Японский ускоритель SuperKEKB играет уникальную роль в пантеоне сокрушителей атомов во всем мире. Он находится на переднем крае того, что физики называют «границей интенсивности», и предназначен для обеспечения более чем в 40 раз большей скорости столкновений между частицами, чем его предшественник.
Изучение частиц, образующихся в этих столкновениях, даст физикам более четкое представление о фундаментальных строительных блоках Вселенной и предоставит новые возможности для изучения физики, выходящей за рамки сегодняшней стандартной модели физики элементарных частиц.
В прошлом месяце, фев.
10, ученые на ускорителе распространили пучок позитронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, через узкую трубку по 3-километровой окружности его главного кольца на глубине 10 метров под землей. На прошлой неделе, фев.
26 октября ученым удалось направить пучок электронов, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, в противоположном направлении. Эти два события знаменуют собой "первые повороты" устройства — веху, когда пучки частиц впервые проходят через много оборотов ускорителя.
В следующем году SuperKEKB будет ускорять два луча одновременно, сжимать их до меньшей площади, чем любой другой ускоритель на Земле, а затем сталкивать их вместе, чтобы произвести обильное количество B-мезонов и тау-лептонов — тяжелых частиц, распад которых может раскрыть новую физику.
Ученые, которые потратили годы на разработку коллайдера и его детекторов, затем потратят годы, просеивая научные плоды своих усилий.
Модернизированный коллайдер, расположенный в лаборатории KEK в Цукубе, Япония, был разработан и создан группой японских физиков-ускорителей. Детектор Belle II, который будет наблюдать частицы, образующиеся при столкновениях, был разработан командой из более чем 600 ученых из 99 учреждений в 23 странах на четырех континентах.
Семьдесят пять U.S. в создании Belle II принимали участие ученые из 14 институтов. U.S. Управление науки Министерства энергетики профинансировало вклад страны, а Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория департамента возглавила эту работу.
Джим Фаст из PNNL — руководитель проекта U.S. вклад вместе с Дэвидом Аснером, главным научным сотрудником проекта. Профессор Том Браудер из Гавайского университета является представителем всего сотрудничества Belle II.
«Глобальное сотрудничество необходимо для решения наиболее актуальных вопросов физики элементарных частиц», — сказал Джеймс Сигрист, заместитель научного директора по физике высоких энергий в Управлении науки Министерства энергетики США. "Теперь страны должны специализироваться на объектах, которые они строят, и предоставлять доступ к этим объектам физикам со всего мира. Мы ценим то, что Япония принимает этот объект мирового класса, где U.S. физики будут изучать взаимодействия редких частиц и искать новую физику, в свою очередь добавляя новые современные компоненты в детектор международного коллаборации Belle II."
Нано-лучи для исследования новой физики
В SuperKEKB кольца из магнитов ускоряют электроны в одном направлении, а их антиматериальный эквивалент, позитроны, в противоположном направлении. Каждый поток частиц невероятно тонкий, примерно одну тысячную ширины человеческого волоса.
Изучение взаимодействий — какие частицы создаются и что с ними происходит — дает ученым беспрецедентный взгляд на некоторые фундаментальные строительные блоки Вселенной и силы, связывающие их вместе. SuperKEKB — одно из немногих мест на планете, где ученые могут найти ответы на некоторые из самых фундаментальных вопросов о нашей Вселенной.
В ускорителях элементарных частиц, таких как SuperKEKB и другие, ученые создают на Земле частицы, которые не наблюдались во Вселенной в естественных условиях с первых моментов Большого взрыва.
Коллайдер предназначен для изучения «новой физики», которая выходит за рамки того, что ученые называют Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Эта модель выдержала четыре десятилетия изучения, но есть вопросы, которые продолжают беспокоить физиков. Во-первых: согласно теории Большого взрыва, материя и антивещество были созданы в равных количествах в начале Вселенной, и они должны были полностью уничтожить друг друга в первую секунду или около того существования Вселенной. Космос должен быть полон света и мало чего другого. Какая тонкая разница в физике материи и антиматерии оставила во Вселенной избыток материи — звезды, которые мы видим, планету, на которой мы живем, и нас самих?
