mini|hochkant=1.5|Die im Rahmen der FCC-Studie in Betracht gezogenen künftigen Teilchenbeschleuniger im Vergleich zu den bisherigen Teilchenbeschleunigern. Der Future Circular Collider (FCC) ist ein geplanter Teilchenbeschleuniger am CERN, mit dem Energien und Luminositäten deutlich über den bisherigen Ringbeschleunigern wie dem Super Proton Synchrotron, dem Tevatron und dem Large Hadron Collider (LHC) erreicht werden sollen. Das CERN erstellte dazu eine FCC-Studie, in der die Machbarkeit verschiedener Szenarien für Teilchenbeschleuniger untersucht wurde. Die Studie untersucht das Potenzial von Hadron- und Lepton-Ringbeschleunigern, führt eine Analyse von Infrastruktur- und Betriebskonzepten durch und betrachtet die technologischen Forschungs- und Entwicklungsprogramme, die für den Bau und den Betrieb eines künftigen Ringbeschleunigers erforderlich sind. Sie soll die bestehenden technischen Entwürfe für vorgeschlagene lineare Elektron-Positron-Collider wie den International Linear Collider und den Compact Linear Collider ergänzen. Ein Konzeptionsbericht wurde Anfang 2019 veröffentlicht, rechtzeitig zur geplanten Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik.
Es werden drei Szenarien für Kollisionen in Betracht gezogen: FCC-hh, für Hadron-Hadron-Kollisionen, einschließlich Proton-Proton- und Schwerionen-Kollisionen, FCC-ee, für Elektron-Positron-Kollisionen, und FCC-eh, für Elektron-Hadron-Kollisionen. Im Rahmen der FCC-Studie war die Zielrichtung ursprünglich ein FCC-hh, der in einem ersten Schritt auch einen FCC-ee beherbergen könnte. Das wurde weiterentwickelt zum sogenannten integrierten FCC-Programm, das als ersten Schritt FCC-ee mit einer Betriebszeit von etwa zehn Jahren bei verschiedenen Energiebereichen von 90 GeV bis 350 GeV vorsieht, gefolgt von einem FCC-hh mit einer Betriebszeit von etwa 15 Jahren. Beim FCC-hh hätte jeder Strahl eine Gesamtenergie von 560 MJ. Bei einer Schwerpunktkollisionsenergie von 100 TeV (gegenüber 14 TeV beim LHC) steigt der Gesamtenergiewert auf 16,7 GJ. Diese Gesamtenergiewerte übertreffen den derzeitigen LHC um fast den Faktor 30.cds.cern.ch S. 248, Beam Parameters gives GJ of total energy based on number of protons per bunch and number of bunches [10,400] in FCC-hh: https://www.wolframalpha.com/input/?i=10400*1.0*(10%5E11)*100*(10%5E12)*1.602*(10%5E-19)
Die Studie enthält auch eine Analyse der Infrastruktur- und Betriebskosten, die den effizienten und zuverlässigen Betrieb dieser künftigen Großforschungsinfrastruktur gewährleisten könnten. Die strategische Forschung und Entwicklung, die im Conceptual Design Report für die kommenden Jahre festgelegt wurde, konzentriert sich auf die Minimierung der Baukosten und des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Maximierung der sozioökonomischen Auswirkungen, wobei der Schwerpunkt auf dem Nutzen für die Industrie und die Ausbildung liegt.
Hintergrund Der Large Hadron Collider am CERN mit seinem High Luminosity Upgrade ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und soll bis 2036 in Betrieb sein. Für die Zeit nach dem LHC wurden verschiedene Vorschläge für eine Forschungsinfrastruktur in der Teilchenphysik unterbreitet, darunter sowohl Linear- als auch Ringbeschleuniger.
Die FCC-Studie bedeutet eine internationale Zusammenarbeit von 135 Forschungsinstituten und Universitäten sowie 25 Industriepartnern aus der ganzen Welt. Sie wurde als Reaktion auf die Empfehlung in der Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik 2013, die vom CERN-Rat angenommen wurde, gestartet. Die Studie wird von drei Gremien geleitet: dem International Collaboration Board (ICB), dem International Steering Committee (ISC) und dem International Advisory Committee (IAC). mini|Die Organisation der FCC-Studie
Derzeitige Beschleunigerpläne Bereits genehmigt und konkret vorbereitet ist ein Upgrade des LHC mit hoher Luminosität, der HL-LHC. Damit wird die Betriebsdauer des LHC bis mindestens Mitte der 2030er Jahre verlängert.
