Eine Übersichtsgrafik des geplanten ILC basierend auf dem Beschleunigerdesign des Technischen Designberichts

Der International Linear Collider ( ILC ) ist ein geplanter linearer Teilchenbeschleuniger . [ 1 ] Er soll anfänglich eine Kollisionsenergie von 500 GeV erreichen , mit  der Möglichkeit einer späteren Erweiterung auf 1000 GeV (1 TeV). Obwohl ursprünglich Japan, Europa ( CERN ) und die USA ( Fermilab ) als Standorte für den ILC vorgeschlagen wurden, [ 2 ] konzentriert sich die Planung des ILC seit 2013 auf das Kitakami- Hochland in der Präfektur Iwate im Norden Japans. [ 3 ] Die japanische Regierung ist bereit, die Hälfte der Kosten zu übernehmen, so der Koordinator der Detektorstudien am ILC. [ 4 ]

Der ILC würde Elektronen mit Positronen kollidieren lassen . Er wird zwischen 30 und 50 km lang sein und damit mehr als zehnmal so lang wie der 50-GeV -Linearbeschleuniger in Stanford , der längste existierende Linearbeschleuniger. Der Vorschlag basiert auf ähnlichen Voranschlägen aus Europa, den USA und Japan.

In einem stufenweisen Ansatz könnte der ILC zunächst bei 250 GeV gebaut werden, um als Higgs-Fabrik zu dienen . [ 5 ] Ein solcher Aufbau hätte eine Länge von etwa 20 km.

Es werden auch Studien für ein alternatives Projekt, den Compact Linear Collider (CLIC), durchgeführt, der bei höheren Energien (bis zu 3 TeV) in einer Anlage ähnlicher Länge wie der ILC arbeiten würde. Diese beiden Projekte, CLIC und ILC, wurden in der Linear Collider Collaboration zusammengeführt . [ 6 ]

Hintergrund: Linearbeschleuniger und Synchrotrons

Es gibt zwei Grundformen von Teilchenbeschleunigern. Linearbeschleuniger (Linacs) beschleunigen Elementarteilchen auf geraden Bahnen. Ringbeschleuniger (Synchrotrons), wie beispielsweise das Tevatron , das LEP und der Large Hadron Collider (LHC), nutzen kreisförmige Bahnen. Die kreisförmige Geometrie bietet erhebliche Vorteile bei Energien bis hin zu einigen zehn GeV : Durch die kreisförmige Bauweise können Teilchen effektiv über größere Distanzen beschleunigt werden. Zudem kollidiert nur ein Bruchteil der auf Kollisionskurs gebrachten Teilchen tatsächlich. In einem Linearbeschleuniger gehen die übrigen Teilchen verloren; in einem Ringbeschleuniger zirkulieren sie weiter und stehen für zukünftige Kollisionen zur Verfügung. Der Nachteil von Ringbeschleunigern besteht darin, dass geladene Teilchen, die sich auf gekrümmten Bahnen bewegen, zwangsläufig elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Synchrotronstrahlung, aussenden . Der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Masse der betreffenden Teilchen. Deshalb ist es sinnvoll, Ringbeschleuniger für schwere Teilchen zu bauen – Hadronen-Collider wie den LHC für Protonen oder alternativ für Bleikerne . Ein Elektron -Positron-Collider derselben Größe könnte niemals dieselben Kollisionsenergien erreichen. Tatsächlich waren die Energien am LEP, der früher den Tunnel nutzte, der heute dem LHC zur Verfügung steht, durch Energieverluste mittels Synchrotronstrahlung auf 209 GeV begrenzt.

Obwohl die nominelle Kollisionsenergie am LHC höher sein wird als die am ILC (14.000  GeV am LHC [ 7 ] gegenüber ~500 GeV am ILC), könnten Messungen am ILC genauer durchgeführt werden. Kollisionen zwischen Elektronen und Positronen sind wesentlich einfacher zu analysieren als Kollisionen, bei denen die Energie auf die Bestandteile der baryonischen Teilchen , Quarks , Antiquarks und Gluonen, verteilt ist . Daher wäre eine der Aufgaben des ILC die präzise Messung der Eigenschaften von Teilchen, die am LHC entdeckt wurden.

