Dies ist nicht der richtige Zeit für einen größeren Teilchenbeschleuniger. Aber CERN, das europäische Physikzentrum mit Sitz in Genf, Schweiz, hat Pläne – große Pläne. Die größte Teilchenphysik-Einrichtung der Welt, in der derzeit der größte Teilchenkollider der Welt betrieben wird, hat angekündigt, eine noch größere Maschine zu bauen, wie in einer Pressekonferenz und Veröffentlichung heute bekannt gegeben wurde.
Damit Das CERN hat beschlossen, den ersten Schritt eines Plans für den Future Circular Collider (FCC) fortzusetzen, der in einem ringförmigen Tunnel mit einem Umfang von 100 Kilometern oder etwas mehr als 60 Meilen untergebracht ist. Diese Maschine könnte letztendlich Kollisionsenergien von 100 Tera-Elektronen-Volt erreichen, etwa das Sechsfache der Kollisionsenergie des derzeit betriebenen Large Hadron Collider (LHC). Durch das Erreichen beispiellos hoher Energien würde der neue Kollider den bisher tiefsten Einblick in die Struktur der Materie ermöglichen und die Möglichkeit bieten, neue Teilchen zu finden.
Ob die vollständige Vision entstehen wird, ist noch unklar. Das CERN hat jedoch angekündigt, dass es für die Organisation von „hoher Priorität“ ist, den ersten Schritt auf dem Weg zur FCC zu unternehmen: einen geeigneten Standort für den Tunnel zu finden und eine Maschine zu bauen, mit der Elektronen und Positronen bei Energien kollidieren können, die denen des LHC ähnlich sind (die jedoch Protonen auf Protonen verwendet). Die Entscheidung, ob das CERN dann zu den Kollisionen zwischen Protonen mit hoher Energie übergeht, wird erst nach mehreren Jahren des Studierens und Überlegens getroffen.
Dieser erste Schritt wurde ebenfalls synchronisiert eine „Higgs-Fabrik“, weil sie speziell für die Produktion großer Mengen von Higgs-Bosonen entwickelt wurde. Das 2012 am CERN entdeckte Higgs-Boson war das letzte fehlende Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Mit der neuen Maschine möchten Teilchenphysiker ihre Eigenschaften und die Eigenschaften einiger zuvor entdeckter Teilchen genauer messen. (Japan erwägt den Bau eines Linearcolliders mit einem ähnlichen Zweck wie die Higgs-Fabrik des CERN, aber das an der Idee arbeitende Komitee hat in seinem letztjährigen Bericht keine endgültige Entscheidung getroffen. China erwägt einen Circular Collider, der in Umfang und Größe dem vollständigen FCC-Plan des CERN ähnelt Eine Entscheidung wird jedoch erst im nächsten Jahr erwartet.)
Aber CERNs Plan würde, wenn er vollständig ausgeführt würde, mehrere zehn Milliarden Dollar kosten. Genaue Zahlen sind nicht verfügbar, da die vom CERN vorgelegten Budgetschätzungen normalerweise nicht die Betriebskosten enthalten. Angesichts der laufenden Kosten für den Large Hadron Collider würden sich diese Kosten für den neuen Collider wahrscheinlich auf mindestens 1 Milliarde US-Dollar pro Jahr belaufen. Für eine Anlage, die 20 Jahre oder länger in Betrieb sein kann, ist dies mit den Baukosten vergleichbar.
Dies sind zweifellos atemberaubende Zahlen. In der Tat sind Teilchenkollider derzeit die teuersten existierenden physikalischen Experimente. Ihr Preis ist höher als der selbst der nächst teuersten Art von Experimenten, Teleskopen auf Satellitenmissionen.
Der Hauptgrund, warum die Kosten so hoch sind, ist, dass es seit den 1990er Jahren nur inkrementelle gab Verbesserungen in der Collider-Technologie. Infolgedessen besteht der einzige Weg, um heute höhere Energien zu erreichen, darin, größere Maschinen zu bauen. Es ist die schiere physische Größe – die langen Tunnel, die vielen Magnete, die sie füllen müssen, und alle Menschen, die dafür benötigt werden -, die Partikelkollider so teuer macht.
