Recentemente, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) apresentou um projeto conceitual para o Future Circular Collider (FCC), que deve substituir o Large Hadron Collider. O conceito prevê a criação de um túnel de 100 km de extensão nas proximidades de Genebra, no qual se planeja colocar anéis aceleradores sequencialmente para trabalhar com feixes de vários tipos: de elétrons a núcleos pesados. Por que os físicos precisam de um novo colisor, que tarefas ele resolverá e que papel os cientistas da Rússia desempenham nisso, um participante do projeto FCC, professor da Universidade Nacional de Pesquisa Nuclear MEPhI (NRNU MEPhI), Vitaly Okorokov disse à RIA Novosti.
- Vitaly Alekseevich, por que os físicos precisam do Future Ring Collider?- O projeto FCC é um dos pontos mais importantes da nova edição da Estratégia Europeia para a Física de Partículas, que está a ser elaborada hoje. Cientistas da Rússia participam de projetos internacionais nesta área da ciência fundamental, tanto em pesquisas em aceleradores como em experimentos sem aceleradores. Na física moderna, o mundo das partículas elementares é descrito pelo chamado Modelo Padrão - teoria quântica de campos, que inclui interações eletromagnéticas fortes e fracas. A composição das partículas fundamentais neste modelo foi totalmente confirmada experimentalmente com a descoberta do bóson de Higgs em 2012 no Large Hadron Collider (LHC). No entanto, as respostas a muitas questões importantes, por exemplo, sobre a natureza da matéria escura, sobre o surgimento de assimetria de matéria e antimatéria no Universo observável, e assim por diante, estão além do escopo do Modelo Padrão. Para encontrar soluções para os principais problemas da física fundamental, os cientistas estão projetando complexos de aceleradores novos e cada vez mais poderosos. - Quais tarefas o Future Ring Collider resolverá? - Esta é a medição dos parâmetros do Modelo Padrão com uma precisão inatingível antes, um estudo detalhado das transições de fase e propriedades da matéria ocorrendo no Universo muito antigo sob condições extremas, a busca por sinais de novas físicas fora do Modelo Padrão, incluindo partículas de matéria escura. Do ponto de vista da física, é muito interessante estudar as propriedades da interação forte em energias ultra-altas e desenvolver uma teoria que a descreva - a cromodinâmica quântica.- Quais tarefas o Future Ring Collider resolverá? - Esta é a medição dos parâmetros do Modelo Padrão com uma precisão inatingível antes, um estudo detalhado das transições de fase e propriedades da matéria ocorrendo no Universo muito antigo sob condições extremas, a busca por sinais de novas físicas fora do Modelo Padrão, incluindo partículas de matéria escura. Do ponto de vista da física, é muito interessante estudar as propriedades da interação forte em energias ultra-altas e desenvolver uma teoria que a descreva - a cromodinâmica quântica.- Quais tarefas o Future Ring Collider resolverá? - Esta é a medição dos parâmetros do Modelo Padrão com uma precisão inatingível antes, um estudo detalhado das transições de fase e propriedades da matéria ocorrendo no Universo muito antigo sob condições extremas, a busca por sinais de novas físicas fora do Modelo Padrão, incluindo partículas de matéria escura. Do ponto de vista da física, é muito interessante estudar as propriedades da interação forte em energias ultra-altas e desenvolver uma teoria que a descreva - a cromodinâmica quântica.é muito interessante estudar as propriedades de interação forte em energias ultra-altas e desenvolver uma teoria que a descreva - a cromodinâmica quântica.é muito interessante estudar as propriedades de interação forte em energias ultra-altas e desenvolver uma teoria que a descreva - a cromodinâmica quântica.- Qual é a essência desta teoria?- Segundo ele, as partículas chamadas hádrons, por exemplo, prótons e nêutrons, possuem uma estrutura interna complexa formada por quarks e glúons - as partículas fundamentais do Modelo Padrão envolvidas em interações fortes. De acordo com os conceitos existentes, quarks e glúons estão confinados dentro dos hádrons e, mesmo em condições extremas, podem ser quase livres apenas em escalas lineares da ordem do tamanho de um núcleo atômico. Esta é uma característica fundamental de uma interação forte, que foi confirmada por um grande número de estudos experimentais e teóricos. No entanto, o mecanismo deste fenômeno mais importante - o confinamento de quarks e glúons (confinamento) - ainda não foi determinado. Por várias décadas, o problema do confinamento foi invariavelmente incluído em todos os tipos de listas dos principais problemas não resolvidos da física fundamental. No âmbito do projeto FCC, pretende-se obter novos dados experimentais e avançar significativamente na compreensão das propriedades de interações fortes, em particular, confinamento.