A CERN új projektje egy olyan mechanizmus felépítése, amely majdnem négyszer nagyobb lesz, mint a létező legnagyobb eszköz. De miért pontosan ez?
A Large Hadron Collider (LHC) vitathatatlanul az egyik leginkább titokzatos eszköz a világon. Egy kör alakú alagútban található, 27 km-re a Franciaország és Svájc határán, és fő feladata az univerzum legkisebb részecskéinek ütközése.
Ez a mechanizmus világszerte vált híressé 2012-ben, amikor a CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet) bejelentette a Higgs-bozon felfedezését. Az elemi részecske létezésének elmélete évtizedekkel ezelőtt jelent meg, az elemi részecskék standard modelljének mögött meghúzódó matematikai számítások feltételezték, hogy létezik, de senki sem tudta megjavítani az LHC-n végzett kísérlet előtt.
És most a CERN a jövőbeli tervekről beszél. Az LHC segítségével 2009 óta végeznek kísérleteket, megszakításokkal a mechanizmus frissítése érdekében. Most, csak egy ilyen szünet, és az LHC 2021-ben ismét elindul, miután további évtizedekig működni fog.
A meglévő projektek azonban annyira ambiciózusak, hogy a CERN évek óta megvitatja az LHC utódjának felépítésére irányuló javaslatot. És most a szervezet alkalmazottai készen állnak arra, hogy elmondják a jövőképüket.
Az úgynevezett Future Circular Collider (FCC) elnevezésű beruházási terveket 2019. januárjában jelentették be. A BCC sokkal nagyobb és erősebb, mint a jelenlegi gyorsító. Bár ez csak egy terv, még nem fogadták el. A terv végrehajtása esetén a BCC kísérletei a 2040-es években kezdődnek.
A CERN szerint az építés teljes költsége alig több mint 200 milliárd kront (1,5 trillió rubelt meghaladó - kb. Transzl.) Fog elérni. A szervezet tagországai évtizedekig finanszírozzák a projektet. Norvégia a CERN 22 tagállama közé tartozik, és 2019-ben hozzávetőlegesen 240 millió krónát (1,8 milliárd rubelt) járul hozzá.
Promóciós videó:
De miért van szükség egy új részecskegyorsítóra, amit a tudósok remélnek vele elérni?
Hosszú-hosszú alagút
Az LHC-t ugyanabba az alagútba helyezik, mint az előző részecskegyorsítót, csak egy új töltőanyagot helyeztek oda. Az előző eszköz munkáját 2000-ben csökkentették.
De egy teljesen új, 100 kilométer hosszú alagút épül a BCC-hez. A részecskegyorsító megnövekedett hossza miatt a részecskék sokkal nagyobb erővel ütköznek össze.
"Száz éven át az anyag szerkezetének és összetételének tanulmányozása érdekében talán a legfontosabb kísérleti módszer a kis anyagdarabok nagy erővel történő ütközése" - mondja Anders Kvellestad, a Londoni Imperial College részecskefizikus.
Valójában a CERN terv több eszköz építését sürgeti ugyanabban az alagútban, amelyek egymás után helyezkednek el. Az első mechanizmus össze fog ütni az elektronokat és a pozitronokat, és pontosabb mérésekhez és kutatásokhoz használható, például a Higgsi bozonhoz, amelyről eddig nem minden ismert.
A teljesen új ismeretlen részecskék kvantumvonalait közvetlen észlelés nélkül is kimutathatjuk.
Új fizika?
Az ólom atomok elektronjainak és atommagjainak ütközésével járó egyéb kísérletek mellett később egy nagyon hatékony mechanizmust terveznek felépíteni, amelynek segítségével a protonok ütköznek az alagútban levő protonokkal.
„A részecskefizikában a proton és a proton ütközése egy sarló kalapácsra hasonlít, míg az elektron pozitronnal való ütközése összehasonlítható egy kis geológiai kalapáccsal. Az előbbi nagyobb hatalmat ad, míg az utóbbi pontosabb."
Maga a részecskenyaláb teljesítményét teraelektronvoltokban (TeV) mérik. A 27 kilométer hosszú LHC 14 TeV-t képes kezelni, míg az új gázpedál 100 TeV-ig képes ellenállni.
A magasabb energiák lehetővé teszik olyan masszív részecskék „becsalogatását”, amelyeket korábban még nem figyeltek meg, és lehetséges, hogy az ilyen kísérletek eredményei teljesen új fizikának adnak képet, magyarázza Kvellestad.
Mivel az univerzum még mindig tele van olyan dolgokkal, amelyeket a tudósok nem értenek. Például, nincs válasz arra a kérdésre, hogy mi a sötét energia és a sötét anyag valójában, bár ezek központi fogalmak az univerzum jelenlegi megértésében.
A modern fizikában is nagy probléma merül fel. Az általános részecskék leírására szolgáló általános relativitáselmélet és a kvantummező-elmélet nem egyezik. Jelenleg nincs magyarázat magának a gravitációnak, amely mindkét modellbe belefér.
