Nowy projekt CERN to zbudowanie mechanizmu, który będzie prawie czterokrotnie większy od największego istniejącego urządzenia. Ale do czego to dokładnie służy?
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) jest prawdopodobnie jednym z najbardziej tajemniczych urządzeń na świecie. Znajduje się w 27-kilometrowym okrągłym tunelu na granicy Francji i Szwajcarii, a jego głównym zadaniem jest zderzenie najmniejszych cząstek wszechświata.
Mechanizm ten stał się sławny na całym świecie w 2012 roku, kiedy CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych) ogłosiła odkrycie bozonu Higgsa. Teoria istnienia tej cząstki elementarnej pojawiła się wiele dziesięcioleci temu, obliczenia matematyczne stojące za standardowym modelem cząstek elementarnych zakładały, że istnieje, ale nikt nie mógł tego naprawić przed eksperymentem w LHC.
A teraz CERN mówi o planach na przyszłość. Eksperymenty z pomocą LHC są przeprowadzane od 2009 roku z przerwami na aktualizację mechanizmu. Teraz właśnie taka przerwa, a LHC wystartuje ponownie w 2021 roku, po czym będzie działał jeszcze przez kilka kolejnych dekad.
Ale istniejące projekty są tak ambitne, że CERN od kilku lat dyskutuje nad propozycją zbudowania następcy LHC. A teraz pracownicy organizacji są gotowi opowiedzieć o swojej wizji przyszłości.
Obecnie nazywany Future Circular Collider (FCC), plany jego budowy zostały ogłoszone w styczniu 2019 roku. BCC jest znacznie większy i mocniejszy niż obecny akcelerator. Chociaż jest to tylko plan, nie został jeszcze zaakceptowany. Jeśli plan zostanie wdrożony, eksperymenty w BCC rozpoczną się w latach czterdziestych XX wieku.
Według CERN, całkowity koszt budowy wyniesie nieco ponad 200 mld EEK (ponad 1,5 bln rubli - ok. Tłum.). Kraje członkowskie organizacji będą finansować projekt przez kilkadziesiąt lat. Norwegia jest jednym z 22 krajów członkowskich CERN i wniesie około 240 milionów koron (ponad 1,8 miliarda rubli) w 2019 roku.
Film promocyjny:
Ale po co nam nowy akcelerator cząstek, co naukowcy mają nadzieję osiągnąć dzięki temu?
Długi tunel
LHC układa się w tym samym tunelu, co poprzedni akcelerator cząstek, po prostu umieszczono tam nowe wypełnienie. Praca poprzedniego urządzenia została ograniczona w 2000 roku.
Ale dla BCC zostanie zbudowany zupełnie nowy tunel o długości 100 kilometrów. Ze względu na zwiększoną długość akceleratora cząstek, cząstki zderzają się ze znacznie większą siłą.
„Przez sto lat zderzanie małych kawałków materii z dużą siłą było prawdopodobnie najważniejszą metodą eksperymentalną badania struktury i składu materii” - mówi Anders Kvellestad, fizyk cząstek elementarnych z Imperial College London.
W rzeczywistości plan CERN zakłada budowę kilku urządzeń w tym samym tunelu, które zostaną zlokalizowane jeden po drugim. Pierwszy mechanizm zderzy elektrony i pozytony i może posłużyć do dokładniejszych pomiarów i badań, na przykład bozonu Higgsa, o którym nie wiemy wszystkiego.
Możliwe będzie również wykrycie śladów kwantowych zupełnie nowych nieznanych cząstek bez dokonywania bezpośrednich obserwacji.
Nowa fizyka?
Oprócz innych eksperymentów obejmujących zderzenia elektronów i jąder atomów ołowiu planowane jest później zbudowanie bardzo silnego mechanizmu, dzięki któremu protony będą zderzały się z protonami w tunelu.
„W fizyce cząstek zderzenie protonu z protonem przypomina młot kowalski, podczas gdy zderzenie elektronu z pozytonem można porównać do małego młotka geologicznego. Ta pierwsza daje większą moc, podczas gdy druga jest dokładniejsza”.
Moc samej wiązki cząstek mierzy się w teraelektronowoltach (TeV). LHC o długości 27 kilometrów może wytrzymać 14 TeV, podczas gdy nowy akcelerator wytrzyma moc do 100 TeV.
Wyższe energie pozwalają „zwabić” bardziej masywne cząstki, których wcześniej być może nie obserwowano, i możliwe, że wyniki takich eksperymentów dadzą nam pojęcie o zupełnie nowej fizyce - wyjaśnia Kvellestad.
Ponieważ wszechświat jest nadal pełen rzeczy, których naukowcy nie rozumieją. Na przykład nie ma odpowiedzi na pytanie, czym naprawdę są ciemna energia i ciemna materia, chociaż są one głównymi koncepcjami w naszym obecnym rozumieniu wszechświata.
We współczesnej fizyce jest też duży problem. Ogólna teoria względności i kwantowa teoria pola, która opisuje cząstki elementarne, nie pokrywają się. Obecnie nie ma wyjaśnienia samej grawitacji, która pasuje do obu modeli.
