El International Linear Collider ( ILC ) es un acelerador de partículas lineal propuesto . [1] Está previsto tener una energía de colisión de 500 GeV inicialmente, con la posibilidad de una actualización posterior a 1000 GeV (1 TeV). Aunque las primeras ubicaciones propuestas para la ILC fueron Japón, Europa ( CERN ) y los EE. UU. ( Fermilab ), [2] las tierras altas de Kitakami en la prefectura de Iwate en el norte de Japón han sido el foco de los esfuerzos de diseño de la ILC desde 2013. [3]El gobierno japonés está dispuesto a aportar la mitad de los costos, según el coordinador de estudio de detectores de la ILC. [4]
El ILC colisionaría electrones con positrones . Tendrá entre 30 y 50 km (19–31 millas) de largo, más de 10 veces más que el Acelerador Lineal Stanford de 50 GeV , el acelerador de partículas lineal más largo existente. La propuesta se basa en propuestas similares anteriores de Europa, Estados Unidos y Japón.
También se están realizando estudios para un proyecto alternativo, el Compact Linear Collider (CLIC), que operaría a energías superiores (hasta 3 TeV) en una máquina de longitud similar a la ILC. Estos dos proyectos, CLIC y ILC, se han unificado bajo la Colaboración Linear Collider . [5]
Antecedentes: linacs y sincrotrones
Hay dos formas básicas de aceleradores. Los aceleradores lineales ("linacs") aceleran las partículas elementales a lo largo de una trayectoria recta. Los aceleradores circulares ("sincrotrones"), como el Tevatron , el LEP y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), utilizan trayectorias circulares. La geometría circular tiene ventajas significativas a energías de hasta decenas de GeV inclusive : con un diseño circular, las partículas pueden acelerarse eficazmente en distancias más largas. Además, solo una fracción de las partículas que entran en curso de colisión chocan realmente. En un acelerador lineal, las partículas restantes se pierden; en un acelerador de anillo, siguen circulando y están disponibles para futuras colisiones. La desventaja de los aceleradores circulares es que las partículas cargadas que se mueven a lo largo de trayectorias dobladas necesariamente emitirán radiación electromagnética conocida como radiación de sincrotrón . La pérdida de energía por radiación de sincrotrón es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la masa de las partículas en cuestión. Por eso tiene sentido construir aceleradores circulares para partículas pesadas: colisionadores de hadrones como el LHC para protones o, alternativamente, para núcleos de plomo . Un colisionador electrón-positrón del mismo tamaño nunca podría alcanzar las mismas energías de colisión. De hecho, las energías en el LEP que solían ocupar el túnel ahora entregado al LHC, se limitaron a 209 GeV por la pérdida de energía a través de la radiación de sincrotrón.
Aunque la energía de colisión nominal en el LHC será mayor que la energía de colisión del ILC (14.000 GeV para el LHC [6] frente a ~ 500 GeV para el ILC), las mediciones podrían realizarse con mayor precisión en el ILC. Las colisiones entre electrones y positrones son mucho más sencillas de analizar que las colisiones en las que la energía se distribuye entre los quarks , antiquarks y gluones constituyentes de las partículas bariónicas . Como tal, una de las funciones de la ILC sería realizar mediciones de precisión de las propiedades de las partículas descubiertas en el LHC.
Física y detectores de ILC
Se espera ampliamente que los experimentos en la ILC propuesta detecten efectos de la física más allá de los descritos en el modelo estándar actual . [7] Además, se espera que se descubran y midan las partículas y las interacciones descritas por el modelo estándar. En la ILC, los físicos esperan poder:
- Mida la fuerza de la masa, el giro y la interacción del bosón de Higgs
- Si existe, mida el número, el tamaño y la forma de cualquier dimensión adicional de la escala TeV
- Investigar las partículas supersimétricas más ligeras , posibles candidatas a la materia oscura
Para lograr estos objetivos, se necesitan detectores de partículas de nueva generación.
