Dar 2008 m. Protonų pluoštas pirmą kartą buvo užfiksuotas aplink Didžiausią hadronų susidūrėją (LHC), galingiausią pasaulyje dalelių greitintuvą. Dabar, po dešimtmečio, atėjo laikas įvertinti tai, ko išmokome pasinaudoję šia galimybe, ir tai, kas laukia ateityje.
Į šią apskaitą įeina ir būsimi tyrimai, kuriuos gali atlikti LHC, ir galimi nauji įrenginiai, galintys susidurti su dalelėmis energijose, kurios yra daug didesnės nei LHC gali pasiekti. Buvo pasiūlyti du, o gal trys, galimi LHC pakeitimai. Taigi, apžvelkime, kur esame ir kur esame patekę per pastarąjį dešimtmetį.
LHC istorija yra jaudinanti ir audringa: įvykiai prasideda nuo pražūtingos žalos instrumento didžiuliams magnetams per pirmąsias operacijų dienas, iki į feniksą panašus kilimas iš tos tragedijos, po kurio sekė solidūs ir jaudinantys atradimai, įskaitant atradimą. Higso bozonas. Šis radinys pelnė Peterio Higso ir Francois'o Englerto Nobelio premijas, kaip jie numatė dalelę daugiau nei prieš pusę amžiaus. Neįprasta, kad pasaulis greitai seka dalelių fizikos naujienas, tačiau pranešimas apie Higso atradimą paskatino naujienas visame pasaulyje.
Ieškoma naujos fizikos
Fizikai taip pat stovėjo prie savo vietų, laukdami to, ko jie tikėjosi, bus netikėti atradimai. Beveik pusę amžiaus mokslininkai turėjo dabartinį teorinį supratimą apie subatominių medžiagų elgesį. Šis supratimas vadinamas standartiniu dalelių fizikos modeliu.
Šis modelis paaiškina stebimą įprastų medžiagų molekulių ir atomų bei net mažiausių žinomų statybinių blokų, kurie kada nors buvo stebimi, elgseną. Šios dalelės yra vadinamos kvarkais ir leptonais, o kvarkai yra protonų ir neutronų, sudarančių atomo branduolį, viduje, o elektronai yra labiausiai žinomi leptonai. Standartinis modelis taip pat paaiškina visų žinomų jėgų, išskyrus sunkumą, elgesį. Tai tikrai nepaprastas mokslinis pasiekimas.
Tačiau standartinis modelis nepaaiškina visų dalykų teorinėje fizikoje. Nepaaiškinama, kodėl kvarkai ir leptonai egzistuoja trijose skirtingose, bet beveik tapačiose konfigūracijose, vadinamose kartomis. (Kodėl trys? Kodėl ne du? Ar keturi? Arba vienas? Ar 20?) Šis modelis nepaaiškina, kodėl mūsų visata yra sudaryta tik iš materijos, kai paprasčiausias Alberto Einšteino reliatyvumo teorijos supratimas sako, kad visatoje taip pat turėtų būti vienodo kiekio antimaterijos.
Standartinis modelis nepaaiškina, kodėl kosmoso tyrimai leidžia manyti, kad įprasta atomų materija sudaro tik 5 procentus Visatos materijos ir energijos. Manoma, kad likusią dalį sudaro tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos. Tamsioji materija yra materijos forma, patirianti tik gravitaciją ir nė vienos iš kitų pagrindinių jėgų, tuo tarpu tamsi energija yra atstumiančios gravitacijos forma, persmelkianti kosmosą.
Prieš pirmąsias LHC operacijas, tokie fizikai kaip aš tikėjausi, kad atominio triuškinimo mašina padės mums atsakyti į šiuos mįslingus klausimus. Dažniausiai cituojama kandidatų teorija aiškinant tuos galvosūkius buvo vadinama supersimetrija. Tai rodo, kad visos žinomos subatominės dalelės turi „superpartner“ daleles. Jie, savo ruožtu, galėtų paaiškinti tamsiąją medžiagą ir atsakyti į kai kuriuos kitus klausimus. Tačiau fizikai nepastebėjo jokios supersimetrijos. Dar daugiau, LHC duomenys atmetė paprasčiausias teorijas, apimančias supersimetriją. Taigi, ką LHC nuveikė?