Niezależnie od tego, jak na to patrzysz, czegoś brakuje w zrozumieniu wszechświata. Istnieje wiele wyjaśnień, ale naukowcy potrzebują dowodów.
A fizycy mieli nadzieję, że obecny akcelerator cząstek LHC dostarczy wskazówkę dotyczącą nowej fizyki. Tak się jeszcze nie stało, ale LHC będzie działał jeszcze przez wiele lat.
„Teraz wiemy już wszystko o kilku małych, ale interesujących rozbieżnościach między teorią a praktyką w istniejących danych. Dlatego spodziewam się, że wyniki następnej rundy prac LHC pokażą nam, czy te rozbieżności są konsekwencją „nowej fizyki”, czy też są tylko różnicami statystycznymi”- mówi Kvellestad.
Ale są też pewne wątpliwości co do planów budowy nowych akceleratorów cząstek.
Czy to naprawdę coś zrobi?
Niemiecka fizyk Sabine Hossenfelder jest jedną z krytyków propozycji MCC. Napisała książkę o tym, że fizyka zbytnio zajmuje się „pięknem” równań.
W felietonie w The New York Times krytykuje projekt w szczególności za to, że CERN oferuje mu te same obietnice złożone przed budową LHC: znaleźć ciemną materię i wyjaśnić pochodzenie wszechświata.
Problem w tym, że takiego wyniku nie można w żaden sposób zagwarantować, mówi Hossenfelder. Fizycy byli prawie pewni, że znajdą bozon Higgsa za pomocą LHC, ale teraz nie mają tak obiecujących celów.
Supersymetria to teoria, która przewidywała istnienie kilku różnych cząstek, które mogłyby wypełnić luki w modelu standardowym, ale te cząstki nie zostały jeszcze poruszone w eksperymentach.
Hossenfelder twierdzi, że fizyka powinna na razie badać inne możliwości i lepiej zaczekać z budową dużego akceleratora, skupiając się na pytaniu, dlaczego domniemane cząstki nie pojawiły się w LHC.
Jeśli jesteś zainteresowany, możesz przeczytać więcej o krytyce projektu na jej blogu. Mówi też, że jeśli z pomocą LHC w najbliższych latach naprawdę da się coś znaleźć, to sytuacja może się zmienić.
Podstawowe badania
„Po odkryciu bozonu Higssa nie mamy już żadnych teoretycznych„ gwarancji”, że w eksperymentach następnej generacji znajdziemy nowe cząstki - mówi Anders Kvellestad. - Ale tak naprawdę oznacza to po prostu, że fizyka cząstek wróciła do całkiem normalnego stanu stan badań - kiedy nikt nie wie, co może się ujawnić w kolejnym eksperymencie."
„Istnieje kilka przykładów odkryć w historii fizyki, których nikt nie przewidział”.
Kvellestad twierdzi, że nawet jeśli fizycy różnią się, czego się spodziewać po tych eksperymentach, nie powinno to stanowić argumentu przeciwko przeprowadzaniu nowych dużych eksperymentów.
- Dzięki nowym akceleratorom cząstek naukowcy będą mogli lepiej badać i mierzyć już znane cząstki - powiedział Kvellestad.
Potrzebujesz zbudować większy mechanizm, ale nie teraz?
„Nie ma wątpliwości, że przyszła ścieżka badań fizyki cząstek elementarnych prowadzi przez większy mechanizm” - mówi Bjørn Samset, badacz z Cicero Center for International Environmental and Climate Research. Z wykształcenia jest fizykiem cząstek elementarnych i pracował w CERN.
„Pytanie tylko, czy czas go zbudować, czy na razie lepiej skupić się na innych rzeczach”.
Uważa również, że fizyka prawdopodobnie odniosłaby większe korzyści, gdyby inne projekty zostały najpierw ocenione bardziej szczegółowo, co mogłoby pomóc lepiej zrozumieć, co dokładnie może znaleźć nowe urządzenie.
Samset jako przykład podaje ciemną materię.
„Wielu miało nadzieję, że LHC będzie miał wystarczająco dużo energii, aby stworzyć cząsteczki, z których może być zbudowana ciemna materia”.
Wysunięto wiele teorii, niektóre zostały obalone, ale wiele z nich wymaga jeszcze weryfikacji. Pytanie brzmi, czy nie lepiej byłoby skupić się na innych metodach, takich jak specjalne czujniki, za pomocą których można bezpośrednio uchwycić ciemną materię.
Jeśli powstanie BCC, to nie nastąpi to szybko, ale Samset podkreśla, że bardzo ważne jest, aby przedyskutować takie projekty z wyprzedzeniem.
„Niebezpieczeństwo czekania to utrata doświadczenia. Technicy w CERN to prawdziwi magicy, sprawiają, że akcelerator robi niesamowite rzeczy. Jeśli nie zaczniemy teraz planować kolejnego projektu, wiele z tych doświadczeń może zostać utraconych”.
Jednocześnie wierzy, że doświadczenie można przenieść w ramach innych projektów. Jest jednak przekonany, że nadal będą budowane ogromne akceleratory.
"Taki mechanizm trzeba zbudować i będzie zbudowany, ale może jest jeszcze za wcześnie?"
Lasse Biørnstad