A CERN következő részecskegyorsítójának koncepcionális terveit január közepén publikálta egy részecskefizikusokból álló nemzetközi csoport. A jelenlegi 27 kilométeres Nagy Hadronütköztetőhöz (Large Hadron Collider, LHC) képest közel négyszer akkora átmérőjű és nyolcszor nagyobb ütközési energiákat elérő „jövőbeli gyorsító gyűrű” (Future Circular Collider, FCC) létrehozásához kihívásokkal teli, hosszú út vezet majd. A gyorsító fő célja a részecskefizikai standard modellen túlmutató fizika felfedezése. Ha a tudományos közösség támogatja a megépítését, és a szükséges források is rendelkezésre állnak, az FCC első verziója 2040 körül kezdhet működni, végleges formáját pedig a 2050-es évek végén érheti el.

A 2014-ben, több mint 1300 szakember és 150 intézet részvételével indult FCC együttműködés által kiadott tanulmány több különböző lehetőséget vázol fel a CERN következő gyorsítójának létrehozására. A kutatók bemutatták, hogy milyen új részecskefizikai felfedezéseket hozhat az eddig nem látott energiájú gyorsító, mik a megépítésének technikai kihívásai, mennyibe kerülne, és mennyi ideig tartana a megvalósítása. A következő egy évben a részecskefizikus közösség felülvizsgálja majd az európai részecskefizikai stratégiát, és felvázolja a tudományág LHC utáni jövőjét. A részecskefizikai stratégia elkészítése során összevetik majd a gyorsító gyűrű terveit olyan más koncepciókkal, mint a kompakt egyenes gyorsító (Compact Linear Collider, CLIC).

„A jövőbeli gyorsító gyűrű (FCC) koncepciós terve áttörő eredmény. Bemutatja az FCC-ben rejlő óriási potenciált arra, hogy javítsa az alapvető fizikai ismereteinket, és hogy a társadalom számára fontos technológiákat fejlesszen tovább. Bár új és komoly kihívásokat jelent számunkra, az FCC megépítését nagyban segítené a CERN szakértelme, gyorsító komplexuma és infrastruktúrája, amely az elmúlt fél évszázad során jött létre.”

- mondta el a CERN főigazgatója, Fabiola Gianotti.

A döntést a következő gyorsító megépítéséről nem lehet sokáig halogatni. A koncepció által jelentett technológiai kihívások megoldásához a következő években el kell kezdeni a fejlesztéseket. Ha teljesen elkészült, a 100 kilométeres FCC gyorsítógyűrű elektron-pozitron, proton-proton és ion-ion ütközéseket tenne lehetővé, eddig soha nem látott energiákon, kiegészülve elektron-proton és elektron-ion ütközések későbbi lehetőségével. A potenciális tudományos eredmények mellett a gyorsító megépítése a tanulmányt készítő szakemberek szerint jelentős mértékben elősegítené a technológiai fejlődést is.

A Higgs-bozon 2012-es felfedezése az LHC gyorsító segítségével új kutatási utakat nyitott a szakemberek előtt, akik azt remélik, hogy a részecske részletesebb vizsgálata a standard modellen túli fizikához is elvezethet. A Higgs-bozon precíz tanulmányozása fontos prioritás lenne bármilyen új nagy-energiájú gyorsító számára. Az olyan kozmológiai megfigyelések, amelyek például a sötét anyag létezésére utalnak, a standard modellen túlmutató fizikát sejtetnek. Az univerzum jobb megértéséhez tehát ezt az új fizikát kell feltárni, amelyben a CERN tanulmányának szerzői szerint jó eséllyel segíthet a 100 kilométeres gyorsító gyűrű.

“Az FCC végső célja egy 100 kilométeres szupravezető proton-gyorsítógyűrű létrehozása, amely az LHC-hez képest egy léptékkel nagyobb, 100 TeV-os (billió elektronvoltos) energiákon működne. A tanulmány alapján először egy elektron-pozitron ütköztető valósulna meg, mint ahogy a LEP megelőzte az LHC-t”

– részletezte az FCC előnyeit a CERN gyorsítókért és technológiákért felelős igazgatója, Frédérick Bordry.