Aber während die Kosten für diese Kollider hat zugenommen, ihre Relevanz hat abgenommen. Als die Physiker in den 1940er Jahren mit dem Bau von Kollidern begannen, verfügten sie nicht über ein vollständiges Inventar der Elementarteilchen, und sie wussten es. Neue Messungen brachten neue Rätsel hervor und sie bauten größere Collider, bis das Bild 2012 vollständig war. Das Standardmodell hat noch einige lose Enden, aber das experimentelle Testen dieser würde Energien erfordern, die mindestens zehn Milliarden Mal höher sind als das, was selbst die FCC testen könnte. Der wissenschaftliche Fall für einen nächst größeren Collider ist daher derzeit schlank.
Natürlich ist es möglich, dass ein nächst größerer Collider eine bahnbrechende Entdeckung macht. Einige Physiker hoffen zum Beispiel, dass es Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie geben könnte.
Ja, man kann hoffen. Es gibt jedoch keinen Grund, warum die Partikel, aus denen dunkle Materie oder dunkle Energie bestehen, im Energiebereich des neuen Geräts erscheinen sollten. Und das setzt voraus, dass es sich zunächst um Partikel handelt, für die es keine Beweise gibt. Selbst wenn es sich um Partikel handelt, sind hochenergetische Kollisionen möglicherweise nicht der beste Weg, um nach ihnen zu suchen. Schwach wechselwirkende Partikel mit winzigen Massen sind beispielsweise bei großen Kollidern nicht zu suchen.
Und es gibt ganz andere Arten von Experimenten, die zu Durchbrüchen bei weitaus geringeren Kosten führen können, wie z. B. hochpräzise Messungen bei niedrigen Energien oder Erhöhung der Massen von Objekten in Quantenzuständen.Zu höheren Energien zu gehen ist nicht der einzige Weg, um Fortschritte in den Grundlagen der Physik zu erzielen. Es ist nur das teuerste.
In dieser Situation sollten sich Teilchenphysiker auf die Entwicklung neuer Technologien konzentrieren, die Kollider in eine vernünftige Preisspanne zurückbringen und das Graben weiterer Tunnel verzögern könnten. Die vielversprechendste Technologie am Horizont ist eine neue Art der „Nachlauffeld“ -Beschleunigung, die den Abstand, der zur Beschleunigung von Partikeln erforderlich ist, drastisch verringern und damit die Größe von Kollidern verringern könnte. Eine weitere bahnbrechende Technologie wären Supraleiter bei Raumtemperatur, die dies könnten Machen Sie die starken Magnete, auf die sich Collider verlassen, effizienter und erschwinglicher.
Die Untersuchung dieser neuen Technologien gehört ebenfalls zu den Prioritäten des CERN. Wie das Strategie-Update zeigt, sind Teilchenphysiker nicht mit ihrer neuen Realität aufgewacht Collider mit größeren Partikeln haben ihren Lauf genommen. Sie haben heute wenig wissenschaftlichen Return on Investment und gleichzeitig fast keine gesellschaftliche Relevanz. Große wissenschaftliche Projekte kommen im Allgemeinen der Bildung und der Infrastruktur zugute, aber dies ist nicht spezifisch für Collider von Partikeln. Und wenn ja Diese Nebenwirkungen sind das, woran wir wirklich interessiert sind. Dann sollten wir zumindest unser Geld in wissenschaftliche Forschung mit gesellschaftlicher Relevanz stecken.
Warum, f Oder haben wir zum Beispiel noch kein internationales Zentrum für Klimavorhersagen, das nach aktuellen Schätzungen „nur“ 1 Milliarde US-Dollar über 10 Jahre kosten würde? Das sind Erdnüsse im Vergleich zu dem, was die Teilchenphysik aufsaugt, aber weitaus wichtiger. Oder warum, haben Sie sich vielleicht kürzlich gefragt, haben wir kein Zentrum für epidemische Modellierung?
Das liegt daran, dass zu viel Wissenschaftsfinanzierung auf der Grundlage der Trägheit ausgegeben wird. Im vergangenen Jahrhundert hat sich die Teilchenphysik zu einer großen, sehr einflussreichen und gut vernetzten Gemeinschaft entwickelt. Sie werden so lange wie möglich größere Teilchenkollider bauen, einfach weil dies Teilchenphysiker tun, ob dies nun sinnvoll ist oder nicht.
Es ist an der Zeit, dass die Gesellschaft einen aufgeklärteren Ansatz zur Finanzierung großer wissenschaftlicher Projekte verfolgt als weiterhin Geld an diejenigen zu geben, denen sie zuvor Geld gegeben haben. Wir haben größere Probleme als das Messen der nächsten Ziffer an der Masse des Higgs-Bosons.