W 2008 roku wiązka protonów po raz pierwszy owinęła się wokół Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie. Dziesięć lat później nadszedł czas, aby podsumować to, czego nauczyliśmy się dzięki temu narzędziu i co nas czeka.
Ta rachunkowość obejmuje zarówno przyszłe badania, które LHC może przeprowadzić, jak i możliwe nowe urządzenia, które mogłyby zderzać cząstki przy energiach znacznie przekraczających to, co LHC może osiągnąć. Zaproponowano dwa, a może trzy możliwe zamienniki LHC. Sprawdźmy więc, gdzie jesteśmy i dokąd przybyliśmy w ciągu ostatniej dekady.
Historia LHC jest zarówno ekscytująca, jak i burzliwa, a wydarzenia zaczynają się od katastrofalnych uszkodzeń do ogromnych magnesów instrumentu w pierwszych dniach operacji, po fenomenalnym powstaniu po tej tragedii, po której nastąpiły solidne i ekscytujące odkrycia, w tym odkrycie bozon Higgsa. To odkrycie przyniosło Peterowi Higgsowi i Francoisowi Englertowi Nagrodę Nobla, tak jak przewidzieli cząsteczkę ponad pół wieku temu. To niezwykłe, że świat z entuzjazmem śledzi wiadomości z fizyki cząstek, ale ogłoszenie odkrycia Higgsa doprowadziło do opublikowania wiadomości na całym świecie.
Znalezienie nowej fizyki
Fizycy również znajdowali się na krawędzi swoich miejsc, czekając na to, co mieli nadzieję, że będą to nieoczekiwane odkrycia. Przez prawie pół wieku naukowcy wypracowali obecne teoretyczne zrozumienie zachowania materii subatomowej. To zrozumienie nazywa się Standardowym Modelem Fizyki Cząstek.
Model wyjaśnia obserwowane zachowanie cząsteczek i atomów zwykłej materii, a nawet najmniejszych znanych dotychczas budulców. Cząstki te nazywane są kwarkami i leptonami, z kwarkami znajdującymi się w protonach i neutronach, które składają się z jądra atomu, a elektrony są najbardziej znanym leptonem. Model standardowy wyjaśnia również zachowanie wszystkich znanych sił, z wyjątkiem grawitacji. To naprawdę niezwykłe osiągnięcie naukowe.
Model standardowy nie wyjaśnia jednak wszystkich rzeczy w fizyce teoretycznej. Nie wyjaśnia, dlaczego kwarki i leptyny wydają się istnieć w trzech różnych, ale prawie identycznych konfiguracjach, zwanych pokoleniami. (Dlaczego trzy? Dlaczego nie dwa? Lub cztery? Albo jeden? Lub 20?) Ten model nie wyjaśnia, dlaczego nasz wszechświat składa się całkowicie z materii, gdy najprostsze zrozumienie teorii względności Alberta Einsteina mówi, że wszechświat powinien również zawierać równa ilość antymaterii.
Model standardowy nie wyjaśnia, dlaczego badania kosmosu sugerują, że zwykła materia atomów stanowi zaledwie 5 procent materii i energii wszechświata. Uważa się, że reszta składa się z ciemnej materii i ciemnej energii. Ciemna materia jest formą materii, która doświadcza tylko grawitacji i żadnych innych podstawowych sił, podczas gdy ciemna energia jest formą odpychającej grawitacji, która przenika kosmos.
Przed pierwszymi operacjami LHC fizycy tacy jak ja mieli nadzieję, że niszczyciel atomów pomoże nam odpowiedzieć na te zagadkowe pytania. Najczęściej cytowaną teorią kandydatów wyjaśniającą te zagadki była supersymetria. Sugeruje to, że wszystkie znane cząstki subatomowe mają cząstki „superpartnera”. To z kolei może wyjaśnić ciemną materię i odpowiedzieć na kilka innych pytań. Jednak fizycy nie zaobserwowali żadnej supersymetrii. Co więcej, dane LHC wykluczyły najprostsze teorie zawierające supersymetrię. Co osiągnął LHC?
LHC wiele zrobił
Poza tym całym bozonem Higgsa, LHC dostarczył dane do czterech dużych eksperymentalnych współpracy, w wyniku których powstało ponad 2000 artykułów naukowych. Wewnątrz LHC cząstki zostały rozbite na siebie przy energiach 6,5 razy wyższych niż te osiągane przez Fermilab Tevatron, który przez ćwierć wieku utrzymywał tytuł najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie, dopóki LHC nie przejął tej korony.
Te testy Modelu Standardowego były bardzo ważne. Każdy z tych pomiarów mógł nie zgadzać się z przewidywaniami, co doprowadziłoby do odkrycia. Okazuje się jednak, że Model Standardowy jest bardzo dobrą teorią i dokonał tak dokładnych prognoz dla energii zderzenia LHC, jak w przypadku poziomów energii we wcześniejszym Tevatronie.
Czy to jest problem? W bardzo realnym sensie odpowiedź brzmi „nie”. W końcu nauka polega zarówno na testowaniu i odrzucaniu niewłaściwych nowych pomysłów, jak i na sprawdzaniu poprawnych.
Z drugiej strony nie można zaprzeczyć, że naukowcy byliby znacznie bardziej podekscytowani odkryciem zjawisk, których wcześniej nie przewidywano. Odkrycia tego typu napędzają ludzką wiedzę, czego zwieńczeniem jest przepisywanie podręczników.
