Még 2008-ban a protonnyaláb először a nagy hadron-ütköző (LHC), a világ legerősebb részecskegyorsítója körül volt. Most, egy évtizeddel később, itt az ideje, hogy áttekintsük, mit tanultak ennek a lehetőségnek köszönhetően, és mi vár még előttünk.
Ez a számvitel magában foglalja mind az LHC által elvégzendő jövőbeli kutatásokat, mind a lehetséges új létesítményeket, amelyek az LHC által elérhető energiákon túlmutató részecskékkel ütközhetnek egymással. Két vagy talán három lehetséges helyettesítést javasoltak az LHC-re. Tehát nézzük át, hogy hol vagyunk, és hova jöttünk az elmúlt évtizedben.
Az LHC története egyaránt izgalmas és viharos, olyan eseményekkel kezdve, amelyek a műszer hatalmas mágneseinek katasztrofális károsodásaitól a művelet első napjaiban a főnix-szerű emelkedésig kezdődnek e tragédia után, amelyet szilárd és izgalmas felfedezések követnek, ideértve a a Higgs-bozon. Ez az eredmény megszerezte Peter Higgs és Francois Englert Nobel-díját, mivel már több mint fél évszázaddal ezelőtt megjósolták a részecskét. Szokatlan, hogy a világ a részecskefizikai híreket gyorsan kövesse, ám Higgs felfedezésének bejelentése híreket vezetett szerte a világon.
Új fizika keresése
A fizikusok szintén a szélük szélén voltak, és arra várták, amit reménytelen váratlan felfedezések várnak. Közel fél évszázad alatt a tudósok kidolgozták a szubatómiai anyag viselkedésének jelenlegi elméleti megértését. Ezt a megértést a részecskefizika standard modelljének hívják.
A modell magyarázza a rendes anyag molekuláinak és atomjainak megfigyelt viselkedését, és még a legkisebb ismert építőelemeket is, amelyeket valaha megfigyeltünk. Ezeket a részecskéket kvarkoknak és leptonoknak nevezzük, kvarcokat pedig az atommagot alkotó protonok és neutronok belsejében találhatunk, és az elektronok a legismertebb leptonok. A standard modell megmagyarázza az összes ismert erő viselkedését is, a gravitáció kivételével. Ez valóban rendkívüli tudományos eredmény.
A standard modell azonban nem magyarázza meg az elméleti fizika mindent. Nem magyarázza meg, hogy a kvarkok és a leptonok miért léteznek három különálló, de szinte azonos konfigurációban, úgynevezett generációkban. (Miért három? Miért nem kettő? Vagy négy? Vagy egy? Vagy 20?) Ez a modell nem magyarázza meg, miért alkotja az univerzumunk teljesen az anyagból, amikor Albert Einstein relativitáselméletének legegyszerűbb megértése azt mondja, hogy az univerzumnak is tartalmaznia kell azonos mennyiségű antianyag.
A standard modell nem magyarázza meg, hogy a kozmosz tanulmányai miért sugallják, hogy az atomok rendes anyaga csupán az univerzum anyagának és energiájának mindössze 5% -át teszi ki. Úgy gondolják, hogy a maradék sötét anyagból és sötét energiából áll. A sötét anyag az anyag olyan formája, amely csak a gravitációt és a többi alapvető erőt nem érinti, míg a sötét energia a visszataszító gravitáció egy olyan formája, amely áthatolja a kozmoszt.
Az LHC első mûveletei elõtt a hasonló fizikusok abban reménykedtek, hogy az atomerõgép segít nekünk válaszolni ezekre a rejtélyes kérdésekre. A rejtvények magyarázatára leggyakrabban idézett jelöltelméletet szuperszimmetrianak nevezték. Azt sugallja, hogy az összes ismert szubatomi részecskének "szuperpartner" párja van. Ezek viszont magyarázatot adhatnak a sötét anyagra és válaszolhatnak néhány további kérdésre. A fizikusok azonban nem figyelték meg szuperszimmetriát. Sőt, az LHC adatok kizárták a legegyszerűbb elméleteket, amelyek szuperszimmetriát tartalmaznak. Szóval, mit tett az LHC?
Az LHC sokat tett
Nos, az egész Higgs-bozon dolog mellett az LHC adatait adta be négy nagy kísérleti együttműködésének, amely több mint 2000 tudományos munkát eredményezett. Az LHC-n belül a részecskék 6,5-szer nagyobb energiával vannak összetörtek, mint a Fermilab Tevatron, amely negyed századig tartotta a világ legerõsebb részecskegyorsítójának címet, amíg az LHC el nem vette a koronát.
Ezek a standard modell tesztek nagyon fontosak voltak. A mérések bármelyike nem értett egyet a jóslatokkal, ami felfedezéshez vezetett. Kiderül azonban, hogy a standard modell nagyon jó elmélet, és pontosan megjósolta az LHC ütközési energiáit, mint a korábbi Tevatron energiaszintjeinél.
Szóval, ez egy probléma? Nagyon valós értelemben a válasz nem. Végül is a tudomány annyira a rossz új ötletek teszteléséről és elutasításáról szól, mint a helyes ötletek validálásáról.
Másrészt nem tagadható, hogy a tudósok sokkal izgatottabbnak voltak volna olyan jelenségeket találni, amelyeket korábban még nem jósoltak meg. Az ilyen típusú felfedezések vezetik az emberi ismereteket, és a tankönyvek átírásával járnak.
