Natuurkundigen in Europa hebben een briefingboek van 250 pagina’s gepubliceerd om de toekomst van het fundamenteel deeltjesonderzoek in kaart te brengen.
Het document is het resultaat van een intense inspanning om de status en vooruitzichten voor experiment, theorie, versnellers, informatica en andere vitale machines van hoge-energiefysica vast te leggen.
Vorig jaar kreeg de Europese Strategiegroep (ESG) – bestaande uit wetenschappelijke afgevaardigden van de aangesloten en geassocieerde lidstaten van CERN, directeuren en vertegenwoordigers van grote Europese laboratoria en organisaties en genodigden van buiten Europa – de taak om de volgende update te formuleren van de Europese strategie voor deeltjesfysica. Nikhef-directeur Stan Bentvelsen is een van de auteurs.
Na een oproep tot input in september 2018, die 160 inzendingen trok, werd op 13-16 mei in Granada, Spanje, een open symposium gehouden, waarbij meer dan 600 afgevaardigden de potentiële verdiensten en uitdagingen van de voorgestelde onderzoeksprogramma’s bespraken. Het ESG briefingboek distilleert input van de werkgroepen en het symposium van Granada om een objectieve wetenschappelijke samenvatting te geven.
‘Dit document is het resultaat van maanden werk van honderden mensen en er is alles aan gedaan om de ingediende input objectief te analyseren’, zegt ESG-voorzitter Halina Abramowicz van de universiteit van Tel Aviv. ‘Het neemt geen standpunt in over het strategieproces zelf of over individuele projecten, maar is eerder bedoeld om het vooruitstrevende denken van de gemeenschap te vertegenwoordigen en de belangrijkste input te zijn voor de redactionele sessie in Duitsland in januari.’
Een belangrijk element van de update van de Europese strategie is om te overwegen welke grote versneller de LHC moet volgen. Het symposium van Granada liet zien dat er duidelijke steun is voor een elektron-positron-botser om het Higgs-boson in meer detail te bestuderen. Maar er zijn vier mogelijke opties in verschillende stadia van ontwikkeling: een International Linear Collider (ILC) in Japan, een Compact Linear Collider (CLIC ) of een Future Circular Collider (FCC-ee) bij CERN en een Circular Electron Positron Collider (CEPC) in China.
Het briefingboek stelt dat CLIC en FCC-ee in een wereldwijde context concurreren met de ILC en met CEPC. Als Higgs-fabrieken, echter, vindt het rapport alle vier vergelijkbaar, zij het met verschillende tijdschema’s en met verschillende mogelijkheden voor de studie van fysica-onderwerpen bij andere energieën.
De briefing bekijkt ook ontwerpstudies in Europa voor versnellers die de energiegrenzen verleggen, waaronder een 3 TeV CLIC en een 100 TeV circulaire hadron-botser (FCC-hh). In het boek worden de geschatte tijdschema’s voor het ontwikkelen van sommige van deze technologieën beschreven. Daarbij wordt opgemerkt dat de ontwikkeling van 16 Tesla dipoolmagneten voor FCC-hh een vergelijkbare tijd (ongeveer 20 jaar) zal duren als wordt voorspeld voor nieuwe versnellingstechnologieën zoals plasma-wakefield.
‘Het symposium van Granada en het briefingboek vermelden de dringende behoefte aan intensivering van R&D op het gebied van deeltjesversnellers, inclusief die voor muon-botsers’, zegt Lenny Rivkin van Paul Scherrer Institut, die organisator was van het hoofdstuk over wetenschap en technologie op het gebied van gaspedalen. ‘Een ander belangrijk aspect van de strategie-update is het herkennen van de potentiële impact van de ontwikkeling van versneller en bijbehorende technologie op de vooruitgang in andere takken van wetenschap, zoals astrodeeltjesfysica, kosmologie en nucleaire fysica.’
Het grootste deel van het briefingboek beschrijft het huidige natuurkundelandschap en de vooruitzichten voor vooruitgang, met hoofdstukken gewijd aan electrozwakke-fysica, sterke interacties, quarkfysica, neutrino’s, kosmische boodschappers, fysica voorbij het standaardmodel en verkenning van donkere materie.
Een apart hoofdstuk over theorie benadrukt het belang van het houden van theoretisch onderzoek in fundamentele fysica ‘vrij en divers’ en niet alleen beperkt tot de doelen van lopende experimentele projecten. Het verwijst naar historische succesverhalen zoals het gevierde artikel uit 1964 van Peter Higgs, waarin het Higgsdeeltje werd voorspeld. Dat werd in 2012 gevonden.