Fusión de propuestas regionales en un proyecto mundial
En agosto de 2004, el Panel Internacional de Recomendaciones Tecnológicas (ITRP) recomendó [8] una tecnología de radiofrecuencia superconductora para el acelerador. Después de esta decisión, los tres proyectos de colisionador lineal existentes, el Next Linear Collider (NLC), el Global Linear Collider (GLC) y el Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA), unieron sus esfuerzos en un solo proyecto (el ILC). En marzo de 2005, el Comité Internacional para Aceleradores del Futuro (ICFA) anunció al Prof. Barry Barish , director del Laboratorio LIGO en Caltech de 1997 a 2005, como Director del Esfuerzo de Diseño Global (GDE). En agosto de 2007, se publicó el Informe de diseño de referencia para la ILC. [9] Los físicos que trabajan en la GDE completaron un informe detallado de diseño de la ILC, y lo publicaron en junio de 2013. [5]
Diseño
La fuente de electrones para el ILC utilizará pulsos de luz láser de 2 nanosegundos para expulsar electrones de un fotocátodo , una técnica que permite polarizar hasta el 80% de los electrones; los electrones luego se acelerarán a 5 GeV en una etapa linac de 370 metros. La radiación de sincrotrón de electrones de alta energía producirá pares de electrones y positrones en un objetivo de aleación de titanio, con hasta un 60% de polarización; los positrones de estas colisiones se recogerán y acelerarán a 5 GeV en un linac separado.
Para compactar los racimos de electrones y positrones de 5 GeV a un tamaño lo suficientemente pequeño como para que puedan colisionar de manera útil, circularán durante 0,1-0,2 segundos en un par de anillos de amortiguación, 3,24 km de circunferencia, en los que se reducirán de tamaño a 6 mm. de longitud y una emitancia vertical y horizontal de 2 pm y 0,6 nm, respectivamente.
Desde los anillos de amortiguación, los racimos de partículas se enviarán a las líneas principales de radiofrecuencia superconductora , cada una de 11 km de longitud, donde se acelerarán a 250 GeV. A esta energía, cada haz tendrá una potencia media de unos 5,3 megavatios . Se producirán y acelerarán cinco trenes de manojos por segundo.
Para mantener una luminosidad suficiente para producir resultados en un período de tiempo razonable después de la aceleración, los racimos se enfocarán a unos pocos nanómetros de altura y unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Los racimos enfocados luego chocarán dentro de uno de los dos detectores de partículas grandes .
Una cavidad de radiofrecuencia superconductora de nueve celdas de 1,3 GHz basada en niobio que se utilizará en el linac principal [10]
Una vista interior de la cavidad de radiofrecuencia superconductora de niobio
Un cromódulo que se está probando en Fermilab
Sección transversal del cromódulo. Un tubo grande en el centro es el tubo de retorno de gas de helio. El tubo cerrado debajo de él es el eje del haz.
Se utiliza una brida del cromódulo para conectar cables y alambres de instrumentación.
Sitios propuestos
Originalmente, tres sitios para el Colisionador Lineal Internacional eran contendientes líderes en centros establecidos de Física de Alta Energía en Europa. [11] En el CERN de Ginebra, el túnel se encuentra a gran profundidad en un lecho rocoso no permeable. Este sitio se consideró favorable por varias razones prácticas, pero debido al LHC, el sitio fue desfavorecido. En DESY en Hamburgo, el túnel está cerca de la superficie en un suelo saturado de agua. Alemania lidera Europa en financiación científica y, por tanto, se consideró fiable en términos de financiación. En JINR en Dubna, el túnel está cerca de la superficie en un suelo no permeable. Dubna tiene un complejo de preacelerador que podría haberse adaptado fácilmente a las necesidades de la ILC. Pero los tres eran más o menos adecuados para albergar un colisionador lineal y uno tenía una amplia variedad de opciones para un proceso de selección de emplazamientos en Europa.
