Jeśli fizycy cząstek postąpią po swojemu, nowe akceleratory mogą pewnego dnia przyjrzeć się najbardziej interesującej cząstce subatomowej w fizyce - bozonie Higgsa. Sześć lat po odkryciu tej cząstki w Wielkim Zderzaczu Hadronów fizycy planują ogromne nowe maszyny, które rozciągną się na dziesiątki kilometrów w Europie, Japonii czy Chinach.
Nowe zderzacze: czym będą
Odkrycie tej subatomowej cząstki, która ujawnia pochodzenie masy, doprowadziło do ukończenia Modelu Standardowego, nadrzędnej teorii fizyki cząstek. Stało się także przełomowym osiągnięciem dla LHC, obecnie największego akceleratora na świecie - w końcu został zbudowany do poszukiwania bozonu Higgsa, choć nie tylko.
Teraz fizycy chcą zgłębić tajemnice bozonu Higgsa w nadziei, że będzie on kluczem do rozwiązania długotrwałych problemów fizyki cząstek elementarnych. „Higgs to szczególna cząstka” - mówi fizyk Yifang Wang, dyrektor Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. „Uważamy, że Higgs to okno na przyszłość”.
Wielki Zderzacz Hadronów, znany również jako LHC, składający się z pierścienia o długości 27 kilometrów, wewnątrz którego protony rozpędzają się prawie do prędkości światła i zderzają się miliardy razy na sekundę, prawie osiągnął swój limit. Wykonał świetną robotę, znajdując Higgsa, ale nie nadaje się do szczegółowych badań.
Dlatego fizycy cząstek żądają nowego zderzacza cząstek, specjalnie zaprojektowanego do wystrzeliwania wiązek bozonów Higgsa. Zaproponowano kilka projektów tych potężnych nowych maszyn i naukowcy mają nadzieję, że fabryki Higgsa mogą pomóc w znalezieniu rozwiązań dla rażących słabości Modelu Standardowego.
Film promocyjny:
„Model standardowy nie jest pełną teorią wszechświata” - mówi eksperymentalna fizyk cząstek Galina Abramovich z Uniwersytetu w Tel Awiwie. Na przykład teoria ta nie wyjaśnia ciemnej materii, niezidentyfikowanej substancji, której masa jest potrzebna do obserwacji kosmicznych obserwacji, takich jak ruch gwiazd w galaktykach. Nie wyjaśnia również, dlaczego wszechświat jest zbudowany z materii, podczas gdy antymateria jest niezwykle rzadka.
Zwolennicy nowych zderzaczy argumentują, że dokładne badanie bozonu Higgsa może wskazać naukowcom drogę do rozwiązania tych tajemnic. Ale wśród naukowców chęć nowych, drogich akceleratorów nie jest wspierana przez wszystkich. Ponadto nie jest jasne, jakie dokładnie takie maszyny można było znaleźć.
Następny w kolejce
Pierwszym w kolejce jest Międzynarodowy Zderzacz Liniowy w północnej Japonii. W przeciwieństwie do LHC, w którym cząstki poruszają się w pierścieniu, MLC przyspiesza dwie wiązki cząstek w linii prostej, bezpośrednio jedna na drugiej, na całej swojej 20-kilometrowej długości. Zamiast spychać razem protony, wypycha elektrony i ich antymaterię, czyli pozytony.
Jednak w grudniu 2018 r. Interdyscyplinarny komitet japońskiej rady naukowej sprzeciwił się projektowi, wzywając rząd do ostrożnego wsparcia i zastanawiając się, czy oczekiwany postęp naukowy uzasadnia koszt zderzacza, który obecnie szacuje się na 5 miliardów dolarów.
Zwolennicy twierdzą, że plan MLK polegający na zderzaniu elektronów i pozytonów zamiast protonów ma kilka głównych zalet. Elektrony i pozytony są cząstkami elementarnymi, to znaczy nie mają mniejszych składników, a protony składają się z mniejszych cząstek - kwarków. Oznacza to, że zderzenia protonów będą bardziej chaotyczne i stworzą więcej bezużytecznych szczątków cząstek, które będą musiały zostać przesiane.
Ponadto w zderzeniach protonów tylko część energii każdego protonu faktycznie dostaje się do zderzenia, podczas gdy w zderzaczach elektron-pozytron cząstki przenoszą całkowitą energię do zderzenia. Oznacza to, że naukowcy mogą dostroić energię zderzenia, aby zmaksymalizować liczbę wyprodukowanych bozonów Higgsa. Jednocześnie MLK będzie potrzebował tylko 250 miliardów elektronowoltów do wytworzenia bozonów Higgsa, w porównaniu z 13 bilionami elektronowoltów w LHC.
