Récemment, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) a présenté une conception conceptuelle du futur collisionneur circulaire (FCC), qui devrait remplacer le grand collisionneur de hadrons. Le concept envisage la création d'un tunnel de 100 km de long à proximité de Genève, dans lequel il est prévu de placer séquentiellement des anneaux accélérateurs pour travailler avec des faisceaux de différents types: des électrons aux noyaux lourds. Pourquoi les physiciens ont-ils besoin d'un nouveau collisionneur, quelles tâches il va résoudre et quel rôle jouent les scientifiques russes à cet égard, a déclaré Vitaly Okorokov à RIA Novosti, un participant au projet FCC, professeur à l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (NRNU MEPhI).
- Vitaly Alekseevich, pourquoi les physiciens ont-ils besoin du Future Ring Collider?- Le projet FCC est l'un des points les plus importants de la nouvelle édition de la stratégie européenne pour la physique des particules, qui se forme aujourd'hui. Des scientifiques russes participent à des projets internationaux dans ce domaine de la science fondamentale, à la fois dans la recherche sur les collisionneurs et dans les expériences sans accélérateur. En physique moderne, le monde des particules élémentaires est décrit par le soi-disant modèle standard - théorie quantique des champs, qui comprend des interactions électromagnétiques, fortes et faibles. La composition des particules fondamentales dans ce modèle a été pleinement confirmée expérimentalement avec la découverte du boson de Higgs en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Cependant, les réponses à de nombreuses questions importantes, par exemple sur la nature de la matière noire, sur l'émergence de l'asymétrie de la matière et de l'antimatière dans l'univers observable, etc., sortent du cadre du modèle standard. Pour trouver des solutions aux problèmes clés de la physique fondamentale, les scientifiques conçoivent de nouveaux complexes d'accélérateurs toujours plus puissants. - Quelles tâches le Future Ring Collider résoudra-t-il? - Il s'agit de la mesure des paramètres du modèle standard avec une précision jusque-là inatteignable, une étude détaillée des transitions de phase et des propriétés de la matière se déroulant dans le tout premier Univers dans des conditions extrêmes, la recherche de signaux issus de la nouvelle physique en dehors du modèle standard, y compris les particules de matière noire. Du point de vue de la physique, il est très intéressant d'étudier les propriétés de l'interaction forte à ultra-hautes énergies et de développer une théorie la décrivant - la chromodynamique quantique.- Quelles tâches le Future Ring Collider résoudra-t-il? - Il s'agit de la mesure des paramètres du modèle standard avec une précision inatteignable auparavant, une étude détaillée des transitions de phase et des propriétés de la matière se déroulant dans le tout premier Univers dans des conditions extrêmes, la recherche de signaux de nouvelle physique en dehors du modèle standard, y compris les particules de matière noire. Du point de vue de la physique, il est très intéressant d'étudier les propriétés de l'interaction forte à ultra-hautes énergies et de développer une théorie la décrivant - la chromodynamique quantique.- Quelles tâches le Future Ring Collider résoudra-t-il? - Il s'agit de la mesure des paramètres du modèle standard avec une précision inatteignable auparavant, une étude détaillée des transitions de phase et des propriétés de la matière se déroulant dans le tout premier Univers dans des conditions extrêmes, la recherche de signaux de nouvelle physique en dehors du modèle standard, y compris les particules de matière noire. Du point de vue de la physique, il est très intéressant d'étudier les propriétés de l'interaction forte à ultra-hautes énergies et de développer une théorie la décrivant - la chromodynamique quantique.il est très intéressant d'étudier les propriétés de l'interaction forte à ultra-hautes énergies et de développer une théorie la décrivant - la chromodynamique quantique.il est très intéressant d'étudier les propriétés de l'interaction forte à ultra-hautes énergies et de développer une théorie la décrivant - la chromodynamique quantique.- Quelle est l'essence de cette théorie?- Selon lui, les particules appelées hadrons, par exemple les protons et les neutrons, ont une structure interne complexe formée de quarks et de gluons - les particules fondamentales du modèle standard impliquées dans de fortes interactions. Selon les concepts existants, les quarks et les gluons sont confinés à l'intérieur des hadrons et, même dans des conditions extrêmes, ne peuvent être quasi libres qu'à des échelles linéaires de l'ordre de la taille d'un noyau atomique. C'est une caractéristique clé d'une forte interaction, qui a été confirmée par un grand nombre d'études expérimentales et théoriques. Cependant, le mécanisme de ce phénomène le plus important - le confinement des quarks et des gluons (confinement) - n'a pas encore été déterminé. Depuis plusieurs décennies, le problème du confinement est invariablement inclus dans toutes sortes de listes des principaux problèmes non résolus de la physique fondamentale. Dans le cadre du projet FCC, il est prévu d'obtenir de nouvelles données expérimentales et de progresser significativement dans la compréhension des propriétés des interactions fortes, notamment le confinement.