Die Konzeption des Compact Linear Collider (CLIC) wurde 1985 am CERN gestartet. CLIC untersucht die Machbarkeit eines hochenergetischen (bis zu 3 TeV), hochluminosen Lepton-Beschleunigers (Elektron-Positron). Der International Linear Collider ist ein ähnliches Projekt wie CLIC und soll eine Kollisionsenergie von 500 GeV haben. Der technische Entwurfsbericht wurde 2013 vorgelegt. Im Jahr 2013 bildeten die beiden Studien eine organisatorische Partnerschaft, die Linear Collider Collaboration (LCC), um die globalen Entwicklungsarbeiten für einen Linearbeschleuniger zu koordinieren und voranzutreiben.
Die CERN-Studie zum FCC wurde als direkte Reaktion auf die 2013 veröffentlichte aktualisierte europäische Strategie für Teilchenphysik initiiert. In dieser wird empfohlen, dass „das CERN Designstudien für Beschleunigerprojekte in einem globalen Kontext durchführen sollte, mit Schwerpunkt auf Proton-Proton- und Elektron-Positron-Hochenergie-Pioniermaschinen. Diese Designstudien sollten mit einem energischen F&E-Programm für Beschleuniger gekoppelt werden, einschließlich Hochfeldmagneten und Hochgradienten-Beschleunigungsstrukturen, in Zusammenarbeit mit nationalen Instituten, Laboratorien und Universitäten weltweit“. Ziel war es, die nächste Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik (2019–2020) und die breitere Physikgemeinschaft über die Durchführbarkeit von Ringbeschleunigern zu informieren, die frühere Studien für Linearbeschleuniger sowie andere Vorschläge für Teilchenphysikexperimente ergänzen.
Der Start der FCC-Studie stand auch im Einklang mit den Empfehlungen des Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) der Vereinigten Staaten und des International Committee for Future Accelerators (ICFA).
Stand der Beschleunigerphysik und Motivation Die Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC und das bisherige Ausbleiben von Phänomenen, die über das Standardmodell hinausgehen, haben das Interesse an künftigen Ringbeschleunigern geweckt, um die Energie- und Präzisionsgrenzen zu erweitern und die Studien für künftige Linearbeschleuniger zu ergänzen. Die Entdeckung eines „leichten“ Higgs-Bosons mit einer Masse von 125 GeV hat die Diskussion über einen ringförmigen Lepton-Collider neu entfacht, der detaillierte Studien und präzise Messungen dieses neuen Teilchens ermöglichen würde. Mit der Studie eines neuen Tunnels mit einem Umfang von 80–100 km, der in die Region Genf passen würde, wurde klar, dass ein zukünftiger ringförmigen Lepton-Collider Kollisionsenergien bis zu 400 GeV (und damit die Produktion von Top-Quarks) bei noch nie dagewesenen Luminositäten bieten könnte. Bei der Planung von FCC-ee (früher bekannt als TLEP (Triple-Large Electron-Positron Collider)) wurden die Erfahrungen von LEP2 und den neuesten B-Fabriken kombiniert.
Zwei wesentliche Einschränkungen für die Leistung von Kreisbeschleunigern sind der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung und der Höchstwert der Magnetfelder, die in Ablenkmagneten erreicht werden können, um die energiereichen Strahlen auf einer Kreisbahn zu halten. Die Synchrotronstrahlung ist für die Auslegung und Optimierung eines ringförmigen Lepton-Colliders von besonderer Bedeutung und begrenzt die maximal erreichbare Energie, da das Phänomen von der Masse des beschleunigten Teilchens abhängt. Um diese Probleme zu lösen, sind ein ausgeklügeltes Maschinendesign und die Weiterentwicklung von Technologien wie Beschleunigungskavitäten (RF) und Hochfeldmagneten erforderlich.
Künftige „Intensitäts- und Luminositätsgrenzen“-Lepton-Collider, wie sie in der FCC-Studie in Betracht gezogen werden, würden es ermöglichen, die Eigenschaften des Higgs-Bosons, der W- und Z-Bosonen und des Top-Quarks mit sehr hoher Präzision zu untersuchen und ihre Wechselwirkungen mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die mindestens um eine Größenordnung besser ist als heute. Der FCC-ee könnte pro Jahr 1012 Z-Bosonen, 108 W-Paare, 106 Higgs-Bosonen und 4 · 105 Top-Quark-Paare sammeln. In einem zweiten Schritt könnte ein Collider an der „Energiegrenze“ bei 100 TeV (FCC-hh) eine „Entdeckungsmaschine“ sein, die eine achtfache Steigerung im Vergleich zum derzeitigen Energiebereich des LHC bietet.