Függetlenül attól, hogy hogyan néz rá, valami hiányzik a világegyetem megértésében. Sok magyarázatot kínálnak, de a kutatóknak bizonyítékokra van szükségük.
És a fizikusok abban reménykedtek, hogy az LHC jelenlegi részecskegyorsítója utalást fog adni az új fizikáról. Még nem történt meg, de az LHC még sok évig működni fog.
„Most mindent tudunk a meglévő adatok néhány apró, de érdekes eltéréséről az elmélet és a gyakorlat között. Ezért azt várom, hogy az LHC következő fordulójának eredményei megmutatják nekünk, hogy ezeket az eltéréseket az „új fizika” okozza, vagy csak statisztikai variációk”- mondja Kvellestad.
Ugyanakkor kétségek merülnek fel az új részecskegyorsítók építésének terveivel kapcsolatban is.
Valóban csinál valamit?
A német fizikus, Sabine Hossenfelder az MCC javaslat egyik kritikusa. Írt egy könyvet arról, hogy a fizika hogyan foglalkozik túl az egyenletek "szépségével".
A The New York Times egyik oszlopában kritizálja a projektet, különösen azért, mert a CERN ugyanazokkal az ígéretekkel szól, amelyeket az LHC felépítése előtt tett: sötét anyag megtalálására és az univerzum eredete tisztázására.
A probléma az, hogy egy ilyen eredmény semmilyen módon nem garantálható - mondta Hossenfelder. A fizikusok szinte biztosak voltak abban, hogy az LHC segítségével megtalálják a Higgs-bozonot, de most nincsenek ilyen ígéretes célpontjai.
A szuperszimmetria egy elmélet, amely több különféle részecske létezését jósolta, amelyek kitölthetik a standard modell hiányosságait, ám ezeket a részecskéket még nem vizsgálták meg a kísérletekben.
Hossenfelder szerint a fizikának egyelőre más lehetőségeket kellene feltárnia, és jobb, ha egy nagy gyorsító építésével várunk, arra a kérdésre összpontosítva, hogy miért nem jelentek meg a feltételezett részecskék az LHC-ben.
Ha érdekli, a blogjában bővebben elolvashatja a projekt kritikáját. Azt is mondja, hogy ha az LHC segítségével az elkövetkező években valóban lehetséges valamit találni, akkor a kép megváltozhat.
Alapkutatás
"A Higss-bozon felfedezése után már nincs semmiféle elméleti garancia arra, hogy új részecskéket fogunk találni a következő generációs kísérletekben - mondja Anders Kvellestad. - De ez valójában csak azt jelenti, hogy a részecskefizika visszatért a normálhoz az alapvető kutatási állapot - amikor senki sem tudja, mi derülhet fel a következő kísérletben."
"A fizika történetében számos olyan felfedezés létezik, amelyekről senki sem gondolt előre."
Kvellestad úgy véli, hogy még ha a fizikusok nem is értenek egyet abban, hogy mire számíthatnak ezek a kísérletek, ez nem lehet érv a nagy új kísérletek elvégzése ellen.
Az új részecskegyorsítóknak köszönhetően a tudósok jobban meg tudják vizsgálni és megmérik a már ismert részecskéket - mondta Kvellestad.
Nagyobb mechanizmust kell építeni, de most nem?
"Kétségtelen, hogy a részecskefizikai kutatás jövőbeli útja egy nagyobb mechanizmuson megy keresztül" - mondta Bjørn Samset, a Cicero Nemzetközi Környezetvédelmi és Klímakutató Központ kutatója. Általános részecskefizikus képzéssel és a CERN-nél dolgozott.
"Az egyetlen kérdés az, hogy itt az ideje építeni, vagy most jobb más dolgokra összpontosítani."
Úgy véli továbbá, hogy a fizika valószínűleg több hasznot hozna, ha előbb részletesebben kiértékelnék más projekteket, amelyek jobban megérthetik, hogy mit találhat az új eszköz.
Samset példaként említi a sötét anyagot.
"Sokan azt remélték, hogy az LHC-nek elegendő energiája lenne a részecskék létrehozására, amelyekből a sötét anyag készülhet."
Számos elmélet került előterjesztésre, és néhányuk megcáfolása megtörtént, ám sokat még ellenőrizni kell. A kérdés az, hogy nem lehet-e jobban összpontosítani más módszerekre, például a speciális érzékelőkre, amelyekkel a sötét anyag közvetlenül rögzíthető.
Ha a BCC épül, akkor ez nem hamarosan történik, de Samset hangsúlyozza, hogy nagyon fontos az ilyen projektekről előre megbeszélni.
„A várakozás veszélye a tapasztalatok elvesztése. A CERN technikusai valódi mágusok, ők teszik a gázpedált hihetetlen dolgokra. Ha nem kezdjük el a következő projekt megtervezését, akkor sok tapasztalat elveszhet."
Ugyanakkor úgy véli, hogy a tapasztalatok átadhatók más projektek keretében. De biztos abban, hogy továbbra is hatalmas gyorsítókat építenek.
"Egy ilyen mechanizmust ki kell építeni, és ki kell építeni, de talán még túl korai?"
Lasse Biørnstad