Ha a részecskefizikusok megkapják az utat, akkor az új gyorsítók egy nap átvizsgálhatják a fizika legszomorúbb szubatómiai részecskét, a Higgsi bozont. Hat évvel azután, hogy ezt a részecskét felfedezték a Nagy Hadron Összeütközőben, a fizikusok hatalmas új gépeket terveznek, amelyek több tíz kilométerre nyúlnak Európában, Japánban vagy Kínában.
Új ütközők: mi lesznek
Ennek a szubatomi szemcséknek a felfedezése, amely feltárja a tömeg eredetét, a standard modell, a részecskefizika átfogó elméletének befejezéséhez vezetett. Ez szintén mérföldkőnek bizonyult az LHC számára, amely jelenleg a világ legnagyobb gyorsítója - elvégre a Higgs-bozon keresésére építették, bár nemcsak.
Most a fizikusok mélyebben bele akarnak mászni a Higgs-bozon rejtélyébe, abban a reményben, hogy ez lesz a kulcs a részecskefizika hosszú ideje fennálló problémáinak megoldásához. „A Higgs egy különleges részecske” - mondja Yifang Wang fizikus, a pekingi Nagy Energia Fizikai Intézet igazgatója. "Hisszük, hogy a Higgs egy ablakot jelent a jövőbe."
A LHC néven is ismert nagy hadroncsatorna, amely egy 27 km hosszú gyűrűből áll, amelynek belsejében a protonok majdnem a fénysebességre gyorsulnak és másodpercek milliárdszor ütköznek össze, majdnem elérte a határát. Kiváló munkát végzett, hogy megtalálja a Higgs-t, de nem alkalmas részletes kutatásokra.
Ezért a részecskefizikusok egy új részecske ütközőt követelnek, amelyet kifejezetten Higgs-bozonok halomának elindítására terveztek. Számos projektet javasoltak ezeknek az új hatalmas gépeknek, és a tudósok remélik, hogy ezek a Higgsi gyárak segítenek megoldást találni a standard modell szembeszökő gyengeségeire.
Promóciós videó:
"A standard modell nem az egész világegyetem teljes elmélete" - mondja Galina Abramovich, a tel-avivi egyetem kísérleti részecskefizikusa. Például ez az elmélet nem magyarázza meg a sötét anyagot, egy azonosítatlan anyagot, amelynek tömegére szükség van a kozmikus megfigyelések, például a csillagok galaxisokban történő mozgásának figyelembe vételéhez. Nem magyarázza azt sem, hogy az univerzum miért készül az anyagból, míg az antianyag rendkívül ritka.
Az új ütköztetők támogatói azt állítják, hogy a Higgs-bozon gondos tanulmányozása a tudósok felé irányíthatja ezeket a misztériumokat. A tudósok körében azonban az új, drága gyorsítók vágyát nem mindenki támogatja. Ráadásul nem világos, hogy pontosan mit találtak ilyen gépek.
A következő a sorban
Az első a Japán északi részén található International Linear Collider. Az LHC-vel ellentétben, amelyben a részecskék egy gyűrűben mozognak, az MLC két részecskenyalábot egyenes vonalban gyorsítja fel, közvetlenül egymás tetejére, teljes 20 kilométer hossza mentén. A protonok egymáshoz jutása helyett az elektronokat és azok antianyag-partnereit, a pozitronokat tolja.
A japán Tudományos Tanács interdiszciplináris bizottsága azonban 2018 decemberében ellenezte a projektet, sürgetve a kormányt, hogy legyen óvatos támogatásával, és azon tűnődjen, vajon a várt tudományos eredmények igazolják-e az ütköző költségeit, amely jelenleg 5 milliárd dollárra becsülhető.
A támogatók azt állítják, hogy az MLK tervének az elektronok és a pozitronok, nem pedig a protonok ütközéséről szóló tervnek számos fő előnye van. Az elektronok és a pozitronok elemi részecskék, vagyis nem tartalmaznak kisebb komponenseket, és a protonok kisebb részecskékből állnak - kvarkok. Ez azt jelenti, hogy a proton ütközések kaotikusabbak lesznek, és több haszontalan részecske törmeléket hoznak létre, amelyeket át kell szitálni.
Ezenkívül a protonok ütközésében az egyes protonok energiájának csak egy része esik az ütközésbe, míg az elektron-pozitron ütközőkben a részecskék átviszik az összenergiát az ütközésbe. Ez azt jelenti, hogy a tudósok beállíthatják az ütközési energiát azáltal, hogy maximalizálják az előállított Higgs-bozonok számát. Ugyanakkor az MLK-nek csupán 250 milliárd elektronvoltra lenne szüksége Higgs-bozonok előállításához, szemben az LHC 13 billió elektronvolttal.