Az LHC története még nem ért véget
Akkor most mi legyen? Befejezte az LHC a mesét? Alig. Valójában a kutatók várakozással tekintnek a berendezések fejlesztéseivel, amelyek segítenek nekik olyan kérdések tanulmányozásában, amelyeket a jelenlegi technológia alkalmazásával nem tudnak megoldani. Az LHC 2018. december elején leállt, kétéves felújítások és felújítások céljából. Amikor a gázpedál 2021 tavaszán folytatja az üzemeltetést, az energiája enyhe növekedésével tér vissza, de másodpercenként megkétszerezi az ütközések számát. Figyelembe véve a jövőbeni tervezett korszerűsítéseket, az LHC tudósai eddig csak a várt adatok 3% -át rögzítették. Bár az összes megállapítás szétválasztása sok évig tart, a jelenlegi terv mintegy harmincszor több adat rögzítése, mint eddig elérték. Mivel még sokkal több adat áll rendelkezésre, az LHC-nek még sokat kell mondania.
Ennek ellenére, bár az LHC valószínűleg még 20 évig működik, teljesen ésszerű azt kérdezni, hogy "Mi ez a következő?" A részecskefizikusok egy követő részecskegyorsító építésén gondolkodnak az LHC helyett. Az LHC hagyománya szerint az egyik lehetőség a protonnyalábok összeütközése az elképesztő energiákkal - 100 trillió elektron volt (TeV), ami jóval nagyobb, mint az LHC 14 TeV maximális képessége. De ezeknek az energiáknak a megvalósításához két dolgot kell elvégeznie: Először is mágneket kell építeni, amelyek kétszer olyan erősek, mint azok, amelyek a részecskéket az LHC körül mozgatják. Ez kihívást jelent, de megvalósítható. Másodszor, szükségünk lesz egy másik alagútra, hasonlóan az LHC-khöz, de jóval több mint háromszor nagyobb körül, 100 kilométer átmérője körülbelül négyszer nagyobb golyópark kerülettel, körülbelül négyszer nagyobb, mint az LHC-vel.
De hol épül ez a nagy alagút, és hogyan néz ki ez? Milyen gerendák ütköznek, és milyen energián? Nos, ezek jó kérdések. Még nem vagyunk elég messze a tervezési és a döntéshozatali folyamatban ahhoz, hogy válaszokat kapjunk, de két nagyon nagy és jártas fizikuscsoport van a kérdésekre gondolkodva, és mindegyik javaslatot készített egy új gyorsítóra. Az egyik javaslat, amelyet nagyrészt az európai kutatócsoportok irányítanak, elképzel egy nagy kiegészítő gyorsító építését, amely valószínűleg a CERN laboratóriumában található, közvetlenül Genf mellett.
Egy ötlet szerint egy létesítmény ott ütközne egy elektronnyaláb és az antianyag-elektronok ellen. A gyorsuló protonok és az elektronok közötti különbségek miatt - egy elektronnyaláb több energiát veszít a kör alakú szerkezet körül, mint egy protonnyaláb esetében - ez a sugár a 61 mérföld hosszú alagutat használja, de alacsonyabb energiával működne, mintha protonok lennének. Egy másik javaslat ugyanazt a 61 mérföld hosszú gyorsítót fogja használni a protonnyalábok ütközéséhez. Egy szerényebb javaslat újból felhasználná a jelenlegi LHC alagutat, de erősebb mágnesekkel. Ez az opció csak megduplázná az ütközési energiát, mint az LHC most képes megtenni, de ez egy olcsóbb alternatíva. Egy másik javaslat, amelyet nagyrészt a kínai kutatók támogatnak, egy teljesen új létesítményt képzel el, amely feltehetően Kínában épül. Ez a gyorsító szintén körülbelül 61 mérföld lenne, és összeütközne az elektronok és az antianyag-elektronokkal, mielőtt kb. 2040-ben proton-proton ütközésekre váltana.
Ez a két potenciális projekt még mindig beszélő szakaszban van. Végül a javaslatokat előterjesztő tudósoknak meg kell találniuk egy kormányt vagy kormánycsoportot, amely hajlandó elkészíteni a törvényjavaslatot. De mielőtt ez megtörténhet, a tudósoknak meg kell határozniuk az ezen új létesítmények lehetővé tételéhez szükséges képességeket és technológiákat. Mindkét csoport nemrégiben kiadott alapos és alapos dokumentációt a tervükről. Ez nem elegendő a javasolt létesítmények felépítéséhez, de elegendő egyben összehasonlítani a jövőbeni laboratóriumok előrejelzett teljesítményét és elkezdeni összeállítani a megbízható költség-előrejelzéseket.
A tudás határainak vizsgálata nehéz feladat, és évtizedekbe telhet az ilyen nagyságrendű létesítmény felépítésének első álmaitól kezdve, a műveletektől a létesítmény leállításáig. Mivel a LHC-ben az első sugárzás 10 éves évfordulóját megemlítjük, érdemes áttekinteni, mit tett a létesítmény és mit hoz a jövő. Úgy tűnik számomra, hogy izgalmas adatok állnak majd rendelkezésre a kutatók következő generációja számára a tanulmányozáshoz. És talán, csak talán, megtanulunk még néhányat a természet lenyűgöző titkaiból.
Don Lincoln a Fermilab. Ő a "A nagy hadron ütköző: A Higson Boson és a dolgok rendkívüli története"(Johns Hopkins University Press, 2014), és egy sor tudományos oktatást készít videók. Kövesd őt Facebookon. A kommentárban kifejtett vélemények ői vélemények.
Don Lincoln közzétette ezt a cikket a Live Science's-ben Szakértői hangok: Op-Ed és betekintés.