Belle II и SuperKEKB созданы, чтобы найти ответы с изяществом. SuperKEKB будет иметь самую высокую в мире интенсивность среди всех ускорителей, в 40 раз больше, чем его предшественник KEK. Это означает, что коллайдер создаст больше интересных столкновений, чем любой другой коллайдер на планете.
Чтобы создать такую высокую интенсивность, ученые начинают с создания пучков электронов и позитронов и удерживают их в плотном загоне с помощью более чем 1000 магнитов, когда они проносятся вокруг ускорителя 100000 раз в секунду.
Частицы в конечном итоге фокусируются в «нано-лучи» — лучи настолько сжаты, что, когда они сталкиваются вместе, частицы внутри с гораздо большей вероятностью столкнутся. Объем столкновений позволит ученым с беспрецедентной точностью изучать очень редкие события.
Чтобы наблюдать за взаимодействием, ученые обратятся к детектору Belle II. Цифровая «камера» размером с большой дом, сложный детектор включает в себя тысячи тонн самых современных материалов и электроники. Детектор будет записывать данные о 30 000 столкновений в секунду, все они происходят в области высотой всего 100 нанометров, меньше едва видимой точки текста. По оценкам ученых, в результате эксперимента будет получена одна из самых больших научных выборок данных, по крайней мере, несколько сотен петабайт — в несколько раз больше, чем все письменные работы в мировой истории.
ITOP для поиска каонов, пионов
Центральное место в U.S. вклад в Belle II — детектор "времени распространения изображения", также называемый детектором iTOP.
ITOP поможет ученым точно определить, какие частицы создаются во время столкновений, анализируя свет, излучаемый частицами, когда они проходят через плиты кварца. Это позволит команде различать частицы, известные как пионы, состоящие из верхних и нижних кварков, и каоны, состоящие из странных кварков с верхними и нижними кварками.
"Предыдущие необъяснимые измерения показали, что в стандартной модели есть дыры. Цель Belle II — помочь нам понять новую физику, выходящую за рамки стандартной модели.
Наш подход заключается в том, чтобы сосредоточиться на очень редких процессах распада с большой точностью, чтобы найти ответы », — сказал Фаст из PNNL, который руководит созданием iTOP для коллаборации Belle II.
SuperKEKB известен как «B-фабрика», потому что он производит частицы, известные как B-мезоны, которые быстро распадаются на другие частицы. В течение следующих семи лет ученые ожидают, что коллайдер произведет более 200 миллиардов B-мезонов.
Столкновения также обычно создают частицы, известные как тау-лептоны, которые высоко ценятся физиками элементарных частиц. Сортировка данных и выделение интересующих взаимодействий — чрезвычайно редких событий — позволяет заглянуть в фундаментальные законы природы.
По оценкам исследователей, с обновлением они увидят примерно в 40 раз больше "столкновений интересов", чем до обновления.
PNNL тесно сотрудничает с исследователями KEK в течение нескольких лет. После катастрофы на Фукусиме в 2011 году PNNL помогла сотрудникам по всему миру управлять огромным объемом данных, связанных с проектом.
Около двух десятков ученых из PNNL внесли свой вклад в Belle II, около половины из них работали непосредственно с созданием детектора, а другая половина помогала управлять данными.
U.S. институты, способствующие Belle II, включают:
Университет Цинциннати
Университет Карнеги Меллон
Университет Флориды
Гавайский университет
Университет Индианы
Государственный университет Кеннесо
Колледж Лютера
Университет Миссисипи
Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория
Питтсбургский университет
Университет Южной Алабамы
Университет Южной Каролины
Политехнический институт Вирджинии
Государственный университет Уэйна