å gi protoner – kjernen i hydrogenatomet – så høye hastigheter som vi bare klarer, og så smelle dem sammen i bittesmå men likevel kraftige kollisjoner. Det er fra det virrvar av partikler som kommer flygende ut fra slike mini-smell at LHC-eksperimentene ATLAS og CMS nylig greide å isolere en helt ny byggestein i naturen – Higgspartikkelen.

Men hva nå? LHC er kalt en «oppdagelsesmaskin». Den har enormt høy energi i hver kollisjon, men siden fysikerne ved LHC ikke på forhånd kunne vite hva de ville finne er maskinen med vilje laget noe unøyaktig. Det er som å reise på blåtur med et flyselskap som har turer over hele verden. Du aner ikke om du kommer til Sahara, Arktis eller Mexico City, så da må sekken du pakker romme klær som kan passe alle anledninger.

LHC har for tiden en toårig pause, både for å gjøre nødvendige reparasjoner og for å prøve å ytterligere øke energien. Håpet er å oppdage enda flere ukjente partikler, og kanskje løse mysterier som hva mørk materie består av. Likevel – LHC er og blir et generelt, røfft verktøy for å finne ut de grove trekkene av hva som finnes der ute. Skal fysikken komme videre, og vi alle få dypere svar på hvordan vi og naturen vår er skrudd sammen, så trenger vi også en mer presis maskin. En som kan ta LHCs generelle oppdagelser og studere dem i inngående detalj.

ILC – International Linear Collider

Kuuul akseleratorteknologi. Superledende, superkald, supersterk. (Kilde: ILC Technical Design Report)

Kuuul akseleratorteknologi. Superledende, superkald, supersterk. (Kilde: ILC Technical Design Report)

Her kommer ILC inn. Navnet står for International Linear Collider, og som det antyder er den planlagte maskinen lang og rett i steden for rund som LHC. Den ferske designrapporten som prosjektleder Lyn Evans presenterte 12. juni 2013 viser at ILC etter planen skal bli hele 31 kilometer lang. Den andre hovedforskjellen til LHC er at ILC i steden for protoner, som er relativt store og tunge, skal kollidere elektroner mot positroner. Stoff mot antistoff. Når to slike partikler møtes skjer en såkalt annihilasjon. Begge de opprinnelige partiklene forsvinner, og all energien deres kan brukes av naturen til i steden å skape nye, forhåpentligvis spennende partikler. Dermed kan en slik maskin finjusteres på en måte som vi aldri vil kunne gjøre med LHC.

Så hvorfor laget vi ikke bare ILC i steden for LHC i første omgang? Hovedgrunnen er at en slik rett maskin må være veldig, veldig lang for å få opp høye nok energier. Der LHC sender partiklene i ring og kan gi et dytt for hver runde, så må ILC gjøre all dyttingen på et eneste gjennomløp av maskinen. Selv med den hypermoderne teknologien som er detaljert i den nye designrapporten, og med 31 kilometer med akselerator, så vil ikke ILC klare med enn 10% av den energien LHC har hatt til nå. Likevel viser dette seg å være nok.

Hva skal vi med ILC?

Nå som LHC har oppdaget Higgspartikkelen og vi dermed vet hvor mye energi som trengs for å lage den, så vet vi også at ILCs design er godt nok for å studere den videre. Antakelig også tyngre partikler som LHC eventuelt måtte oppdage fremover. ILCs mål er å gjøre presisjonsstudier av den fysikken vi nå er i ferd med å oppdage – det landskapet vi måtte lande i etter blåturen. Her har noen kreative fysikere prøvd å illustrere konseptet:

Hvordan ser naturen ut utenfor vårt kjente kontinent av forståelse? ILC er kaptein på skuta som skal ta oss ut.

Hvordan ser naturen ut utenfor vårt kjente kontinent av forståelse? ILC er skuta som skal ta oss ut.

Vi har studert det vi kaller «moderne fysikk» siden 1920-tallet. Deler av den kjenner vi godt. LHC og andre eksperimenter har gitt oss en kikkert, og kikkerten viser at det ligger andre, spennende kontinenter der ute. ILC er skipet som kan ta oss ut dit, og vi vet nå at den er sterk nok til å få oss frem. Derfor er det nå på høy tid å konkretisere planene og få maskinen bygget.

Hvor og når?

SiD, et av de to planlagte partikkelkameraene ved ILC. (Kilde: ILC Technical Design Report)

SiD, et av de to planlagte partikkelkameraene ved ILC. (Kilde: ILC Technical Design Report)

Et spørsmål som enda ikke er avklart er hvor den nye maskinen eventuelt skal bygges. Den heteste kandidaten per i dag er Japan, som virker til å være på nippet til å annonsere at de ønsker å være vertskap for ILC og all den aktiviteten den vil bringe med seg. Deretter trengs løfter om finansiering fra land, forskningsråd og organisasjoner rundt om i verden, og så er det i prinsippet bare å gå i gang med byggingen.