W MLK „jakość danych będzie znacznie lepsza” - mówi fizyk cząstek Lyn Evans z CERN w Genewie. Jedna na 100 zderzeń w MLK spowoduje powstanie bozonu Higgsa, podczas gdy w LHC zdarza się to raz na 10 miliardów zderzeń.
Oczekuje się, że rząd Japonii podejmie decyzję w sprawie zderzacza w marcu. Evans mówi, że jeśli MLK zostanie zatwierdzony, budowa zajmie około 12 lat. Później akcelerator można również ulepszyć, aby zwiększyć energię, którą może osiągnąć.
CERN planuje zbudować podobną maszynę, Compact Linear Collider (CLIC). Zderzy również elektrony i pozytony, ale przy wyższych energiach niż MLK. Jego energia zacznie się od 380 miliardów elektronowoltów i wzrośnie do 3 bilionów elektronowoltów w serii aktualizacji. Aby osiągnąć te wyższe energie, należy opracować nową technologię przyspieszania cząstek, co oznacza, że CLIC nie pojawi się przed MLK, mówi Evans, który kieruje współpracą badawczą w obu projektach.
Bieganie w kole
Pozostałe dwa planowane zderzacze, w Chinach i Europie, będą równie okrągłe jak LHC, ale znacznie większe: każdy o obwodzie 100 kilometrów. Jest to na tyle duże koło, aby dwukrotnie okrążyć Liechtenstein. To praktycznie długość obwodnicy Moskwy.
Kołowy zderzacz elektronowo-pozytonowy, którego budowa nie została jeszcze ustalona w Chinach, zderzy się z 240 miliardami elektronowo-woltowych elektronów i pozytonów, zgodnie z planem koncepcyjnym oficjalnie zaprezentowanym w listopadzie i sponsorowanym przez Wanga i Institute for High Energy Physics. Ten akcelerator można później zmodernizować, aby zderzać wysokoenergetyczne protony. Naukowcy twierdzą, że mogą rozpocząć budowę tej maszyny o wartości 5-6 miliardów dolarów do 2022 roku i ukończyć ją do 2030 roku.
W CERN-ie proponowany przyszły zderzacz kołowy, BKK, również będzie działał etapami, zderzając elektrony z pozytonami, a później z protonami. Ostatecznym celem będzie zderzenie protonów przy 100 bilionach elektronowoltów, czyli ponad siedmiokrotnie większej energii niż LHC.
W międzyczasie naukowcy wyłączyli LHC na dwa lata, unowocześniając maszynę do pracy na wyższej energii. W 2026 roku zacznie działać LHC o dużej jasności, co co najmniej pięciokrotnie zwiększy częstotliwość zderzeń protonów.
Portret Higgsa
Kiedy zbudowano LHC, naukowcy byli na tyle pewni, że znaleźli z nim bozon Higgsa. Ale w przypadku nowych maszyn nie jest jasne, jakich nowych cząstek szukać. Po prostu skatalogują, jak silnie Higgs oddziałuje z innymi znanymi cząstkami.
Pomiary interakcji Higgsa mogą potwierdzić oczekiwania modelu standardowego. Ale jeśli obserwacje różnią się od oczekiwań, rozbieżność może pośrednio wskazywać na obecność czegoś nowego, na przykład cząstek tworzących ciemną materię.
Niektórzy naukowcy mają nadzieję, że wydarzy się coś nieoczekiwanego. Ponieważ sam bozon Higgsa jest tajemnicą: cząsteczki te kondensują się w ciecz podobną do melasy. Czemu? Nie mamy pojęcia, mówi teoretyk cząstek Michael Peskin z Uniwersytetu Stanforda. Płyn ten przenika wszechświat, spowalniając cząsteczki i nadając im wagę.
Kolejną tajemnicą jest to, że masa Higgsa jest o milion miliardów mniejsza niż oczekiwano. Ta dziwność może wskazywać, że istnieją inne cząstki. Naukowcy wcześniej myśleli, że mogą rozwiązać problem Higgsa za pomocą teorii supersymetrii - spółgłoski, której każda cząstka ma cięższego partnera. Ale tak się nie stało, ponieważ LHC nie znalazł żadnych śladów cząstek supersymetrycznych.
Przyszłe zderzacze mogą nadal znajdować dowody na supersymetrię lub w inny sposób wskazywać na nowe cząstki, ale tym razem naukowcy nie złożą obietnic. Są teraz bardziej zajęci ustalaniem priorytetów i argumentowaniem na korzyść nowych zderzaczy i innych eksperymentów w fizyce cząstek elementarnych. Jedno jest pewne: proponowane akceleratory zbadają nieznane obszary z nieprzewidywalnymi skutkami.
Ilya Khel