Jos hiukkasfyysikot saavat tiensä, uudet kiihdyttimet voivat jonain päivänä tutkia fysiikan uteliainta subatomista hiukkasta, Higgsin bosonia. Kuusi vuotta tämän hiukkasen löytämisen jälkeen isossa Hadron-törmäyksessä fyysikot suunnittelevat valtavia uusia koneita, jotka ulottuvat kymmeniä kilometrejä Eurooppaan, Japaniin tai Kiinaan.
Uudet törmäykset: mistä he tulevat
Tämän subatomisen hiukkasen löytö, joka paljastaa massan alkuperän, johti standardimallin, hiukkasfysiikan kattavan teorian, valmistumiseen. Ja siitä tuli myös merkittävä saavutus LHC: lle, joka on tällä hetkellä maailman suurin kiihdytin - loppujen lopuksi se rakennettiin etsimään Higgsin bosonia, tosin ei vain.
Nyt fyysikot haluavat syventyä Higgsin bosonin mysteereihin siinä toivossa, että se on avain hiukkasfysiikan pitkäaikaisten ongelmien ratkaisemiseen. "Higgs on erityinen hiukkanen", sanoo fyysikko Yifang Wang, Pekingin korkeaenergiafysiikan instituutin johtaja. "Uskomme, että Higgs on ikkuna tulevaisuuteen."
Suuri hadronikoppija, joka tunnetaan myös nimellä LHC, koostuu 27 kilometrin pituisesta renkaasta, jonka sisällä protonit kiihtyvät melkein valon nopeuteen ja törmäävät miljardeja kertoja sekunnissa, ja ovat melkein saavuttaneet rajansa. Hän teki erinomaisen työn löytääkseen Higgin, mutta hän ei sovi hyvin yksityiskohtaiseen tutkimukseen.
Siksi hiukkasfyysikot vaativat uutta hiukkasten törmäyslaitetta, joka on erityisesti suunniteltu käynnistämään Higgsin bosonien kimppuja. Näille voimakkaille uusille koneille on ehdotettu useita malleja, ja tutkijat toivovat näiden Higgsin tehtaiden auttavan löytämään ratkaisuja standardimallin silmiinpistäviin heikkouksiin.
Mainosvideo:
"Vakiomalli ei ole täydellinen maailmankaikkeuden teoria", sanoo kokeellinen hiukkasfysiikka Galina Abramovich Tel Avivin yliopistosta. Esimerkiksi tämä teoria ei selitä tummaa ainetta, tuntematonta ainetta, jonka massaa tarvitaan kosmisten havaintojen, kuten tähteiden liikkuvuuden huomioimiseksi galakseissa. Se ei myöskään selitä miksi maailmankaikkeus on tehty aineesta, kun taas antimateria on erittäin harvinaista.
Uusien yhteentörmäysten puolustajat väittävät, että Higgsin bosonin huolellinen tutkiminen voisi ohjata tutkijoita näiden mysteerien ratkaisemiseen. Mutta tutkijoiden keskuudessa kaikki eivät tue halua uusille kalliille kiihdyttimille. Lisäksi ei ole selvää, mitä tällaisia koneita löytyi.
Seuraava rivillä
Ensimmäinen rivistä on Kansainvälinen Linear Collider Pohjois-Japanissa. Toisin kuin LHC, jossa hiukkaset liikkuvat renkaassa, MLC kiihdyttää kahta hiukkaspalkkia suorassa linjassa, suoraan toistensa päälle, koko 20 kilometrin pituudeltaan. Ja sen sijaan, että työntäisivät protoneja yhteen, se työntää elektroneja ja niiden antimateriaalikumppaneita, positroneja.
Japanin tiedeneuvoston monitieteinen komitea vastusti kuitenkin hanketta joulukuussa 2018 ja kehotti hallitusta olemaan varovainen tuellaan ja pohtimaan, olisiko odotettavissa oleva tieteellinen kehitys oikeuttanut törmäyslaitteen kustannuksia, joiden arvioidaan tällä hetkellä olevan 5 miljardia dollaria.
Kannattajat väittävät, että MLK: n suunnitelmalla törmää elektronit ja positronit protonien sijasta on useita suuria etuja. Elektronit ja positronit ovat alkuainehiukkasia, ts. Niissä ei ole pienempiä komponentteja, ja protonit koostuvat pienemmistä hiukkasista - kvarkeista. Tämä tarkoittaa, että protonien törmäykset ovat kaoottisempia ja aiheuttavat enemmän turhia hiukkasjätettä, jotka on seulottava läpi.
Lisäksi protonien törmäyksissä vain osa kunkin protonin energiasta joutuu todella törmäykseen, kun taas elektronipositronitörmäyksissä hiukkaset siirtävät kokonaisenergian törmäykseen. Tämä tarkoittaa, että tutkijat voivat virittää törmäysenergian maksimoidakseen tuottamansa Higgsin bosonien määrän. Samaan aikaan MLK vaatisi vain 250 miljardia elektronivoltta Higgs-bosonien tuottamiseksi, verrattuna 13 biljoonaan elektronivolttiin LHC: ssä.