Fra byggestart tar det typisk rundt ti år før et eksperiment av denne størrelsen kan stå ferdig. Prislappen er i dag anslått å ligge rundt 100 milliarder kroner ($20MRD), men slike tall er notorisk usikre. Det er mye penger, men så lenge ILC er et prosjekt som vil involvere stort sett alle land som er aktive innen partikkelfysikk er det ingen spesielt tung regning.

Hvis Japan tilbyr seg å være vert så vil ILC en dag stå klar til å levere ny og spennende fysikk. Designrapporten som nå er klar viser at prosjektgruppen mener at alle tekniske hindre er ryddet unna, og at ingenting nå står i veien for å bygge neste generasjons fantastisk spennende fysikkeksperiment.

Mer informasjon (fra tilgjengelig til teknisk):

9 comments

  1. Jørgen Eriksson Midtbø · juni 13, 2013

    Hva betyr dette for framtida til CLIC? Så vidt jeg skjønner er ILC og CLIC konkurrerende forslag?

    • Bjørn H. Samset · juni 13, 2013

      ILC og CLIC har sånn stort sett slått seg sammen. Her fra pressemeldingen;

      The design effort continues in the new Linear Collider Collaboration, which combines the two most mature future particle physics projects at the energy frontier, the International Linear Collider and the Compact Linear Collider (CLIC), in an official organisational partnership to coordinate and advance the global development work for the linear collider.

      …og deretter:

      About the LCC

      The Linear Collider Collaboration is an organisation that brings the two most advanced linear collider designs, the Compact Linear Collider Study (CLIC) and the International Liner Collider (ILC), together under one roof. Headed by former LHC Project Manager Lyn Evans, it strives to coordinate the research and development work that is being done for accelerators and detectors around the world and to take the linear collider project to the next step: a decision that it will be built, and where. Some 2,000 scientists — particle physicists, accelerator physicists, engineers — are involved in the ILC or in CLIC, and often in both projects. They work on state-of-the-art detector technologies, new acceleration techniques, the civil-engineering aspect of building a straight tunnel of at least 30 kilometres in length, a reliable cost estimate and many more aspects that projects of this scale require. The Linear Collider Collaboration ensures that the synergies between both projects are used to the maximum.

      Det var opplagt at det bare ville bli en av maskinene uansett, så dette er nok fornuftig. Sikkert mye politikk og drama i kulissene her som jeg ikke kjenner til, men det ser nå ut til at ILC er «it» for fremtiden.

      Bjørn

  2. Anette · juni 13, 2013

    Jeg hadde håpet at ILC sto for Incredibly Large Collider…

    • Bjørn H. Samset · juni 13, 2013

      …jo, det burde jo egentlig det 🙂 Sikkert ikke for sent å sende forslag om navneendring.

  3. Kyrre · juni 13, 2013

    Nyeste og tøffeste innen akseleratorteknologi du liksom 😛 CLIC har ca. tre ganger sterkere elektrisk felt for akserelasjon, og er *mye* enklere å skalere til høyere energier. Dog jobber jeg for CLIC, så jeg er muligens litt biased… Det finnes forøvrig en annen teknikk også – såkalt «plasma wakefield acceleration», som kan nå helt absurde akserelasjonsfelt – men dette er foreløpig virkelig på planlegningsstadiet.

    Når det gjelder CLIC vs. ILC, så er det utrolig mye politikk her. Japan har invistert mye ressurser i utvikling av superledende mikrobølgeresonanshulrom, og de snakker ikke bare om å bygge ILC, men en hel «science city» ~4 timer utenfor Tokyo. Pengene håper de å hente fra et gjennoppbygningsfond etter tsunamien, men hvorvidt det faktisk kommer til å skje er 100% opp til japansk politikk – som ikke er så veldig lett å følge.

    Problemet med ILC er at den er mer-eller-mindre kun egnet til å studere Higgs-mekanismen og litt tau/top-fysikk. Det virker per i dag lite sannsynlig at det er mer som «gjemmer seg i kulissene» som er innenfor rekkevidden til ILC – og ILC-teknologien er fundamentalt vanskelig å skalere til høyere energier. Videre så vil mye av det ILC skal gjøre allerede bli gjort av LHC, så ILC blir derfor mest snakk om å bittelitt øke presisjonen til det LHC har gjort (med noen få unntak, f.eks. total H-crossection ink. invisibles, og dermed skikkelige branching ratios). Physics case for ILC i lys av LHC-dataene samt framskrivninger til større datamengder ser derfor så langt ikke så veldig lyst ut. Og dersom LHC kommer med noe virkelig nytt (mer sannsynlig etter oppgraderingen som pågår nå fra 7 -> 14 TeV), så vil det høyst sannsynlig ikke være tilgjengelig for ILC…

