Poszukiwanie odpowiedzi na otwarte pytania (takie jak: jakie cząstki elementarne tworzą ciemną materię, dlaczego materia dominuje we wszechświecie i dlaczego istnieje asymetria materia-antymateria, czym jest cząstka siły dla grawitacji, ciemnej energii, masy neutrin itd.), których Model Standardowy nie jest w stanie rozwiązać, może wymagać spojrzenia poza Model Standardowy i zbadania możliwości istnienia nowych, lżejszych cząstek, które bardzo słabo oddziałują z cząstkami Modelu Standardowego, a także zbadania istnienia nowych, cięższych cząstek poza zasięgiem istniejącego akceleratora LHC. Proponowany Przyszły Kołowy Zderzacz (Future Circular Collider – FCC) umożliwiłby poszukiwanie takich cząstek elementarnych poza Modelem Standardowym. Rada CERN przeanalizowała obecnie raport ze Studium Wykonalności FCC. Ostateczna decyzja w sprawie budowy FCC przez Radę CERN spodziewana jest około 2028 roku. Jeśli zostanie zatwierdzona, budowa FCC może rozpocząć się w latach 30. XXI wieku. Będzie miał obwód około 100 km i będzie położony około 200 metrów pod ziemią w pobliżu LHC pod Genewą. Zastąpi on Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który ma zakończyć swoją działalność w 2041 roku. Budowa FCC będzie realizowana w dwóch etapach. Pierwszy etap, FCC-ee, będzie akceleratorem elektronowo-pozytonowym do precyzyjnych pomiarów w poszukiwaniu lżejszych cząstek, co zaoferuje 15-letni program badawczy od końca lat 40. XXI wieku. Po zakończeniu tego etapu, w tym samym tunelu zostanie uruchomiona druga maszyna, FCC-hh (wysokoenergetyczna). Drugi etap ma na celu osiągnięcie energii zderzeń 100 TeV (znacznie wyższej niż 13 TeV w LHC) w celu poszukiwania cięższych cząstek. Ten etap rozpocznie działalność w latach 70. XXI wieku i będzie działał do końca XXI wieku.
W dniach 6-7 listopada 2025 r. Rada CERN (składająca się z delegatów państw członkowskich i stowarzyszonych CERN) zapoznała się z wynikami studium wykonalności proponowanego przyszłego kolistego akceleratora jądrowego (FCC).
Wcześniej CERN przeprowadził badanie mające na celu ocenę wykonalności budowy Przyszłego Kołowego Zderzacza (FCC) we współpracy z instytucjami w państwach członkowskich i stowarzyszonych CERN oraz poza nimi. Raport został opublikowany 31 marca 2025 r. i został przeanalizowany przez organy podległe Radzie CERN. Raport został również przeanalizowany przez niezależne komitety ekspertów, które stwierdziły, że budowa FCC wydaje się technicznie wykonalna na podstawie przedstawionej dokumentacji.
Delegaci Rady CERN przeanalizowali raport ze Studium Wykonalności FCC, który odbył się 6-7 listopada 2025 r. na specjalnym posiedzeniu i doszli do wniosku, że Studium Wykonalności stanowi podstawę do kontynuacji badań nad FCC. Jest to ważny krok w kierunku ewentualnego zatwierdzenia FCC przez Radę CERN w maju 2026 r., kiedy to Rada przedstawi do rozpatrzenia wszystkie rekomendacje. Ostateczna decyzja w sprawie budowy FCC przez Radę CERN spodziewana jest około 2028 r.
Future Circular Collider (FCC) to jeden z proponowanych akceleratorów cząstek nowej generacji w CERN. Oczekuje się, że zastąpi on Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który zakończy swoją działalność w 2041 roku. CERN pracuje obecnie nad znalezieniem kolejnego akceleratora, który zastąpi LHC, będącego obecnie głównym urządzeniem CERN.