- Quais ferramentas devem resolver esses problemas?- Uma abordagem integrada é usada para realizar um extenso programa de pesquisa, segundo o qual o projeto FCC inclui duas etapas. O primeiro estágio "FCC-ee" envolve a criação de um colisor elétron-pósitron com um feixe de energia na faixa de 44 a 182,5 gigaeletronvolts. Na segunda etapa, serão realizados experimentos de "FCC-hh" em feixes de prótons e núcleos em colisão. Nesse caso, supõe-se que acelere prótons a uma energia de 50 teraeletronvolts e núcleos pesados (chumbo) - até 19,5 teraeletronvolts. Isso é mais de sete vezes as energias alcançadas no complexo operacional mais poderoso do LHC. Prevê-se utilizá-lo, em conjunto com toda a infraestrutura existente, para a obtenção de feixes de partículas aceleradas antes de serem introduzidos no anel principal de 100 quilômetros do novo colisor FCC-hh. A construção de um acelerador linear externo de elétrons com energia de 60 GeV possibilitará a implementação de um programa de estudo detalhado da estrutura interna de um próton por espalhamento elétron-próton inelástico profundo (FCC - eh).- O desenvolvimento e construção de instalações deste nível leva décadas. Quando a construção começará? Quando se espera que os primeiros resultados científicos sejam obtidos?- Caso o conceito seja adotado, o início da implantação do programa integral do FCC está previsto para 2020. A construção do colisor de leptões FCC-ee levará cerca de 18 anos, com uma duração de trabalho subsequente de cerca de 15 anos. Acontece que a duração da primeira etapa será de cerca de 35 anos. Durante o funcionamento do FCC-ee, terá início a preparação da segunda etapa do projeto. De acordo com o conceito, dentro de dez anos após o término da operação do FCC-ee, ele será desmontado, o anel colisor de hádron será erguido e os detectores serão instalados. A obtenção de novos dados para feixes de prótons e nucleares está planejada para meados de 2060. A duração da operação do FCC com feixes de prótons e nucleares está prevista para cerca de 25 anos, e a duração total da segunda fase é de cerca de 35 anos. Assim, presume-se que os experimentos no FCC continuarão até o final do século XXI. Este projeto será verdadeiramente global.
Qual o papel dos cientistas da Rússia, em particular do NRNU MEPhI, no projeto da FCC?
- NRNU MEPhI, junto com outras organizações russas, participa ativamente do projeto FCC e realiza trabalhos científicos tanto para o programa físico de pesquisas futuras quanto para o complexo de aceleradores.
Cientistas do NRNU MEPhI deram uma contribuição ao conceito de FCC, em particular, no primeiro volume, que contém uma descrição do programa físico geral para todos os tipos de feixes planejados, e no terceiro volume, dedicado à pesquisa com feixes de prótons e nucleares (FCC - hh).
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- Como mencionado acima, em temperaturas extremamente altas (centenas de milhares de vezes mais altas do que no centro do Sol) e densidades de energia, quarks e glúons podem se tornar quase livres em escalas nucleares, formando um novo estado da matéria, que geralmente é chamado de plasma de quark-gluon.
Colisões de feixes de prótons e vários núcleos a energias ultraaltas do colisor FCC-hh permitirão investigar, em particular, as propriedades coletivas da matéria quark-gluon formada por interações de sistemas grandes (núcleos pesados) e pequenos (prótons-prótons, prótons-núcleo), fornecendo condições únicas para estudar as propriedades de estados de muitas partículas.
O planejado para FCC-hh, significativo, em comparação ao LHC, aumento na energia e luminosidade integral dos feixes abre possibilidades qualitativamente novas para estudar, por exemplo, o comportamento das partículas fundamentais mais pesadas do Modelo Padrão - o bóson de Higgs (cerca de 125 vezes mais pesado que um próton) e um quark t (mais pesado que um próton cerca de 175 vezes) - em matéria de quark-gluon quente e densa, bem como seu possível uso como "sondas" para determinar as propriedades desta matéria.
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No verão de 2014, durante uma discussão no Institute for High Energy Physics. A. A. Logunov do Centro Nacional de Pesquisa "Instituto Kurchatov" foi apresentada uma proposta para usar os bósons de Higgs para estudar as propriedades da matéria quark-gluon. Essa proposta foi incluída como um dos itens do programa de pesquisas com vigas de núcleos pesados do FCC. Em minha opinião, essa direção é de considerável interesse para a física das interações fortes.
Nós apenas tocamos em alguns aspectos de pesquisas futuras. O programa científico do FCC é muito extenso e o trabalho neste projeto está em andamento.