Az MLK-nál "az adatok minősége sokkal jobb lesz" - mondja Lyn Evans részecskefizikus, a CERN Genfben. Az MLK minden 100 ütközése közül a Higgs-bozonot fog előállítani, míg az LHC-nél ez 10 milliárd ütközés után egyszer történik.
A japán kormány várhatóan márciusban dönt az ütközésről. Evans azt mondja, hogy ha az MLK-t jóváhagyják, kb. 12 évbe telik az építkezés. Később a gázpedál is bővíthető, hogy növelje az elérhető energiát.
A CERN egy hasonló gép, a Compact Linear Collider (CLIC) felépítését tervezi. Az elektronokat és a pozitronokat is ütközni fogja, de az MLK-nál magasabb energiákon. Energiaa 380 milliárd elektron volton kezdődik, és frissítések sorozatában 3 billió elektronvoltra növekszik. Ezeknek a magasabb energiáknak az eléréséhez új részecskegyorsítási technológiát kell kifejleszteni, ami azt jelenti, hogy a CLIC nem jelenik meg az MLK előtt - mondja Evans, aki mindkét projekt kutatási együttműködését vezeti.
Futás egy kört
A másik két tervezett ütközés Kínában és Európában ugyanolyan kerek lesz, mint az LHC, de sokkal nagyobb: mindegyik 100 kilométer kerületű. Ez egy elég nagy kör ahhoz, hogy Liechtenstein országát kétszer bekerítse. Ez gyakorlatilag a moszkvai körút hossza.
A kör alakú elektron-pozitron ütköző, amelynek építkezését Kínában még nem határozták meg, 240 milliárd elektron-volt-elektron és pozitron ütközni fog, a novemberben hivatalosan bemutatott és a Wang, valamint a Nagy Energiafizikai Intézet által szponzorált fogalmi terv szerint. Ezt a gyorsítót később tovább lehetne fejleszteni, hogy ütközjön a nagy energiájú protonokkal. A tudósok szerint 2022-ig elkezdhetik ennek az 5-6 milliárd dolláros gépnek a felépítését, és 2030-ig elkészíthetik.
A CERN-en a javasolt Future Circular Collider, a BKK szintén szakaszosan fog működni, elektronok ütközésével pozitronokkal és későbbi protonokkal. A végső cél az, hogy a proton ütközéseket 100 trillió elektron volt mellett, az LHC energiájának több mint hétszeresére állítsák elő.
Eközben a tudósok két évre leállították az LHC-t, és továbbfejlesztették a gépet nagyobb energiafelhasználás érdekében. 2026-ban megkezdi a nagy fényességű LHC működését, amely legalább ötször növeli a proton ütközések gyakoriságát.
Higgs-portré
Az LHC felépítésekor a tudósok elég magabiztosak voltak ahhoz, hogy megtalálják a Higgsi bozonot. De az új gépeknél nem világos, hogy milyen új részecskéket kell keresni. Egyszerűen katalogizálják, hogy a Higgsz milyen szorosan kölcsönhatásba lép más ismert részecskékkel.
A Higgs-interakciók mérése megerősítheti a standard modell elvárásait. De ha a megfigyelések különböznek a várakozásokatól, az eltérés közvetetten valami új jelenlétét jelzi, például a sötét anyagot alkotó részecskék jelenlétét.
Egyes tudósok abban reménykednek, hogy valami váratlan történik. Mivel maga a Higgs-bozon rejtély: ezek a részecskék melaszszerű folyadékká kondenzálódnak. Miért? Fogalmunk sincs - mondja Michael Peskin, a Stanfordi Egyetem részecske-elmélete. Ez a folyadék áthatol az univerzumban, lelassítja a részecskéket és súlyt ad nekik.
Egy másik rejtély az, hogy a Higgs-tömeg millió milliárdval kevesebb a vártnál. Ez a furcsa jelezheti, hogy vannak más részecskék is. A tudósok korábban úgy gondolták, hogy a szuperszimmetria elmélet segítségével meg tudják válaszolni a Higgs-problémát - a mássalhangzónak az egyes részecskéknek nehezebb partnere van. De ez nem történt meg, mert az LHC nem talált nyomot a szuperszimmetrikus részecskékről.
A jövő ütközői még mindig találhatnak bizonyítékot a szuperszimmetriáról vagy egyéb módon utalnak az új részecskékre, ám ezúttal a tudósok nem fognak ígéreteket tenni. Most elkötelezettebben dolgozzák ki a prioritásokat és érvelnek az új ütközők és más részecskefizikai kísérletek mellett. Egy dolog biztos: a javasolt gyorsítók kiszámíthatatlan eredményekkel ismeretlen területeket fedeznek fel.
Ilya Khel