Oddany do użytku w 2008 roku Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) to kolisty akcelerator o obwodzie 27 km, znajdujący się 100 m pod ziemią w pobliżu Genewy. Obecnie jest to największy i najpotężniejszy akcelerator na świecie, generujący zderzenia z energią 13 teraelektronowoltów (TeV), co stanowi najwyższą energię osiągniętą dotychczas przez akcelerator. Przyspiesza on hadrony do prędkości bliskiej prędkości światła, a następnie zderza je, symulując warunki panujące we wczesnym Wszechświecie.
| Akceleratory/zderzacze cząstek są oknami do bardzo wczesnego Wszechświata |
| „Bardzo wczesny Wszechświat” odnosi się do najwcześniejszej fazy Wszechświata (pierwsze trzy minuty tuż po Wielkim Wybuchu), kiedy był on niezwykle gorący, a Wszechświat był całkowicie zdominowany przez promieniowanie. Epoka Plancka to pierwsza epoka ery radiacyjnej, która trwała od Wielkiego Wybuchu do 10-43 s. Przy temperaturze 1032 K, w tej epoce wszechświat był supergorący. Po epoce Plancka nastąpiły epoki kwarków, leptonów i jąder atomowych; wszystkie trwały krótko, ale charakteryzowały się ekstremalnie wysokimi temperaturami, które stopniowo spadały wraz z rozszerzaniem się wszechświata. Bezpośrednie badanie tej najwcześniejszej fazy Wszechświata nie jest możliwe. Można jedynie odtworzyć warunki panujące w tej fazie Wszechświata w akceleratorach cząstek. Dane generowane przez zderzenia cząstek w akceleratorach/zderzaczach oferują pośredni wgląd w bardzo wczesny Wszechświat. Zderzacze to niezwykle ważne narzędzia badawcze w fizyce cząstek elementarnych. Są to maszyny kołowe lub liniowe, które przyspieszają cząstki do bardzo dużych prędkości zbliżonych do prędkości światła i umożliwiają im zderzenie z inną cząstką nadlatującą z przeciwnego kierunku lub z celem. Zderzenia generują ekstremalnie wysokie temperatury rzędu bilionów kelwinów (podobne do warunków panujących w najwcześniejszych epokach ery radiacyjnej). Energie zderzających się cząstek sumują się, stąd energia zderzenia jest wyższa. Energia zderzeń przekształca się w materię w postaci cząstek, które istniały we wczesnym Wszechświecie, zgodnie z symetrią masy i energii. Na przykład, gdy elektrony cząstek subatomowych zderzają się ze swoimi antymaterią – pozytonami – materia i antymateria anihilują, a energia zostaje uwolniona. Z uwolnionej energii kondensują się różne rodzaje nowych cząstek elementarnych. Nowe cząstki mogą być bozonami Higgsa lub kwarkami wierzchnimi, które są bardzo ciężkimi subatomowymi elementami budulcowymi materii. Być może również cząstkami ciemnej materii i cząstkami supersymetrycznymi, co wciąż czeka na odkrycie. Takie interakcje między cząstkami o wysokiej energii w warunkach panujących we wczesnym Wszechświecie otwierają okno na niedostępny w inny sposób świat tamtych czasów, a analiza produktów ubocznych zderzeń wzbogaca naszą wiedzę o cząstkach fundamentalnych i oferuje sposób na zrozumienie rządzących prawami fizyki. Akceleratory cząstek są wykorzystywane jako narzędzia badawcze do badania bardzo wczesnego Wszechświata. Zderzacze hadronów (w szczególności Wielki Zderzacz Hadronów LHC w CERN) oraz zderzacze elektronowo-pozytonowe zajmują czołowe miejsca w eksploracji bardzo wczesnego Wszechświata. Eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zakończyły się sukcesem i doprowadziły do odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku. (Źródło: Zderzacze cząstek do badania „bardzo wczesnego wszechświata”: zademonstrowano zderzacz mionów) |
Wielki Zderzacz Hadronów o Wysokiej Świetlności (HL – LHC) w CERN zwiększy wydajność LHC poprzez zwiększenie liczby zderzeń, co umożliwi dokładniejsze badanie znanych mechanizmów. Prawdopodobnie zostanie uruchomiony do 2029 roku.
Proponowany Przyszły Kołowy Zderzacz (FCC) byłby akceleratorem cząstek o wyższej wydajności niż Wielki Zderzacz Hydronowy (LHC). Zaprojektowany do badania istnienia nowych, cięższych cząstek, poza zasięgiem Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), oraz lżejszych cząstek, które bardzo słabo oddziałują z cząstkami Modelu Standardowego, FCC miałby obwód około 100 km i znajdowałby się około 200 metrów pod ziemią, w pobliżu LHC. Jeśli projekt zostanie zatwierdzony, budowa FCC może rozpocząć się w latach 2030. XXI wieku.
