Önerilen FCC entegre programı, CERN çevresindeki Fransa-İsviçre bölgesinde, parçacık fiziği için yeni bir araştırma altyapısına ev sahipliği yapabilecek 91 km uzunluğunda yeni bir dairesel tünel öngörüyor.
Yeni tünel başlangıçta, Higgs bozonunun ve diğer Standart Model parçacıklarının özelliklerinin hassas bir şekilde ölçülmesine olanak sağlayan bir elektron-pozitron çarpıştırıcısına (FCC-ee) ev sahipliği yapacak. İkinci adım ise, süper iletken ve manyetik teknolojilerdeki gelişmelerin ardından 100 TeV veya daha yüksek çarpışma enerjileri (yani LHC’nin enerjisinin 8 katı) sunan bir enerji sınır proton çarpıştırıcısı (FCC-hh) olacaktır.
FCC projesi, önceki Büyük Bilim projelerinin geleneğine uygun olarak, yüksek enerji fiziğinin ötesindeki uygulamalar için gelişmiş teknolojilerin endüstriyle birlikte geliştirilmesi fırsatlarını sunarken, parçacık hızlandırıcılarındaki temel performans unsurlarını sürdürülebilir bir şekilde doğrulayacaktır.
FCC iş birliği, AB tarafından finanse edilen Horizon 2020 FCCIS projesinin desteğiyle, 21. yüzyılın sonuna kadar her iki alanda da verimli keşifler yapmayı sağlayacak yeni bir araştırma altyapısının tasarım ve uygulama planının yol haritasının geliştirilmesini desteklemek amacıyla bir Fizibilite Çalışması başlattı.
Yoğunluk sınırı lepton çarpıştırıcısı
Önerilen dairesel lepton çarpıştırıcısı (FCC-ee), 80 ila 400 GeV enerji aralığını kapsayan, en yüksek ışınım yoğunluğuna sahip bir Higgs ve elektrozayıf fabrika enerji sınırı elektron-pozitron çarpıştırıcısıdır (FCC-ee). Dairesel lepton çarpıştırıcısının temiz ortamı, trilyonlarca (5·10¹² ) Z bozonu, 10⁸ W çifti ve milyonlarca (10⁶ ) Higgs bozonu ve üst kuark çifti örneğiyle Z, W, Higgs ve üst parçacıklarını yüksek hassasiyetle incelemeye olanak tanıyacaktır. FCC-ee’nin zengin fizik olanakları, hassas ölçümler, zayıf bağlantılı parçacık duyarlılığı ve nadir süreç çalışmaları kombinasyonunu içerir ve bu da parçacık fiziğini uzun yıllar boyunca şekillendirecek ve ona meydan okuyacaktır.
Birçok deneysel gerçek, Standart Modelin genişletilmesini gerektiriyor; özellikle: Evrende maddenin antimaddeye üstünlüğü; astronomik ve kozmolojik gözlemlerden elde edilen karanlık madde kanıtları; ve parçacık fiziğine daha yakın olarak, nötrino kütlelerinin elektronunkinden yaklaşık 10⁻⁷ kat daha küçük olması . Bu sorulara olası çözümler, çok geniş bir kütle ölçeği ve etkileşim gücü aralığında ortaya çıkabilen yeni parçacıkların veya olayların varlığını gerektiriyor gibi görünüyor. Yeni parçacıkların keşfi, gerçek gözlemlerinden önce, geçmişte genellikle uzun bir deney geçmişine ve teori olgunlaşmasına dayalı tahminlerle yönlendirilmiştir. Bu bağlamda, belirli elektrozayıf hassas gözlemlerin hassasiyetinde belirleyici bir iyileşme, Higgs bozonu, üst kuark, tau leptonu ve tılsım ve güzellik kuarklarını içeren hadronların özelliklerinin diğer hassas ölçümleriyle birleştiğinde, geniş bir yelpazedeki yeni fizik olasılıklarına duyarlılığı entegre ederek çok önemli bir rol oynayabilir. FCC-ee’nin temiz ortamı ve yüksek parlaklığı, Standart Model’den küçük sapmalar, yasaklanmış bozunma süreçleri veya çok küçük etkileşimlere sahip yeni parçacıkların üretimi gibi yeni fizik belirtilerine karşı eşi benzeri görülmemiş bir hassasiyet sunacaktır.