Das integrierte FCC-Projekt, das FCC-ee und FCC-hh kombiniert, würde sich auf eine gemeinsame und kosteneffiziente technische und organisatorische Infrastruktur stützen, wie es bei LEP und anschließend bei LHC der Fall war. Dieser Ansatz verbessert die Empfindlichkeit für schwer fassbare Phänomene bei niedrigen Massen um mehrere Größenordnungen und die Entdeckungsreichweite für neue Teilchen bei den höchsten Massen um eine Größenordnung. Dies wird es ermöglichen, die Eigenschaften des Higgs-Bosons und des elektroschwachen Sektors auf einzigartige Weise zu kartieren und die Suche nach verschiedenen Teilchen, die für die Dunkle Materie in Frage kommen, zu erweitern, indem andere Ansätze mit Neutrinostrahlen, Experimenten außerhalb von Kollisionen und astrophysikalischen Experimenten ergänzt werden.
Künftige Collider mit höherer Energie und Kollisionsrate werden in hohem Maße dazu beitragen, Messungen zum Standardmodell durchzuführen, unser Verständnis der Prozesse des Standardmodells zu vertiefen, seine Grenzen zu testen und nach möglichen Abweichungen oder neuen Phänomenen zu suchen, die Hinweise auf neue Physik liefern könnten.
Die Studie Future Circular Collider (FCC) entwickelt Optionen für potenzielle Hochenergie-Ringbeschleuniger am CERN für die Zeit nach dem LHC. Unter anderem ist geplant, nach Teilchen der dunklen Materie zu suchen, die etwa 25 % der Energie im beobachtbaren Universum ausmachen. Obwohl kein Collider-Experiment den gesamten Bereich der Massen der dunklen Materie (DM) untersuchen kann, der durch astrophysikalische Beobachtungen möglich ist, gibt es eine sehr breite Klasse von Modellen für schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) im Massenbereich von GeV bis zu zehn TeV, die im Bereich des FCC liegen könnten.
FCC könnte auch die Fortschritte bei den Präzisionsmessungen der elektroschwachen Präzisionsobservablen (EWPO) anführen. Die Messungen spielten eine Schlüsselrolle bei der Konsolidierung des Standardmodells und können als Richtschnur für künftige theoretische Entwicklungen dienen. Außerdem können die Ergebnisse dieser Messungen Daten aus astrophysikalischen/kosmologischen Beobachtungen beeinflussen. Die verbesserte Präzision, die das integrierte FCC-Programm bietet, erhöht das Entdeckungspotenzial für neue Physik.
Darüber hinaus wird der FCC-hh die Fortsetzung des Forschungsprogramms für ultrarelativistische Schwerionenkollisionen von RHIC und LHC ermöglichen. Die höheren Energien und Luminositäten, die der FCC-hh beim Betrieb mit Schwerionen bietet, werden neue Wege bei der Untersuchung der kollektiven Eigenschaften von Quarks und Gluonen eröffnen.
Die FCC-Studie sieht auch einen Wechselwirkungspunkt für Elektronen mit Protonen (FCC-eh) vor. Diese Messungen der tiefen inelastischen Streuung werden die Partonstruktur mit sehr hoher Genauigkeit auflösen und eine pro-mille-genaue Messung der starken Kopplungskonstante ermöglichen. Diese Ergebnisse sind für ein Programm von Präzisionsmessungen unerlässlich und werden die Empfindlichkeit der Suche nach neuen Phänomenen insbesondere bei höheren Massen weiter verbessern. mini|Fünf Prozent der Materie und Energie des Universums sind direkt beobachtbar. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt es genau. Was ist mit den restlichen 95 %?
Kollisionsanlagen Die FCC-Studie untersucht Szenarien für verschiedene kreisförmige Teilchenbeschleuniger, die in einem neuen Tunnel mit einem Umfang von 100 km untergebracht sind. Für die Planung und den Bau eines großen Beschleunigerkomplexes und von Teilchendetektoren wird ein Zeitrahmen von 30 Jahren veranschlagt.