ILC-Physik und Detektoren

Es wird allgemein erwartet, dass Experimente am geplanten ILC Effekte jenseits des im aktuellen Standardmodell beschriebenen nachweisen werden. [ 8 ] Darüber hinaus wird erwartet, dass Teilchen und Wechselwirkungen, die durch das Standardmodell beschrieben werden, entdeckt und gemessen werden können. Am ILC hoffen Physiker Folgendes zu erreichen:

Um diese Ziele zu erreichen, sind Teilchendetektoren der neuen Generation erforderlich.

Zusammenführung regionaler Vorschläge zu einem weltweiten Projekt

Im August 2004 empfahl das International Technology Recommendation Panel (ITRP) [ 9 ] eine supraleitende Hochfrequenztechnologie für den Beschleuniger. Daraufhin schlossen sich die drei bestehenden Linearbeschleunigerprojekte – Next Linear Collider (NLC), Global Linear Collider (GLC) und Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA) – zu einem einzigen Projekt zusammen (dem ILC). Im März 2005 ernannte das International Committee for Future Accelerators (ICFA), eine Arbeitsgruppe der International Union of Pure and Applied Physics , Prof. Barry Barish , den Direktor des LIGO -Labors am Caltech von 1997 bis 2005, zum Leiter der Global Design Effort (GDE). Im August 2007 wurde der Referenzdesignbericht für den ILC veröffentlicht. [ 10 ] Die an der GDE beteiligten Physiker erstellten einen detaillierten ILC-Designbericht, der im Juni 2013 veröffentlicht wurde. [ 6 ]

Design

Die Elektronenquelle des ILC nutzt 2-Nanosekunden -Laserpulse , um Elektronen aus einer Photokathode herauszulösen . Dieses Verfahren ermöglicht eine Polarisation der Elektronen von bis zu 80 %. Anschließend werden die Elektronen in einer 370 Meter langen Linearbeschleunigerstufe auf 5 GeV beschleunigt. Synchrotronstrahlung hochenergetischer Elektronen erzeugt auf einem Titanlegierungstarget Elektron-Positron-Paare mit einer Polarisation von bis zu 60 %. Die Positronen aus diesen Kollisionen werden aufgefangen und in einem separaten Linearbeschleuniger auf 5 GeV beschleunigt.

Um die 5 GeV Elektronen- und Positronenpakete auf eine ausreichend kleine Größe zu komprimieren, damit sie sinnvoll kollidieren können, werden sie 0,1–0,2 Sekunden lang in einem Paar von Dämpfungsringen mit einem Umfang von 3,24 km zirkulieren, in denen sie auf eine Länge von 6 mm und eine vertikale und horizontale Emittanz von 2 pm bzw. 0,6 nm reduziert werden.

Von den Dämpfungsringen werden die Teilchenpakete zu den supraleitenden Hochfrequenz- Hauptlinearbeschleunigern (jeweils 11 km lang) geleitet und dort auf 250 GeV beschleunigt. Bei dieser Energie hat jeder Strahl eine mittlere Leistung von etwa 5,3 Megawatt . Fünf Teilchenzüge werden pro Sekunde erzeugt und beschleunigt.

To maintain a sufficient luminosity to produce results in a reasonable time frame after acceleration the bunches will be focused to a few nanometers in height and a few hundred nanometers in width. The focused bunches then will be collided inside one of two large particle detectors.

  • Ein auf Niob basierender supraleitender Hochfrequenzhohlraum mit neun Zellen und einer Betriebsfrequenz von 1,3 GHz, der am Hauptlinearbeschleuniger eingesetzt werden soll[11].
    A niobium-based 1.3 GHz nine-cell superconducting radio frequency cavity to be used at the main linac[11]
  • Eine Innenansicht des supraleitenden Hochfrequenzhohlraums aus Niob.
    An interior view of the niobium superconducting radio frequency cavity
  • Ein Kryomodul wird im Fermilab getestet
    A cryomodule being tested at Fermilab
  • Querschnitt des Kryomoduls. Das große Rohr in der Mitte ist das Helium-Gasrückführungsrohr. Das darunter liegende geschlossene Rohr ist die Strahlachse.
    Cross section of the cryomodule. A large tube at the center is helium gas return pipe. The closed tube below it is the beam axis.
  • Ein Flansch des Kryomoduls dient zum Anschluss von Instrumentierungsdrähten und -kabeln.
    A flange of the cryomodule is used to connect instrumentation wires and cables.