FCC-ee’nin her bir temel ‘bileşeni’ daha önce bir veya birkaç çarpıştırıcıda veya test tesisinde zaten kanıtlanmıştır. Bu kanıtlanmış bileşenler arasında, örneğin, ışınların dikey nokta boyutu ve enine emittansları, senkrotron radyasyonu foton enerjileri ve birim uzunluk başına senkrotron radyasyonu gücü, demet yükü, ‘yengeç beli’ çarpışma şeması, radyo frekans sistemi ve pozitron üretim hızı yer almaktadır. FCC-ee gibi dairesel lepton çarpıştırıcılarının en büyük avantajlarından biri, hem entegre parlaklıkta hem de güç tüketimi birimi başına parlaklıkta net bir genel kazançla birden fazla etkileşim noktasına hizmet etme olasılığıdır.
FCC-hh: Enerji sınırındaki hadron çarpıştırıcısı
FCC-hh, entegre ışınım yoğunluğu LHC’nin ömrü boyunca elde edilecek olandan en az 5 kat daha büyük olan 100 TeV’lik bir hadron çarpıştırıcısına odaklanmaktadır. Benzeri görülmemiş kütle merkezi çarpışma enerjisi, FCC-hh’yi Standart Modelin ötesindeki fiziği keşfetmek için benzersiz bir araç haline getirecek ve yeni fizik ve keşiflere büyük bir doğrudan hassasiyet sunacaktır. FCC-hh, mevcut enerji sınırını neredeyse bir mertebe genişleterek, çoklu TeV bölgesinin doğrudan keşfi için potansiyel sunacaktır. Bu, Higgs öz-bağlantısının, elektrozayıf simetri kırılmasının dinamiklerini TeV ölçeğinde hassas ve kapsamlı bir şekilde keşfetmesini ve elektrozayıf faz geçişinin doğasını aydınlatmasını sağlayacaktır. Dahası, FCC-ee ve FCC-hh aşamaları arasındaki etkileşim, çok çeşitli benzersiz Higgs ölçümleri için esastır. FCC-hh ayrıca, termal karanlık madde adaylarının ya keşfedileceği ya da dışlanacağı için WIMP paradigması hakkında kesin bir cevap verecektir. Son olarak, FCC-ee’den alınan derslere dayanarak, bu yöntem bize, daha önceki FCC-ee aşamasında hassas ölçümlerle varlığı dolaylı olarak tahmin edilebilen yeni parçacıklara erişim sağlayabilir.
FCC-hh’nin yerleşim planı, FCC-ee yerleşim planıyla tutarlı olacak şekilde ve CERN’in mevcut hızlandırıcı kompleksiyle sorunsuz entegrasyona olanak sağlayacak şekilde geliştirilmiştir. Dahası, şu anda LHC’de olduğu gibi 4 adede kadar deneye ev sahipliği yapabilir.
Bu zaman çizelgesi, özel bir Ar-Ge programı aracılığıyla FCC-hh teknolojilerinin gerekli teknoloji hazırlık seviyesine getirilmesini, performanslarının iyileştirilmesini ve sürdürülebilir büyük ölçekli üretime olanak sağlanmasını mümkün kılmaktadır.