- Quels outils sont censés résoudre ces problèmes?- Une approche intégrée est utilisée pour mener à bien un vaste programme de recherche, selon lequel le projet FCC comprend deux étapes. La première étape "FCC-ee" implique la création d'un collisionneur électron-positon avec une énergie de faisceau comprise entre 44 et 182,5 gigaélectronvolts. Lors de la deuxième étape, des expériences «FCC-hh» seront menées sur des faisceaux de collision de protons et de noyaux. Dans ce cas, il est censé accélérer les protons jusqu'à une énergie de 50 téraélectronvolts et des noyaux lourds (plomb) - jusqu'à 19,5 téraélectronvolts. C'est plus de sept fois l'énergie obtenue dans le complexe d'exploitation le plus puissant du LHC. Il est prévu de l'utiliser, avec l'ensemble de l'infrastructure existante, pour obtenir des faisceaux de particules accélérées avant leur introduction dans l'anneau principal de 100 kilomètres du nouveau collisionneur FCC-hh. La construction d'un accélérateur d'électrons linéaire externe d'une énergie de 60 gigaélectronvolts permettra de mettre en œuvre un programme d'étude détaillée de la structure interne d'un proton par diffusion électron-proton profondément inélastique (FCC - eh).- Le développement et la construction d'installations de ce niveau prennent des décennies. Quand la construction commencera-t-elle? Quand les premiers résultats scientifiques devraient-ils être obtenus?- Si le concept est adopté, le démarrage de la mise en œuvre du programme intégral FCC est prévu vers 2020. La construction du collisionneur de lepton FCC-ee prendra environ 18 ans, avec une durée de travail subséquente d'environ 15 ans. Il s'avère que la durée de la première étape sera d'environ 35 ans. Pendant le fonctionnement du FCC-ee, la préparation de la deuxième étape du projet commencera. Conformément au concept, dans les dix ans suivant la fin de l'opération FCC-ee, il sera démantelé, l'anneau de collisionneur de hadrons sera érigé et des détecteurs seront installés. L'obtention de nouvelles données sur les faisceaux de protons et nucléaires est prévue pour le milieu de 2060. La durée de l'opération FCC avec faisceaux de protons et nucléaires est prévue pour environ 25 ans, et la durée totale de la deuxième étape est d'environ 35 ans. Ainsi, on suppose que les expériences au FCC se poursuivront jusqu'à la fin du 21e siècle. Ce projet sera véritablement mondial.
Quel est le rôle des scientifiques russes, en particulier du NRNU MEPhI, dans le projet FCC?
- NRNU MEPhI, avec d'autres organisations russes, participe activement au projet FCC et mène des travaux scientifiques à la fois pour le programme physique des recherches futures et pour le complexe d'accélérateurs.
Les scientifiques du NRNU MEPhI ont apporté une contribution au concept FCC, en particulier dans le premier volume, qui contient une description du programme physique général pour tous les types de faisceaux prévus, et dans le troisième volume, consacré à la recherche avec les faisceaux de protons et nucléaires (FCC - hh).
- Dites-nous plus en détail, s'il vous plaît
- Comme mentionné ci-dessus, à des températures extrêmement élevées (des centaines de milliers de fois plus élevées qu'au centre du Soleil) et des densités d'énergie, les quarks et les gluons peuvent devenir quasi libres à l'échelle nucléaire, formant un nouvel état de la matière, généralement appelé plasma quark-gluon.
Les collisions de faisceaux de protons et de noyaux divers à ultra-hautes énergies du collisionneur FCC-hh permettront d'étudier, en particulier, les propriétés collectives de la matière quark-gluon formée lors des interactions à la fois des grands systèmes (noyaux lourds) et des petits (proton-proton, proton-noyau), fournissant des conditions uniques pour étudier les propriétés des états à plusieurs particules.
L'augmentation prévue pour FCC-hh, significative, par rapport au LHC, de l'énergie et de la luminosité intégrale des faisceaux ouvre qualitativement de nouvelles opportunités pour étudier, par exemple, le comportement des particules fondamentales les plus lourdes du modèle standard - le boson de Higgs (environ 125 fois plus lourd qu'un proton) et un quark t (plus lourd qu'un proton environ 175 fois) - dans la matière quark-gluon chaude et dense, ainsi que leur utilisation possible comme «sondes» pour déterminer les propriétés de cette matière.
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À l'été 2014, lors d'une discussion à l'Institut de physique des hautes énergies. A. A. Logunov du Centre national de recherche «Institut Kurchatov», une proposition a été avancée pour utiliser les bosons de Higgs pour étudier les propriétés de la matière quark-gluon. Cette proposition figurait parmi les éléments du programme de recherche sur les faisceaux de noyaux lourds au FCC. À mon avis, cette direction présente un intérêt considérable pour la physique des interactions fortes.
Nous n'avons abordé que certains aspects des recherches futures. Le programme scientifique de la FCC est très vaste et les travaux dans le cadre de ce projet se poursuivent.