Proposed sites

Originally, three sites for the International Linear Collider were leading contenders at established High Energy Physics centers in Europe.[12] At CERN in Geneva the tunnel is located deep underground in non-permeable bedrock. This site was considered favorable for a number of practical reasons but due to the LHC the site was disfavored. At DESY in Hamburg the tunnel is close to the surface in water saturated soil. Germany leads Europe for scientific funding and was therefore considered reliable in terms of funding. At JINR in Dubna the tunnel is close to the surface in non-permeable soil. Dubna has a pre-accelerator complex which could have been easily adapted for the needs for the ILC. But all three were more or less well suited for housing a Linear Collider and one had ample choice for a site selection process in Europe.

Outside Europe a number of countries expressed interest. Japan receives a large amount of funding for neutrino activities, such as the T2K experiment, a factor not in its favor, although 20 huge caverns with access tunnels have already been constructed in Japan for hydroelectric power plants (e.g. the Kannagawa Hydropower Plant). Following the closure of the Tevatron some groups within the USA had expressed interest, with Fermilab being a favored site because of the facilities and experts already present. Much of the speculated interest from other countries was hearsay from within the scientific community, and very few facts were published officially. The information presented above is a summary of that contained in the International Workshop on Linear Colliders 2010 (ECFA-CLIC-ILC Joint Meeting) at CERN.[13]

Die Wirtschaftskrise von 2008 veranlasste die USA und Großbritannien, die Mittel für das Collider-Projekt zu kürzen [ 14 ] , wodurch Japan als wahrscheinlichster Standort für den International Linear Collider (ILC) ins Auge stach [ 15 ] . Am 23. August 2013 schlug der Standortbewertungsausschuss der japanischen Hochenergiephysik-Community das Kitakami-Gebirge in den Präfekturen Iwate und Miyagi als Standort vor [ 16 ] . Am 7. März 2019 erklärte die japanische Regierung, dass sie aufgrund der hohen veranschlagten Kosten von rund 7 Milliarden US-Dollar nicht bereit sei, den Bau des Colliders zu unterstützen. Diese Entscheidung wurde unter anderem vom Wissenschaftsrat Japans beeinflusst . Die japanische Regierung bemühte sich um finanzielle Unterstützung aus anderen Ländern für das Projekt [ 17 ] .

Im Jahr 2022 wurde der japanische Plan für den ILC von einem Gremium des japanischen Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) auf Eis gelegt [ 18 ]. Als Gründe wurden unter anderem eine möglicherweise unzureichende internationale Unterstützung und der CERN-Vorschlag für den Future Circular Collider genannt , der Überschneidungen in den physikalischen Zielen des ILC aufweist.

Im März 2024 traf sich die „Föderation der Parlamentsmitglieder für die ILC“, um „Berichte über den Fortschritt des ILC-Projekts und Initiativen relevanter Organisationen“ entgegenzunehmen. [ 19 ] Fünfzig Teilnehmer, darunter Parlamentsmitglieder und Vertreter anderer Regierungsbehörden sowie Forscher und Unternehmen, erhielten Berichte über den Projektfortschritt. Die Teilnehmer diskutierten die Zukunft der ILC. [ 19 ] Das Treffen mündete in drei Empfehlungen:

1. Das ILC-Projekt wird von der Forschungsgemeinschaft, der Industrie, Organisationen, die die Kandidatenstandorte fördern, relevanten Ministerien und Behörden, den Mitgliedern des Parlaments und anderen politischen Organisationen im Rahmen eines gesamtjapanischen Rahmens weiter vorangetrieben.

2. Im Rahmen des ILC-Projekts wird die internationale Zusammenarbeit als globale Initiative unter Einbeziehung der Forschungsgemeinschaft weiter gestärkt. Dies wird durch eine enge Kooperation zwischen dem Internationalen Entwicklungsteam (IDT) des ILC, einer im Rahmen des ICFA gegründeten internationalen Förderorganisation, und der nationalen Forschungsgemeinschaft erreicht.

3. Das Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) sollte eine aktive Rolle bei der Zusammenarbeit mit der internationalen Forschungsgemeinschaft zur Verwirklichung des globalen Beschleunigerprogramms spielen. Diese Zusammenarbeit sollte den Rahmen des Verbindungsausschusses für zukünftige Hochleistungsbeschleuniger in Partnerschaft mit dem Kabinettsbüro sowie anderen relevanten Ministerien und Behörden nutzen.