Enerji alanında çığır açan çarpıştırıcılar için kilit teknolojilerden biri , yüksek manyetik alanlı mıknatıslar ve bunların altında yatan süperiletkenlerdir . Devam eden LHC’nin Yüksek Lüminesans Yükseltmesi (HL-LHC), 11-12 T’lik tepe manyetik alanına sahip onlarca mıknatıs da dahil olmak üzere bu yönde önemli bir kilometre taşıdır. FCC-hh için, 16 T’lik çeşitli konfigürasyonlar ve yeni süperiletken malzemeler, yüksek sıcaklık süperiletkenleri seçenekleriyle birlikte şu anda test edilmektedir. Bir diğer önemli teknoloji ise, yeni soğutuculara dayalı enerji verimli bir kriyojenik soğutma altyapısı ve yüksek güvenilirlik dağıtım sistemidir. Son olarak, yüksek güçlü ışın transferinin optimizasyonu ve yerel mıknatıs enerji geri kazanımı, performansı iyileştirecek ve parçacık fiziğinin ötesinde uygulamalar bulacak teknolojiler arasındadır.
Tek bir proje olarak FCC-hh, yaklaşık 25 yıl boyunca küresel fizik topluluğuna hizmet edecektir. Aynı tünelde atılacak ilk adım olarak bir lepton çarpıştırıcısı (FCC-ee) ile birleştirildiğinde, 21. yüzyılın sonuna kadar sürecek küresel, çok on yıllık bir araştırma programı sağlayacaktır.
FCC Entegre Programı
Modern parçacık fiziğindeki açık soruları kapsamlı bir şekilde araştırmanın en etkili ve kapsamlı yaklaşımı, Standart Model ve elektrozayıf simetri kırılması hakkında kapsamlı bir anlayış elde etmek ve Standart Modelin ötesindeki olguların keşfi potansiyelini en üst düzeye çıkarmak için, sırasıyla lepton (FCC-ee) ve hadron (FCC-hh) çarpışma programlarını entegre eden aşamalı bir araştırma programıdır.
FCC, gelecekteki LHC Higgs’in mirasının en güçlü varisi olarak konumlanıyor. Bir yandan, ölçülebilir Higgs özelliklerinin aralığını genişleterek, diğer parçacıklarla olan etkileşimlerinin daha kesin ve modelden bağımsız olarak belirlenmesine olanak tanıyacak. Öte yandan, üstün hassasiyet ve enerji erişiminin birleşimi, yeni fiziğin dolaylı ve doğrudan araştırmalarının birbirini tamamladığı ve olası keşiflerin doğasını karakterize etmek için işbirliği yaptığı bir çerçeve sağlıyor. Buna ek olarak, yeni araştırma altyapısı, doğrusal çarpıştırıcı tesislerinde ulaşılamayan ağır iyon çarpışmaları ve elektron-proton saçılmasına (FCC-eh) dayalı bir dizi başka fizik fırsatı sunacaktır.
FCC entegre projesinin aşamalı yaklaşımı, uzun vadeli, maliyet ve enerji verimliliği yüksek en yüksek enerjili hadron çarpıştırıcısını inşa etmek için gereken ileri teknolojileri geliştirmek için yeni bir zaman dilimi yaratmaktadır. Bu entegre proje, CERN’in mevcut makine kompleksini, özellikle HL-LHC’yi, altyapılarını ve ön hızlandırıcılarını en iyi şekilde kullanmaktadır. Bunlar hem FCC-ee hem de FCC-hh için enjektör görevi görebilirler. Mevcut altyapının ve büyük ölçekli teknoloji araştırma projeleri için uygun organizasyonel ve idari hizmetlerin birleşimi, büyük ölçekli bir projenin başarılı bir şekilde uygulanmasının anahtarıdır.
LEP’i takiben LHC’de olduğu gibi, bu yaklaşım, kendi kendine dayatılan kısıtlamalar olmaksızın teknik ve finansal risklerin kontrol edilmesine olanak tanır. Bu, Avrupa’nın parçacık ve yüksek enerji fiziğindeki liderliğini önümüzdeki on yıllar boyunca pekiştirir ve genişletir.
Son olarak, dünya çapında bir topluluğa hizmet eden, endüstriyel ortakları yakından içeren ve çok on yıllar boyunca tüm eğitim seviyelerinde eğitim sağlayan yeni araştırma altyapısı, en yüksek sosyo-ekonomik etkiyi yaratacaktır.