Fuera de Europa, varios países expresaron interés. Japón recibe una gran cantidad de fondos para actividades de neutrinos, como el experimento T2K , un factor que no le favorece, aunque ya se han construido en Japón 20 enormes cavernas con túneles de acceso para centrales hidroeléctricas (por ejemplo, la central hidroeléctrica de Kannagawa ). Tras el cierre del Tevatron, algunos grupos de EE. UU. Habían expresado su interés, siendo Fermilab un sitio privilegiado debido a las instalaciones y la mano de obra ya presentes. Gran parte del interés especulado de otros países se debió a rumores de la comunidad científica y muy pocos hechos se publicaron oficialmente. La información presentada anteriormente es un resumen de la contenida en el Taller Internacional sobre Colisionadores Lineales 2010 (Reunión Conjunta ECFA-CLIC-ILC) en el CERN. [12]
La crisis económica de 2008 llevó a Estados Unidos y Reino Unido a recortar fondos para el proyecto del colisionador, [13] lo que llevó a Japón a posicionarse como el anfitrión más probable del Colisionador Lineal Internacional. [14] El 23 de agosto de 2013, el comité de evaluación del sitio de la comunidad japonesa de física de alta energía propuso que se ubicara en las montañas Kitakami de las prefecturas de Iwate y Miyagi . [15] Al 7 de marzo de 2019, el gobierno japonés ha declarado que no está listo para apoyar la construcción del Colisionador debido a su alto costo propuesto de aproximadamente $ 7 mil millones. Esta decisión fue informada en parte por el Consejo Científico de Japón . Actualmente, el gobierno japonés está buscando apoyo monetario de otros países para ayudar a financiar este proyecto. [dieciséis]
Costo
El Informe de Diseño de Referencia estimó el costo de construcción de la ILC, excluyendo I + D, prototipos, adquisición de terrenos, costos de servidumbre subterránea, detectores, contingencias e inflación, en 6.750 millones de dólares [17] (a precios de 2007). A partir de la aprobación formal del proyecto, se espera que la finalización del complejo de aceleradores y detectores requiera siete años. Se requeriría que el país anfitrión pagara $ 1.8 mil millones por costos específicos del sitio, como la excavación de túneles y pozos y el suministro de agua y electricidad.
El exsecretario de Energía de Estados Unidos, Steven Chu, calculó el costo total en 25 mil millones de dólares. El director de la ILC, Barish, dijo que es probable que esto sea una sobreestimación. Otros funcionarios del Departamento de Energía han estimado un total de $ 20 mil millones. [18] Una vez finalizado el Informe de diseño de la ILC de 2013, Barish dijo que el costo de construcción de la ILC fue el equivalente a 7.780 millones de dólares estadounidenses de 2012; requerirá "22,6 millones de horas de mano de obra y costos específicos de la ubicación, incluida la preparación del sitio, detectores científicos y operaciones de las instalaciones". [19]
Notas
- ^ "El colisionador lineal internacional - puerta de entrada al universo cuántico" . Comunidad ILC. 2007-10-18. Archivado desde el original (PDF) el 2009-03-02 . Consultado el 21 de mayo de 2009 .
- ^ Hamish Johnston. "¿Dónde debería construirse el Colisionador Lineal Internacional?" . physicsworld.com . Consultado el 2 de agosto de 2012 .
- ^ "ILC - Estado del proyecto" . www.linearcollider.org . Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2016 . Consultado el 14 de diciembre de 2016 .
- ^ "El nuevo acelerador de partículas ILC no estará terminado antes de 2026, dice François Richard (español)" . 2012-06-11. Archivado desde el original el 2 de julio de 2012 . Consultado el 2 de agosto de 2012 .
- ^ a b "LCC - Colaboración del colisionador lineal" . www.linearcollider.org . Consultado el 14 de diciembre de 2016 .
- ^ Dado que las colisiones reales ocurren entre los componentes de los protones ( quarks , antiquarks y gluones) , la energía efectiva para las colisiones será menor que 14.000 GeV pero aún mayor que 500 GeV), una colisión típica en el LHC será de mayor energía que una colisión ILC típica.