‘Hoewel de afgelopen zeven jaar sinds de ontdekking van het Higgs-boson een verbazingwekkende hoeveelheid vooruitgang is geboekt, is onze kennis van de koppelingen van het Higgs-boson met de W en Z en met derde generatie geladen fermionen vrij onnauwkeurig, en de koppelingen van het Higgs-boson aan de andere geladen fermionen en aan zichzelf zijn ongemeten’, zegt Beate Heinemann van DESY, die het electroweak-hoofdstuk van het rapport organiseerde. ‘De noodzaak om dit unieke deeltje te bestuderen komt voort uit de speciale eigenschappen en de speciale rol die het zou kunnen spelen bij het oplossen van enkele van de huidige puzzels van het universum, bijvoorbeeld donkere materie, de materie-antimaterie asymmetrie of het hiërarchieprobleem.’
Lezers worden eraan herinnerd dat de ontdekking van neutrino-oscillaties een ‘laboratorium-bewijs’ van fysica vormt voorbij het Standaard model. In het briefingboek wordt ook gewezen op de belangrijke rol die Europa, via CERN, speelt in neutrino-experimenten sinds de laatste strategie-update die in 2013 werd afgesloten. Ook quarkfysica zou voorop moeten blijven lopen in de Europese strategie, stelt het. Smaak- en CP-schending in de quark- en leptonsector aan verschillende energiegrenzen ‘heeft een groot potentieel om tegen redelijke kosten tot nieuwe fysica te leiden’. Een onafhankelijke bepaling van de protonstructuur is nodig als huidige en toekomstige hadron-botsers moeten worden omgezet in precisiemachines, rapporteert het hoofdstuk over sterke interacties en een divers wereldwijd programma gebaseerd op fixed-target experimenten, evenals toegewijde elektronen-proton botsers in situ.
Europa heeft ook de mogelijkheid om een leidende rol te spelen in de zoektocht naar donkere materie ‘door de mogelijkheden van de CERN-faciliteiten, zoals de SPS, de potentiële Beam Dump-faciliteit en de LHC zelf, volledig te benutten en door het programma van zoekt naar axions voor andere Europese instellingen’. Het briefingboek wijst op de sterke complementariteit tussen versneller en astrofysische zoektocht naar donkere materie, en de vraag naar diepere technologische uitwisseling tussen deeltjes- en astrodeeltjesfysica.
De diversiteit van het experimentele natuurkundeprogramma is een sterk kenmerk van de strategie-update. Het briefingboek wijst op puzzels die niet zijn veranderd in het post-Run 2 LHC-tijdperk – zoals de oorsprong van elektroweak symmetry breaking, de aard van het Higgs-boson, het patroon van quark- en leptonmassa’s en de aard van de neutrino – dat kan ook worden onderzocht door kleinschalige experimenten met lagere energieën, zoals onderzocht door CERN’s speciale Physics Beyond Colliders-initiatief.
Ten slotte erkent het rapport bij het aanpakken van de vitale rollen van de ontwikkeling van detectoren en versnellers, computing en instrumentatie zowel het groeiende belang van energie-efficiëntie als de risico’s van ‘de beperkte hoeveelheid succes bij het aantrekken, ontwikkelen en behouden van experts op het gebied van instrumentatie en computing’, erop aandringen dat dergelijke activiteiten correct worden erkend als fundamentele onderzoeksactiviteiten. De sterke ondersteuning in informatica en infrastructuur is ook de sleutel tot het succes van de LHC met hoge lichtsterkte, die volgens het rapport de komende twee decennia ‘een zeer dynamisch programma zal zijn dat een groot deel van de gemeenschap in beslag neemt’ – inclusief een bepaling van de koppelingen tussen het Higgs-boson en deeltjes van het standaardmodel ‘op procentniveau’.
Na het opstellen van een eindversie op 20-24 januari in Bad Honnef, Duitsland, zal de ESG in mei 2020 in Boedapest, Hongarije zijn aanbevelingen voor de goedkeuring van de CERN-raad indienen.
‘Nu komt het meest uitdagende deel van het strategie-updateproces: hoe we de opwindende en goed gemotiveerde wetenschappelijke voorstellen van de gemeenschap kunnen omzetten in een haalbare en coherente strategie die vooruitgang en een mooie toekomst voor de deeltjesfysica in Europa zal garanderen’, zegt Abramowicz . ‘Het belang ervan kan niet worden overschat en komt op een moment dat het veld op verschillende kruispunten en beslissingen staat over hoe de voortgang in fundamentele verkenning het best kan worden gehandhaafd, mogelijk voor toekomstige generaties.’
(Matthew Chalmers, CERN Courier)