PRR Project

Summary

A atualização de 2020 da Estratégia Europeia para a Física de Partículas foi um marco importante para definir as futuras direções da física de partículas. A proposta de um Futuro Colisor Circular (FCC) no CERN surge como uma direção promissora para uma instalação de referência mundial para a exploração deste campo. Desde 2021, está em curso um estudo de viabilidade do FCC que abrange todos os aspectos relacionados com a sua construção, desde considerações geológicas e ambientais até aos casos de física e o design conceptual dos detectores. Este processo culminará em 2025 com a publicação do Relatório do Estudo de Viabilidade do FCC, seguido de uma atualização do Grupo Estratégico Europeu e de uma decisão do Conselho do CERN em 2027. À medida que nos aproximamos desse momento decisivo, a presente proposta tem como objetivo consolidar os esforços teóricos e experimentais da participação portuguesa na Colaboração Internacional do FCC, que se iniciou formalmente em 2021. O projeto do FCC terá duas fases. A primeira consistirá num colisor e+e- a construir num túnel de 100 km a construir na região de Genebra, utilizando as infra-estruturas e condições já existentes no CERN. A energia deste colisionador será faseada com períodos de funcionamento na massa do bosão Z, e nos limiares de produção de WW, de ZH e de pares de quarks top. Este colisionador deverá operar durante cerca de 15 anos e ser substituído no mesmo túnel por uma máquina hadrónica, o FCC-hh, com energias de colisão de cerca de 100 TeV. O FCC-hh irá estender significativamente a escala de energia acessível ao LHC. A fase FCC-ee permitirá o desenvolvimento da tecnologia essencial para o FCC-hh, nomeadamente os ímanes supercondutores que não existem atualmente. Este regime repetirá o ciclo virtuoso alcançado com o LEP e o LHC, repartindo o elevado custo das estruturas fixas ao longo de várias décadas e construindo um acelerador de referência a nível mundial para o futuro da física de partículas. Em 2024, foram criadas colaborações oficiais de I&D para detectores (DRD) para o desenvolvimento da tecnologia necessária para conceber e realizar os futuros detectores, de forma a valorizar o potencial de física a longo prazo das experiências que serão instaladas no FCC. Para as medições precisas das colisões do FCC-ee, os detectores devem ter uma granularidade elevada para obterem uma boa resolução de energia e posição, o que implica um número sem precedentes de canais electrónicos de leitura. As experiências do FCC-hh terão ocupações, frequências de leitura e níveis de radiação nunca antes atingidos em aceleradores, pelo que a precisão das medições de tempo e a tolerância à radiação serão cruciais. O PPatFCC irá apoiar a nossa participação na Colaboração DRD6 para Calorimetria. Planeamos contribuir com I&D sobre novos materiais plásticos cintilantes resistentes à radiação para calorímetros baseados na colecção de luz, com o objetivo a médio prazo de produzir protótipos. A instrumentação óptica dos calorímetros é um tópico de especialização no LIP, onde dispomos de instalações dedicadas no Laboratório de Óptica e Materiais Cintilantes (LOMaC). A linha de investigação de hardware do detector será complementada com estudos de simulação sobre o desempenho dos designs actualmente propostos para calorímetros hadrónicos baseados em cintiladores, enquadrados no conceito do detector ALLEGRO para o FCC-ee. Devido à configuração experimental da máquina FCC-ee, concebida com o objetivo de fornecer luminosidades integradas elevadas e erros sistemáticos muito pequenos, teremos a possibilidade de estudar o Modelo Padrão (MP) com uma precisão sem precedentes. Por exemplo, a precisão na extração de observáveis electrofracos no pólo do Z melhorará os resultados do LEP por um factor de 20-100. Além disso, a fase planeada de produção ZH, permitir-nos-á determinar os acoplamentos do bosão de Higgs aos bosões vectoriais e fermiões, assim como o auto-acoplamento de Higgs com uma precisão entre um factor 2-10 superior em relação ao HL-LHC, o que poderá revelar indícios de física para além do MP. No entanto, para que estes efeitos quânticos sejam mensuráveis, a precisão dos cálculos teóricos dos vários observáveis do MP terá de igualar a precisão experimental esperada, i.e., deve melhorar até duas ordens de grandeza em relação aos valores actuais. Com este objectivo, os geradores de eventos Monte Carlo existentes terão de ser significativamente melhorados, de modo a incluírem correcções de ordem superior de origem electrofraca e QCD, actualmente desconhecidas. No PPatFCC pretendemos enfrentar este desafio, visando alguns dos factores atualmente limitantes do lado da teoria para as futuras análises no FCC. Para além dos objectivos acima delineados, este projeto pretende também ser uma forma de continuar a construir uma comunidade portuguesa de física de partículas para o projeto FCC, um esforço que começou formalmente com o anterior projeto FCT (referência CERN/FIS-PAR/0035/2021).