- ^ G. Aarons; et al. (2007), Informe de diseño de referencia del colisionador lineal internacional Volumen 2: Física en el ILC (PDF) , arXiv : 0709.1893 , Bibcode : 2007arXiv0709.1893D
- ^ "Informe final del Panel de recomendaciones tecnológicas internacionales" (PDF) . ICFA (Comité Internacional de Aceleradores Futuros). 2004 . Consultado el 19 de noviembre de 2012 .
- ^ "Informe de diseño de referencia ILC" . Esfuerzo de diseño global de la ILC y estudio mundial. Agosto de 2007. Archivado desde el original (PDF) el 18 de diciembre de 2008 . Consultado el 21 de mayo de 2009 .
- ^ Informe de diseño técnico del colisionador lineal internacional 2013 . Colisionador lineal internacional. 2013 . Consultado el 14 de agosto de 2015 .
- ^ Wilhelm Bialowons, John Andrew Osborne y Grigori Shirkov (31 de marzo de 2010). "Estudio de emplazamiento para sitios ILC europeos" (PDF) . Informe-ILC-HiGrade-2010-004-1.
- ^ "Taller Internacional sobre Colisionadores Lineales 2010" . 22 de octubre de 2010.
- ^ Mano, Eric; Brumfiel, Geoff (9 de enero de 2008). "Los planes de aceleración se estancaron después de los recortes de Estados Unidos y Reino Unido" . Naturaleza . 451 (7175): 112-113. Código bibliográfico : 2008Natur.451..112H . doi : 10.1038 / 451112a . PMID 18185548 .
- ^ Brumfiel, Geoff (14 de diciembre de 2012). "Japón en la pole position para albergar el aplastador de partículas" . Naturaleza . doi : 10.1038 / nature.2012.12047 .
- ^ Kelen Tuttle y Kathryn Jepsen (23 de agosto de 2013). "Japón selecciona el sitio candidato para colisionador lineal" . Revista Symmetry . Fermilab . Consultado el 23 de agosto de 2013 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Garisto, Daniel. "Japón retrasa la decisión de albergar el próximo gran colisionador de partículas" . Scientific American . Consultado el 14 de marzo de 2019 .
- ^ Adiós, Dennis (8 de febrero de 2007). "Precio de la próxima gran cosa en física: $ 6,7 mil millones" . NYTimes . Consultado el 5 de mayo de 2010 .
- ^ "Chu Pegs ILC cuesta a $ 25 mil millones" . ScienceInsider. 2009. Archivado desde el original el 5 de enero de 2010.
- ^ Tuttle, Ken (22 de febrero de 2013). "Los planes de colisionador lineal avanzan" . Revista de simetría . Consultado el 8 de marzo de 2017 .
enlaces externos
- Medios relacionados con International Linear Collider en Wikimedia Commons
- Sitio web de International Linear Collider
- Línea de noticias de la ILC
- La ILC en 2 minutos (video, 2:07)
- ¡Ve a por ello! Tohoku Big Bang. ~ Haciendo del Colisionador Lineal Internacional (ILC) una realidad ~ (video, 21:31)
- Karl Van Bibber sobre la NLC
- En revista de simetría :
- Número especial , agosto de 2005
- "listo para usar: diseño de la ILC" , marzo de 2006
- Artículo del New York Times
- Artículo de Science Magazine
- Vista previa del artículo de Scientific American
- 1600 Artículo del Colisionador Lineal Internacional
- arXiv:
- Informe de diseño técnico del colisionador lineal internacional - Volumen 1: Resumen ejecutivo
- Informe de diseño técnico internacional del colisionador lineal - Volumen 2: Física
- Informe de diseño técnico internacional del colisionador lineal - Volumen 3.I: I + D del acelerador en la fase de diseño técnico
- Informe de Diseño Técnico del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 3.II: Diseño de Línea Base del Acelerador
- Informe de diseño técnico internacional del colisionador lineal - Volumen 4: Detectores