LHC nuveikė daug
Na, be viso to Higgso bozono dalyko, LHC pateikė duomenis savo keturiems dideliems eksperimentiniams bendradarbiams, kurių rezultatas buvo daugiau nei 2000 mokslinių darbų. LHC viduje dalelės buvo sutriuškintos 6,5 karto didesnėmis energijomis, nei pasiekė „Fermilab Tevatron“, kuris ketvirtį amžiaus išlaikė galingiausio pasaulyje dalelių greitintuvo titulą, kol LHC paėmė tą karūną.
Šie standartinio modelio testai buvo labai svarbūs. Bet kuris iš tų matavimų galėjo nesutikti su prognozėmis, kurios būtų buvę atradimas. Tačiau paaiškėja, kad standartinis modelis yra labai gera teorija, ir ji padarė tokias pat tikslias LHC susidūrimo energijų prognozes kaip ir ankstesniojo „Tevatron“ energijos lygiai.
Taigi, ar tai yra problema? Labai tikra prasme atsakymas yra ne. Juk mokslas yra ne tik klaidingų naujų idėjų išbandymas ir atmetimas, bet ir teisingų patvirtinimas.
Kita vertus, neginčijama, kad mokslininkams būtų buvę kur kas labiau malonu rasti reiškinius, kurie anksčiau nebuvo numatyti. Tokio tipo atradimai skatina žmogaus žinias, o kulminacija yra vadovėlių perrašymas.
LHC istorija nesibaigė
Taigi, ką dabar? Ar LHC baigė pasakoti mums savo pasaką? Vargu. Iš tiesų tyrėjai tikisi įrangos patobulinimų, kurie padės išsiaiškinti klausimus, kurių jie negali išspręsti naudodamiesi dabartinėmis technologijomis. LHC buvo uždarytas 2018 m. Gruodžio pradžioje dvejus metus trukusiems atnaujinimo ir atnaujinimo darbams. Kai akseleratorius vėl pradės veikti 2021 m. Pavasarį, jis grįš šiek tiek padidėjęs energijos kiekis, tačiau dvigubai daugiau susidūrimų per sekundę. Atsižvelgiant į būsimus planuojamus atnaujinimus, LHC mokslininkai iki šiol užfiksavo tik 3 procentus tikėtinų duomenų. Nors peržvelgti visas išvadas reikės daug metų, dabartinis planas yra įrašyti apie 30 kartų daugiau duomenų, nei buvo gauta iki šiol. Turėdamas dar daugiau duomenų, LHC dar turi daug ką papasakoti.
Vis dėlto, nors LHC veiks dar 20 metų, visiškai pagrįsta paklausti: „Kas toliau?“ Dalelių fizikai galvoja apie tolesnio kietųjų dalelių greitintuvo pastatymą, kad pakeistų LHC. Remiantis LHC tradicija, viena galimybė protonų pluoštus susidurtų kartu su protu nesuvokiamoje energijoje - 100 trilijonų elektronų voltų (TeV), tai yra daug daugiau nei LHC viršutinė 14 TeV galia. Bet norint įgyvendinti šias energijas, reikės dviejų dalykų: pirma, mums reikės pastatyti du kartus galingesnius magnetus, nei tie, kurie stumia daleles aplink LHC. Tai laikoma sudėtinga, bet pasiekiama. Antra, mums reikės dar vieno tunelio, panašiai kaip LHC, tačiau aplink jį daugiau nei tris kartus didesnis, jo rutulio parko perimetras yra 61 mylios (100 kilometrų), maždaug keturis kartus didesnis nei LHC.