MLK: lla "tietojen laatu on paljon parempi", sanoo hiukkasfyysikko Lyn Evans CERN: stä Genevessä. Yksi jokaisesta 100: sta MLK: n törmäyksestä tuottaa Higgsin bosonin, kun taas LHC: ssä tämä tapahtuu kerran 10 miljardia törmäystä.
Japanin hallituksen odotetaan tekevän päätöksen törmäyksestä maaliskuussa. Evans sanoo, että jos MLK hyväksytään, rakentaminen vie noin 12 vuotta. Myöhemmin kiihdytin voidaan myös päivittää lisäämään saavutettavan energian määrää.
CERN aikoo rakentaa samanlaisen koneen, Compact Linear Collider (CLIC). Se törmää myös elektroneihin ja positroniin, mutta korkeammilla energioilla kuin MLK. Sen energia alkaa 380 miljardista elektronivoltista ja nousee 3 biljoonaan elektronivoltiin päivityksissä. Näiden korkeampien energioiden saavuttamiseksi on kehitettävä uusi hiukkaskiihdytystekniikka, mikä tarkoittaa, että CLIC ei ilmesty MLK: n eteen, sanoo Evans, joka johtaa tutkimusyhteistyötä molemmissa hankkeissa.
Juoksee ympyrässä
Kaksi muuta suunniteltua törmäyslaitetta Kiinassa ja Euroopassa ovat yhtä pyöreitä kuin LHC, mutta paljon suurempia: kummankin ympärysmitta on 100 km. Tämä on riittävän suuri ympyrä ympäröimään Liechtensteinin maata kahdesti. Tämä on käytännössä Moskovan kehätien pituus.
Pyöreä elektroni-positroniristin, jonka rakennustyömaaa Kiinassa ei ole vielä määritetty, törmää yhteen 240 miljardia elektroni-volttielektronia ja positronia marraskuussa virallisesti julkistetun ja Wangin ja korkeaenergiafysiikan instituutin sponsoroiman käsitteellisen suunnitelman mukaan. Tätä kiihdytinä voidaan myöhemmin päivittää törmäämään korkean energian protoneihin. Tutkijoiden mukaan he voisivat aloittaa tämän 5-6 miljardin dollarin koneen rakentamisen vuoteen 2022 mennessä ja valmistaa sen vuoteen 2030 mennessä.
Ja CERN: ssä ehdotettu Future Circular Collider, BKK, tulee myös toimimaan vaiheittain, törmääen elektroneihin positronien kanssa ja myöhemmin protoneihin. Lopullinen päämäärä on saavuttaa protonien törmäykset 100 triljoonaa elektronivoltta, joka on yli seitsemänkertainen LHC: n energiaan.
Samaan aikaan tutkijat ovat sulkeneet LHC: n kahdeksi vuodeksi, päivittäen koneen toimimaan suuremmalla energialla. Vuonna 2026 LHC, jolla on korkea kirkkaus, alkaa toimia, mikä lisää protonien törmäysten taajuutta vähintään viisi kertaa.
Higgs muotokuva
Kun LHC rakennettiin, tutkijat olivat riittävän varmoja löytääkseen Higgsin bosonin sen kanssa. Mutta uusien koneiden kanssa ei ole selvää, mitä uusia hiukkasia etsitään. He vain luetteloivat kuinka voimakkaasti Higgs on vuorovaikutuksessa muiden tunnettujen hiukkasten kanssa.
Higgs-vuorovaikutuksen mittaukset voivat vahvistaa standardimallin odotukset. Mutta jos havainnot eroavat odotuksista, ero voi epäsuorasti osoittaa, että on olemassa jotain uutta, kuten hiukkaset, jotka muodostavat tumman aineen.
Jotkut tutkijat toivovat tapahtuvan jotain odottamatonta. Koska Higgsin bosoni itsessään on mysteeri: nämä hiukkaset tiivistyvät melassin kaltaiseksi nesteeksi. Miksi? Meillä ei ole aavistustakaan, sanoo hiukkasteoreetikko Michael Peskin Stanfordin yliopistosta. Tämä neste läpäisee maailmankaikkeuden, hidastaen hiukkasten määrää ja antamalla niille painoa.
Toinen mysteeri on, että Higgsin massa on miljoona miljardia odotettua pienempi. Tämä omituisuus voi viitata siihen, että muita hiukkasia on. Tutkijat ajattelivat aiemmin pystyneensä vastaamaan Higgsin ongelmaan supersymmetriateorian avulla - konsonantissa, jonka jokaisella hiukkasella on raskaampi kumppani. Mutta niin ei tapahtunut, koska LHC ei löytänyt mitään supersymmetristen hiukkasten jälkiä.
Tulevat törmäykset saattavat silti löytää todisteita supersymmetriasta tai muuten vihjeitä uusille hiukkasille, mutta tällä kertaa tutkijat eivät anna lupauksia. He ovat nyt kiireellisempiä kehittämään prioriteetteja ja esittämään argumentteja uusien törmäyslaitteiden ja muiden hiukkasfysiikan kokeilujen hyväksi. Yksi asia on varma: ehdotetut kiihdyttimet tutkivat tuntematonta aluetta odottamattomin tuloksin.
Ilja Khel