    Men uansett så er forskningen langt fra bortkastet. ILC har pushet grensene for hva som er mulig med superledende mikrobølgeresonanshulrom, noe som er nyttig når man vil bygge akseleratorer for andre formål, f.eks. røntgenlasere som brukes til å se detaljene i krystallstrukturer (ink. krystaller av biologisk materiale), og protondrivere for neutronspallasjon (f.eks. ESS, som også snart taes i bruk til å studere materialer), akseleratordrevene thoriumkraftverk o.l. På samme måte pusher vi i CLIC grensene for normalledende mikrobølgeresonanshulrom – både på materialteknologisiden, kraftkilder og andre teknologiske komponenter, håndtering av elektronsstråler, utforming av mikrobølgeresonanshulrom, og industrialisering av produksjonen av disse. Kunnskapen hentet inn her kan og blir på samme måte som for ILC tatt i bruk for å bygge røntgenlasere, protonterapimaskiner, gammakilder, høyfrekvenskomponenter for oppgradering av eksisterende akseleratorer etc. – og å bygge dem langt mindre enn hva som er mulig med dagens teknologi. Dette betyr at det å bygge en protonterapimaskin ikke behøver å bety å bygge et helt nytt sykehus langt ute på landsbygda sammen med et «mini-CERN» med sirkulære akseleratorer, men kan være et relativt kompakt, billig, og enkelt anlegg som kan legges til et eksisterende sykehus.

    • Bjørn H. Samset · juni 13, 2013

      Takker Kyrre. Enig i at CLIC kanskje er hakket hvassere ja, men så er den til gjengjeld mye lenger fra å realiseres. Sånn jeg har fått det med meg ihvertfall?

      Det er opplagt at det ligger mye politikk bak her. Ingen mener heller at forskningen er bortkastet hverken for ILC eller CLIC, trur eg? Og en liten tanke er vel fortsatt at Japan kan bygge denne nå og så kan CERN/Europa hive seg på med CLIC om en stund hvis det kommer mer ut av LHC?

      Men at LHC kan gjøre mye av det ILC lover synes jeg høres litt underlig ut. Hva med spinnmålinger o.l.? Enn så lenge ser jo Higgsen gørrkjedelig standardmodellsk ut, men den har mange parametre som må bestemmes. Og så er det jo mye klassisk SM-fysikk som kan gjøres i en e+e- også, som ikke trenger super-frontier-energier. …og så er det jo denne følelsen av at det snart burde dukke opp en Higgs eller to til, da… 😉

      Bjørn

      • Kyrre · juni 14, 2013

        Vi er noe lenger fra å være «byggeklare» enn ILC, men vår forståelse er at det er liten vits i å starte å bygge NÅ uansett – det er bedre å bruke tiden til å utvikle teknologien skikkelig, få den pushet ut til mindre maskiner for modning (FELer, oppgraderinger av eksisterende akseleratorer o.l.), og så bygge maskinen i stages for de riktige energiene med en gang. Det er ingen grunn til å forhaste seg for mye, vi kan vente en fem års tid til. Rent formelt så publiserte vi vår CDR i fjor (etter at den hadde vært 90% ferdig et par års tid pga. folk som prioriterte forskning framfor skriving av et «kjedelig» dokument), mens ILC publiserte TDR (ett hakk videre i prosessen) i går.

        Problemet med ILC er at den overhodet ikke skalerer lenger enn 0.5 TeV – og allerede her er den nesten like lang som en CLIC på 3 TeV. Når det gjelder mulige målinger, så så vidt jeg har fått med meg, så har man allerede publisert ting for spinnet til Higgs. s=1 er ut-av-vinduet så lenge den henfaller til to fotoner, og man kan så vidt jeg har forstått diskriminere s=0 og s=2 vha. vinkelfordelingene. Viktigere er selv-kopling og skikkelig normalisering av branching ratios (Higgstrahlung, bruke kjent initial-state samt tagge Z’en for å så se på recoil mass), samt skikkelig kopling til bosoner. Men LHC kan allerede gjøre mye av dette – bare ikke til like høy presisjon. Men jeg er ikke en analyse-ekspert sånn uansett, så ta det som står over med en klype salt 🙂

        For CLIC ser det nå ut til at det mest logiske kanskje er å bygge et klystron-basert first stage rundt 375 GeV (2*topmassen + litt ekstra), og så oppgradere med drive beam etterhvert. Og jeg ser ikke bort i fra at en slik maskin kan gjøre ca. samme fysikkprogrammet som ILC, bare billigere og mindre…

        Dog er mye av dette i politikernes hender – og det kan kanskje skje at japanske politikere bestemmer seg for å bygge ILC i hurtigtogsfart, uansett om det gir mening forskningsmessig eller ikke. Vi får se, og enn så lenge forske videre…

  4. Tilbaketråkk: Når stort ikkje lenger er stort nok: Very Large Hadron Collider | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s