Bet kur bus pastatytas šis didelis tunelis ir kaip jis iš tikrųjų atrodys? Kokios sijos susidurs ir kokia energija? Na, tai yra geri klausimai. Projektavimo ir sprendimų priėmimo procese nesame pakankamai toli, kad gautume atsakymus, tačiau yra dvi labai didelės ir patyrusios fizikų grupės, galvojančios apie šias problemas, ir kiekviena jų sukūrė naujo greitintuvo pasiūlymą. Viename iš pasiūlymų, daugiausia paremtų Europos tyrimų grupių, įsivaizduojama pastatyti didelį papildomą greitintuvą, greičiausiai esantį CERN laboratorijoje, visai šalia Ženevos.
Pagal vieną idėją, jame esantis objektas susidurs su elektronų ir antimaterijos elektronų pluoštu. Dėl skirtumų tarp greitėjančių protonų ir elektronų - elektronų pluoštas praranda daugiau energijos aplink apskrito struktūrą nei protonų pluoštas - šis pluoštas naudotų 61 mylios ilgio tunelį, tačiau veiktų mažesne energija nei tuo atveju, jei būtų protonai. Kitas pasiūlymas būtų tas pats 61 mylių ilgio greitintuvas, skirtas susidurti su protonų pluoštais. Dėl kuklesnio pasiūlymo būtų pakartotinai naudojamas dabartinis LHC tunelis, tačiau su galingesniais magnetais. Ši parinktis tik du kartus padidins susidūrimo energiją, palyginti su tuo, ką LHC gali padaryti dabar, tačiau tai yra pigesnė alternatyva. Kitas pasiūlymas, kurį didžiąja dalimi palaikė Kinijos tyrėjai, įsivaizduoja visiškai naują objektą, kuris, tikėtina, pastatytas Kinijoje. Šis greitintuvas taip pat būtų apie 61 mylios atstumu, o prieš perjungdamas į protonų ir protonų susidūrimus maždaug 2040 m., Jis susidurtų su elektronų ir antimaterijos elektronų jungtimi.
Šie du potencialūs projektai vis dar aptariami. Galiausiai šiuos pasiūlymus pateikiantys mokslininkai turės surasti vyriausybę ar vyriausybių grupę, norinčią įvykdyti sąskaitą. Tačiau prieš tai gali nutikti, kad mokslininkai turi nustatyti galimybes ir technologijas, kurių reikia šiems naujiems įrenginiams sukurti. Abi grupės neseniai išleido išsamią ir išsamią dokumentaciją apie savo dizainą. To nepakanka norint sukurti jų siūlomą įrangą, tačiau pakankamai gerai, kad būtų galima palyginti numatomus būsimų laboratorijų pasirodymus ir pradėti kaupti patikimas išlaidų prognozes.
Ištirti žinių ribas yra sunkus uždavinys, ir nuo pirmųjų svajonių pastatyti tokio masto objektą nuo operacijų iki objekto uždarymo gali prireikti daugelio dešimtmečių. Minint 10-metį nuo pirmojo spinduliavimo LHC sukakties, verta įvertinti, ką šis objektas pasiekė ir ką duos ateitis. Man atrodo, kad bus įdomių duomenų naujos kartos mokslininkams studijuoti. Ir galbūt, tik galbūt, mes sužinosime dar keletą žavių gamtos paslapčių.
Don Lincoln yra fizikos tyrėjas Fermilabas. Jis yra „Didelis hadronų susidūrėjas: nepaprastas Higso Bosono pasakojimas ir kiti dalykai, kurie sujaudins jūsų mintis“(Johns Hopkins University Press, 2014 m.), Ir jis gamina mokslo lavinimo ciklą vaizdo įrašai. Sek jį „Facebook“. Šiame komentare išsakyta nuomonė yra jo.
Donas Linkolnas pridėjo šį straipsnį prie „Live Science's“ Ekspertų balsai: op-ed ir įžvalgos.