Historia LHC jeszcze się nie skończyła
I co teraz? Czy LHC skończył opowiadać nam swoją historię? Prawie wcale. Rzeczywiście, naukowcy oczekują ulepszeń sprzętu, które pomogą im zbadać pytania, których nie można rozwiązać za pomocą obecnej technologii. LHC został zamknięty na początku grudnia 2018 r. Na dwa lata remontów i aktualizacji. Kiedy akcelerator wznowi działanie wiosną 2021 r., Powróci z niewielkim wzrostem energii, ale podwoi liczbę zderzeń na sekundę. Biorąc pod uwagę przyszłe planowane aktualizacje, naukowcy z LHC zarejestrowali dotychczas tylko 3 procent oczekiwanych danych. Chociaż przegląd wszystkich wyników zajmie wiele lat, obecny plan polega na zarejestrowaniu około 30 razy większej ilości danych niż dotychczas. Mając do dyspozycji znacznie więcej danych, LHC ma jeszcze wiele do opowiedzenia.
Mimo że LHC będzie działał prawdopodobnie przez kolejne 20 lat, całkowicie rozsądne jest również pytanie „Co dalej?” Fizycy cząstek zastanawiają się nad zbudowaniem kolejnego akceleratora cząstek, który zastąpi LHC. Zgodnie z tradycją LHC jedna możliwość zderzyłaby ze sobą wiązki protonów przy zadziwiających energiach - 100 bilionów woltów elektronów (TeV), co jest znacznie większe niż najwyższa zdolność LHC wynosząca 14 TeV. Ale osiągnięcie tych energii będzie wymagało dwóch rzeczy: po pierwsze, musielibyśmy zbudować magnesy, które są dwa razy silniejsze niż te, które popychają cząsteczki wokół LHC. Jest to uważane za trudne, ale możliwe do osiągnięcia. Po drugie, potrzebujemy kolejnego tunelu, podobnego do LHC, ale znacznie ponad trzykrotnie większego dookoła, z boiskiem o długości 61 mil (100 kilometrów), około cztery razy większym niż LHC.
Ale gdzie zostanie zbudowany ten wielki tunel i jak on naprawdę będzie wyglądał? Jakie wiązki zderzą się i przy jakiej energii? To są dobre pytania. Nie jesteśmy wystarczająco daleko w procesie projektowania i podejmowania decyzji, aby uzyskać odpowiedzi, ale istnieją dwie bardzo duże i sprawne grupy fizyków myślących o problemach, i każda z nich wygenerowała propozycję nowego akceleratora. Jedna z propozycji, w dużej mierze napędzana przez europejskie grupy badawcze, wyobraża sobie budowę dużego dodatkowego akceleratora, najprawdopodobniej zlokalizowanego w laboratorium CERN, niedaleko Genewy.
Zgodnie z jedną ideą, obiekt tam zderzyłby wiązkę elektronów i elektronów antymaterii. Z powodu różnic między przyspieszającymi protonami w porównaniu z elektronami - wiązka elektronów traci więcej energii wokół struktury kołowej niż wiązka protonów - wiązka ta użyłaby tunelu o długości 61 mil, ale działałaby przy niższej energii, niż gdyby była to proton. Inna propozycja użyłaby tego samego przyspieszacza o długości 61 mil do zderzenia wiązek protonów. Bardziej skromna propozycja wykorzystałaby obecny tunel LHC, ale z mocniejszymi magnesami. Ta opcja podwoiłaby tylko energię zderzenia ponad to, co LHC może teraz zrobić, ale jest to tańsza alternatywa. Inna propozycja, w dużej mierze popierana przez chińskich badaczy, wyobraża sobie zupełnie nowy obiekt, prawdopodobnie wybudowany w Chinach. Akcelerator ten miałby około 61 mil wokół siebie i zderzałby elektrony i elektrony antymaterii razem, przed przejściem na zderzenia proton-proton około 2040 r.
Te dwa potencjalne projekty są wciąż w fazie rozmów. Ostatecznie naukowcy składający te propozycje będą musieli znaleźć rząd lub grupę rządów gotowych do pokrycia rachunku. Ale zanim to się stanie, naukowcy muszą określić możliwości i technologie wymagane do umożliwienia tych nowych obiektów. Obie grupy opublikowały niedawno obszerną i dokładną dokumentację na temat swoich projektów. To nie wystarczy, aby zbudować proponowane obiekty, ale wystarczy zarówno porównać prognozowane wyniki przyszłych laboratoriów, jak i rozpocząć tworzenie wiarygodnych prognoz kosztów.
Badanie granicy wiedzy jest trudnym przedsięwzięciem i może zająć wiele dziesięcioleci od pierwszych marzeń o budowie obiektu tej wielkości, przez operacje aż do zamknięcia obiektu. Gdy obchodzimy 10-lecie pierwszej belki w LHC, warto podsumować, co obiekt osiągnął i co przyniesie przyszłość. Wydaje mi się, że będą dostępne ekscytujące dane do badań nowej generacji naukowców. A może, tylko może, poznamy jeszcze kilka fascynujących tajemnic natury.
Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. On jest autorem „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które oszaleją„(Johns Hopkins University Press, 2014), a on produkuje szereg edukacji naukowej filmy. Podążać za nim na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu należą do niego.
Don Lincoln wniósł ten artykuł do Live Science's Głosy ekspertów: Op-Ed i statystyki.