— Verband der Mitglieder der ILC, Empfehlung zur Förderung des International Linear Collider Project [ 20 ]

Im Dezember 2024 überwand die Linear Collider Collaboration (ILC) in Japan eine wichtige Hürde, als sie die Zustimmung des Japanischen Wissenschaftsrats (SCJ) erhielt. Damit endete eine jahrelange Blockade, und das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) konnte die Ausarbeitung einer nationalen Wissenschaftsstrategie vorantreiben. „Das Verfahren beim SCJ ist abgeschlossen, und das MEXT kann nun weitermachen“, erklärte Hitoshi Murayama, stellvertretender Direktor der Linear Collider Collaboration, in ersten Gesprächen zu diesem Meilenstein. [ 21 ]

Dieser Fortschritt wurde von verstärkten Lobbybemühungen der japanischen Hochenergiephysik-Community [ 22 ] [ 23 ] (über ILC-Japan und KEK) gegenüber dem japanischen Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) begleitet. Dabei wurde die Notwendigkeit stärkerer Zusagen für internationale Fördermittel vor einer endgültigen Entscheidung betont, mit der Erwartung, dass mindestens 50 % der Finanzierung aus dem Ausland stammen (einschließlich formeller Gespräche mit Frankreich, Deutschland, Großbritannien und den USA). Der vorgeschlagene Standort bleibt das Kitakami-Hochland in den Präfekturen Iwate und Miyagi und stellt eine potenzielle Revitalisierung der Tohoku-Region dar [ 24 ] . Bodenuntersuchungen wurden jedoch auch in Gebieten wie Karatsu in der Präfektur Saga durchgeführt. Weltweit entwickeln sich die Perspektiven des ILC durch Initiativen wie die Linear Collider Vision (LC Vision) weiter. Laufende Ingenieurstudien plädieren für eine Vorlaborphase zur Koordinierung internationaler Bemühungen [ 25 ] .

Kosten

Der Referenzdesignbericht schätzte die Baukosten des ILC, ohne Forschung und Entwicklung, Prototypenbau, Grundstückserwerb, Kosten für unterirdische Leitungen, Detektoren, Rücklagen und Inflation, auf 6,75 Milliarden US-Dollar [ 26 ] (Preise von 2007). Ab der formellen Projektgenehmigung wird mit einer Bauzeit von sieben Jahren für den Beschleunigerkomplex und die Detektoren gerechnet. Das Gastland müsste 1,8 Milliarden US-Dollar für standortspezifische Kosten wie Tunnel- und Schachtbau sowie die Wasser- und Stromversorgung aufbringen.

Der ehemalige US-Energieminister Steven Chu schätzte die Gesamtkosten auf 25 Milliarden US-Dollar. ILC-Direktor Barish erklärte, dies sei wahrscheinlich eine Überschätzung. Andere Beamte des Energieministeriums gingen von Gesamtkosten in Höhe von 20 Milliarden US-Dollar aus. [ 27 ] Nach Fertigstellung des ILC-Planungsberichts von 2013 gab Barish an, die Baukosten des ILC beliefen sich auf umgerechnet 7,78 Milliarden US-Dollar (Stand 2012); sie würden „22,6 Millionen Arbeitsstunden und standortspezifische Kosten einschließlich Standortvorbereitung, wissenschaftliche Detektoren und Anlagenbetrieb“ erfordern. [ 28 ]