A 100 billió elektronvoltos és nagyobb energiaszint ideális például a Higgs-bozonok egymással való interakciójának precíz vizsgálatára. Ezek a példátlan energiaszintek lehetővé tennék azt is, hogy a szakemberek új, nehéz részecskék után kutassanak. Emellett nehéz ionokat is képes lenne ütköztetni, táplálva ezzel egy gazdag nehéz-ion fizikai tudományos programot, amellyel a szakemberek a korai univerzum viszonyait tudnák vizsgálni.

Az FCC protonütköztetőt a mostani koncepció szerint még megelőzné egy 90 és 365 milliárd elektronvoltos energiájú elektron-pozitron gyorsító, amely 2040 körül léphetne működésbe. Ez a gyorsító olyan, nagy energiájú „Higgs-gyár” lenne, amely lehetővé tenné eddig nem ismert, ritka folyamatok és már ismert részecskék a mostaninál lényegesen precízebb vizsgálatát. Ezekkel a mérésekkel a standard modelltől való parányi eltéréseket is lehetne észlelni. A tervek szerint 15-20 évig működő elektron-pozitron-gyorsító gyűrű 9 milliárd euróba kerülne, amiből 5 milliárd eurót tenne ki a 100 kilométeres gyorsító alagút és ahhoz tartozó infrastruktúra létrehozása. Az elektron-pozitron-gyorsítót egy szupravezetőproton-gyorsító váltaná fel, amely ugyanazt az alagutat használná. Ennek a költsége nagyjából 15 milliárd euró lenne, és a 2050-es évek végétől kezdhetne működni.

Az új gyorsító terveit máris heves viták kísérik

A kísérleti részecskefizika jövőjét a 21. század nagy részére meghatározó gyorsító tervei körül máris komoly viták bontakoztak ki. A problémát talán nem is az új részecskegyorsító megaprojekt költsége jelenti, hanem az, hogy az LHC egyelőre nem mutatta a standard modellen túlmutató fizika jeleit. Sok elméleti fizikus azzal számolt, hogy az LHC a standard modellt kiterjesztő szuperszimmetria vagy a sötét anyagot alkotó hipotetikus szuperszimmetrikus részecskék jeleit fogja érzékelni, de ez egyelőre nem történt meg. Mint ahogy arra sincs garancia, hogy a tervezett gyorsító energiaszintjei elegendőek a merőben újfajta fizika felfedezéséhez.

A Nature által megszólaltatott Sabine Hossenfelder, a frankfurti magas szintű tudományok intézetének (FIAS) elméleti fizikusa így nyilatkozott a tudományos folyóiratnak:

„Semmi okunk nincs azt gondolni, hogy újfajta fizikának kellene lennie abban az energiatartományban, amelyet egy ilyen gyorsító el tudna érni. Mindenkinek ez a rémálom forog a fejében, de senki nem akar róla beszélni.”

A tervezet publikálását heves, néhol személyeskedő viták követték a részecskefizikusok között, olyannyira, hogy a Nature külön szerkesztőségi cikkben hívta fel a figyelmet arra, hogy higgadt és minden érvet-ellenérvet gondosan elemző vitára van szükség a kérdés megtárgyalásához.

A 100 kilométeres gyorsító költségeinek egy részét, nagyjából 5 milliárd eurót tesz ki az alagút és a hozzá tartozó infrastruktúra létrehozása. Ahogy arról beszámoltunk, Elon Musk, a Tesla és a SpaceX mellett az alagútfúrással és városi közlekedéssel foglalkozó Boring cég igazgatója már felajánlotta segítségét a CERN-nek.

Nem szabad megfeledkezni arról sem, hogy Kínának hasonló tervei vannak egy 100 kilométeres elektron-pozitron-gyorsító létrehozására. Amikor az Egyesült Államok 1993-ban leállította az építés alatt álló, rendkívül ambiciózus szupravezető szupergyorsító projektet, elveszítette vezető szerepét a kísérleti részecskefizikában. Az LHC megépülésével a tudományág központja a CERN-be, és így Európába került.