Wdrożenie FCC miałoby przebiegać w dwóch etapach. Pierwszy etap, FCC-ee, będzie akceleratorem elektronowo-pozytonowym do precyzyjnych pomiarów. Zaoferuje on 15-letni program badawczy, począwszy od końca lat 40. XXI wieku. Po zakończeniu tego etapu, w tym samym tunelu, zostanie uruchomiona druga maszyna, FCC-hh (wysokoenergetyczna). Jej celem jest osiągnięcie energii zderzeń hadronów (protonów) i ciężkich jonów rzędu 100 TeV. FCC-hh rozpocznie działalność w latach 70. XXI wieku i będzie działać do końca XXI wieku.
Dlaczego potrzebna jest FCC? Jakiemu celowi będzie służyć?
Cały obserwowalny wszechświat, wliczając w to całą materię barionową, z której wszyscy się składamy, stanowi zaledwie 4.9% masy i energii wszechświata. Niewidzialna ciemna materia stanowi aż 26.8% (podczas gdy pozostałe 68.3% masy i energii wszechświata to ciemna energia). Nie wiadomo, czym tak naprawdę jest ciemna materia. Model Standardowy (SM) fizyki cząstek elementarnych nie zawiera cząstek fundamentalnych o właściwościach niezbędnych do zaklasyfikowania jej jako ciemnej materii. Uważa się, że być może „cząstki supersymetryczne”, będące partnerami cząstek Modelu Standardowego, tworzą ciemną materię. Możliwe też, że istnieje równoległy świat ciemnej materii. Cząstki WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki), aksjony lub sterylne neutrina to hipotetyczne cząstki „poza Modelem Standardowym” (BSM), które są wiodącymi kandydatami. Jednak jak dotąd nie udało się wykryć żadnych takich cząstek. Istnieje wiele innych otwartych pytań (takich jak asymetria materii i antymaterii, grawitacja, ciemna energia, neutrina itp.), na które Model Standardowy nie jest w stanie udzielić odpowiedzi. Ponadto, rola pola Higgsa w ewolucji wszechświata zaczęła być przedmiotem rozważań po odkryciu bozonu Higgsa w 2012 roku przez eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Możliwe odpowiedzi na powyższe otwarte pytania wykraczają poza Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Konieczne może być zbadanie istnienia nowych, lżejszych cząstek, które bardzo słabo oddziałują z cząstkami Modelu Standardowego. Będzie to wymagało gromadzenia dużej ilości danych i bardzo wysokiej czułości na sygnały produkcji takich cząstek, co mieści się w zakresie pierwszego etapu FCC, tj. FCC-ee (precyzyjne pomiary). Konieczne jest również zbadanie istnienia nowych, cięższych cząstek, co będzie wymagało urządzeń wysokoenergetycznych. FCC-hh (wysokoenergetyczny), drugi etap FCC, ma na celu osiągnięcie energii zderzeń wynoszącej 100 TeV (co jest znacznie wyższe niż 13 TeV w LHC). Jeśli chodzi o kształt zderzacza elektronowo-pozytonowego (e+e-) pierwszego etapu, preferowany jest kształt kołowy (a nie liniowy), ponieważ kształt kołowy umożliwia uzyskanie większej jasności, do czterech eksperymentów i oferuje infrastrukturę dla kolejnego, wysokoenergetycznego zderzacza hadronowego drugiej fazy.
***
Referencje:
- CERN. Komunikat prasowy – Rada CERN analizuje studium wykonalności zderzacza nowej generacji. 10 listopada 2025 r. Dostępne na https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. Komunikat prasowy – CERN publikuje raport na temat wykonalności potencjalnego przyszłego zderzacza kołowego. 31 marca 2025 r. Dostępne na https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Studium wykonalności przyszłego kolistego zderzacza jest już sfinalizowane https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Przyszłe zderzaki kołowe https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: przypadek fizyczny. 27 marca 2024 r. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
Podobne artykuły:
- Zderzacze cząstek do badania „bardzo wczesnego wszechświata”: zademonstrowano zderzacz mionów (31 październik 2024)
- CERN świętuje 70 lat podróży naukowej w fizyce (2 Luty 2024)
- Z czego ostatecznie jesteśmy zbudowani? Jakie są podstawowe elementy konstrukcyjne wszechświata? (8 listopada 2021)
***
Kilka filmów edukacyjnych na temat FCC:
***
 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}