Anmerkungen

  1. ^ „Der Internationale Linearbeschleuniger – Tor zum Quantenuniversum“ . ILC Community. 18.10.2007. Archiviert vom Original (PDF) am 02.03.2009 . Abgerufen am 21.05.2009 .
  2. ^ Hamish Johnston. „Wo sollte der Internationale Linearbeschleuniger gebaut werden?“ . physicsworld.com . Abgerufen am 2. August 2012 .
  3. ^ „ILC – Projektstatus“ . www.linearcollider.org . Archiviert vom Original am 27.09.2016 . Abgerufen am 14.12.2016 .
  4. „ Der neue Teilchenbeschleuniger ILC wird nicht vor 2026 fertiggestellt sein, sagt François Richard (Spanisch)“ . 11.06.2012. Archiviert vom Original am 02.07.2012 . Abgerufen am 02.08.2012 .
  5. ^ List, Jenny (28. Januar 2021). „ILC: Jenseits des Higgs“ . The CERN Courier . Abgerufen am 26. April 2022 .
  6. ^ a b „LCC – Linear Collider Collaboration“ . www.linearcollider.org . Abgerufen am 14.12.2016 .
  7. Da die eigentlichen Kollisionen zwischen den Bestandteilen der Protonen – Quarks , Antiquarks und Gluonen – stattfinden , ist die effektive Energie für Kollisionen niedriger als 14.000 GeV, aber immer noch höher als 500 GeV. Eine typische Kollision am LHC hat daher eine höhere Energie als eine typische Kollision am ILC.
  8. ^ G. Aarons et al. (2007), International Linear Collider Reference Design Report Volume 2: Physics at the ILC (PDF) , arXiv : 0709.1893 , Bibcode : 2007arXiv0709.1893D
  9. ^ „Abschlussbericht des International Technology Recommendation Panel“ (PDF) . ICFA (International Committee for Future Accelerators). 2004. Abgerufen am 19.11.2012 .
  10. ^ „ILC Reference Design Report“ . ILC Global Design Effort and World Wide Study. August 2007. Archiviert vom Original (PDF) am 18.12.2008 . Abgerufen am 21.05.2009 .
  11. ^ Der Internationale Linearbeschleuniger – Technischer Designbericht 2013. International Linear Collider. 2013. Abgerufen am 14. August 2015 .
  12. ^ Wilhelm Bialowons, John Andrew Osborne und Grigori Shirkov (31. März 2010). „Standortstudie für europäische ILC-Standorte“ (PDF) . ILC-HiGrade-Bericht-2010-004-1.
  13. ^ „International Workshop on Linear Colliders 2010“ . 22. Oktober 2010. Archiviert vom Original am 17. November 2010. Abgerufen am 11. Januar 2011 .
  14. ^ Hand, Eric; Brumfiel, Geoff (9. Januar 2008). „Beschleunigerpläne nach Kürzungen in den USA und Großbritannien ins Stocken geraten“ . Nature . 451 (7175): 112–113 . Bibcode : 2008Natur.451..112H . doi : 10.1038/451112a . PMID 18185548 . 
  15. ^ Brumfiel, Geoff (14. Dezember 2012). „Japan in Pole Position to host particle smasher“ . Nature . doi : 10.1038/nature.2012.12047 . S2CID 124158663 . 
  16. ^ Kelen Tuttle; Kathryn Jepsen (23. August 2013). „Japan wählt Kandidatenstandort für Linearbeschleuniger aus“ . Symmetry Magazine . Fermilab . Abgerufen am 23. August 2013 .
  17. ^ Garisto, Daniel. „Japan verschiebt Entscheidung über die Ausrichtung des nächsten großen Teilchenbeschleunigers“ . Scientific American . Abgerufen am 14. März 2019 .
  18. ^ Michael Banks (1. März 2022). „Gremium fordert Physiker auf, die Idee, Japan als Standort für den Internationalen Linearbeschleuniger zu gewinnen, zu verwerfen“ . Physics World, IOP Publishing.
  19. ^ a b Takahashi, Rika. „Verband der Parlamentsmitglieder beschließt, die ILC in Japan zu fördern | ILC Newsline“ . Abgerufen am 24.10.2024 .
  20. ^ „Empfehlung zur Förderung des International Linear Collider Project“ (PDF) . 21. März 2024.
  21. ^ Garisto, Dan. „Japan kommt mit seinen Plänen für den nächsten großen Teilchenbeschleuniger voran“ . Scientific American . Abgerufen am 21.11.2025 .
  22. ^ „INSPIRE“ . inspirehep.net . Abgerufen am 21.11.2025 .
  23. ^ CERN (2022-05-02). „Berichte bewerten Argumente für das ILC in Japan“ . CERN Courier . Abgerufen am 21.11.2025 .
  24. ^ „Der Wert und die Zukunftsperspektiven der ILC-Entwicklung in Japan“ (PDF) . ILV-Leitlinienreihe 7. Abgerufen am 20. November 2025 .
  25. ^ Abe, Y.; et al. (2025). "Status of the International Linear Collider". arXiv : 2505.11292v1 [ hep-ex ].
  26. ^ Overbye, Dennis (08.02.2007). „Preis des nächsten großen Dings in der Physik: 6,7 Milliarden Dollar“ . NYTimes . Abgerufen am 05.05.2010 .
  27. ^ „Chu beziffert die Kosten des ILC auf 25 Milliarden Dollar“ . ScienceInsider. 2009. Archiviert vom Original am 5. Januar 2010.
  28. ^ Tuttle, Ken (22.02.2013). „Pläne für Linearbeschleuniger schreiten voran“ . Symmetry Magazine . Abgerufen am 08.03.2017 .