Novi projekt CERN je zgraditi mehanizem, ki bo skoraj štirikrat večji od največje obstoječe naprave. Toda za kaj točno je namenjen?
Veliki hadronski trkalnik (LHC) je zagotovo ena najbolj skrivnostnih naprav na svetu. Sedi v 27 kilometrov dolgem krožnem tunelu na meji med Francijo in Švico, njegova glavna naloga pa je trčenje najmanjših delcev vesolja.
Ta mehanizem je postal znan po vsem svetu leta 2012, ko je CERN (Evropska organizacija za jedrske raziskave) napovedala odkritje Higgsovega bozona. Teorija o obstoju tega osnovnega delca se je pojavila pred mnogimi desetletji, matematični izračuni za standardnim modelom elementarnih delcev so domnevali, da obstaja, vendar ga nihče ni mogel popraviti pred poskusom na LHC.
In zdaj CERN govori o načrtih za prihodnost. Poskusi s pomočjo LHC se izvajajo od leta 2009 s prekinitvami za posodobitev mehanizma. Zdaj je takšen prelom in LHC bo znova predstavljen leta 2021, po katerem bo deloval še nekaj desetletij.
Toda obstoječi projekti so tako ambiciozni, da CERN že več let razpravlja o predlogu za izgradnjo naslednika LHC. Zdaj so zaposleni v organizaciji pripravljeni povedati o svoji viziji prihodnosti.
Zdaj imenovan Future Circular Collider (FCC), načrti za njegovo gradnjo so bili objavljeni januarja 2019. BCC je veliko večji in zmogljivejši od trenutnega pospeševalnika. Čeprav je to le načrt, še ni bil sprejet. Če se načrt uresniči, se bodo poskusi na BCC začeli v 2040-ih.
Po navedbah CERN-a bodo skupni stroški gradnje znašali nekaj več kot 200 milijard kron (dobrih 1,5 trilijona rubljev - približno transl.). Države članice organizacije bodo projekt financirale več desetletij. Norveška je ena od 22 držav članic CERN in bo v letu 2019 prispevala približno 240 milijonov kron (dobrih 1,8 milijarde rubljev).
Promocijski video:
Toda zakaj potrebujemo nov pospeševalnik delcev, ki ga znanstveniki upajo doseči?
Dolg dolg predor
LHC je položen v istem tunelu kot prejšnji pospeševalnik delcev, le novo polnjenje je bilo tam postavljeno. Delo prejšnje naprave je bilo leta 2000 okrnjeno.
Toda za BCC bo zgrajen popolnoma nov predor, dolg 100 kilometrov. Zaradi povečane dolžine pospeševalnika delcev se bodo delci trčili z veliko večjo silo.
"Sto let je bil trk majhnih kosov snovi z veliko silo morda najpomembnejša eksperimentalna metoda za preučevanje strukture in sestave snovi," pravi Anders Kvellestad, fizik delcev na Imperial College London.
V resnici načrt CERN zahteva, da se v istem tunelu zgradi več naprav, ki bodo nameščene ena za drugo. Prvi mehanizem bo trčil elektrone in pozitrone, uporabil pa ga bo za natančnejše meritve in raziskave, na primer Higgsov bozon, o katerem do zdaj še ni znano vse.
Prav tako bo mogoče zaznati kvantne sledi popolnoma novih neznanih delcev brez neposrednih opazovanj.
Nova fizika?
Poleg drugih poskusov, ki vključujejo trke elektronov in jeder svinčenih atomov, je pozneje načrtovana izgradnja zelo močnega mehanizma, s katerim bodo protoni trčili s protoni v predoru.
"V fiziki delcev trčenje protona s protonom spominja na klanec, medtem ko se trk elektrona s pozitronom lahko primerja z majhnim geološkim kladivom. Prvi daje več moči, drugi pa je bolj natančen."
Moč samega žarka delcev se meri v teraelektronvoltih (TeV). LHC, dolg 27 kilometrov, zmore 14 TeV, novi pospeševalnik pa zdrži moč do 100 TeV.
Kvellestad pojasnjuje z višjimi energijami, da lahko "izvabite" bolj masivne delce, ki jih prej še niste opazili, možni pa bodo rezultati takšnih poskusov.
Ker je vesolje še vedno polno stvari, ki jih znanstveniki ne razumejo. Na primer, odgovora na vprašanje, kaj sta temna energija in temna materija v resnici, ni, čeprav sta osrednja pojma v našem trenutnem razumevanju vesolja.
Velika težava je tudi v sodobni fiziki. Splošna relativnost in kvantna teorija polja, ki opisuje elementarne delce, se ne ujemata. Trenutno ni razlage same gravitacije, ki bi se ujemala v oba modela.
Ne glede na to, kako gledate na to, v razumevanju vesolja nekaj manjka. Na voljo je veliko razlag, vendar raziskovalci potrebujejo dokaze.
In fiziki so upali, da bo trenutni pospeševalnik delcev LHC namignil na novo fiziko. To se še ni zgodilo, vendar bo LHC deloval še veliko let.
„Zdaj vemo vse o nekaterih majhnih, a zanimivih odstopanjih med teorijo in prakso v obstoječih podatkih. Zato pričakujem, da nam bodo rezultati naslednjega kroga LHC pokazali, ali so ta neskladja posledica "nove fizike" ali gre le za statistične razlike, "pravi Kvellestad.
Obstajajo pa tudi nekateri dvomi o načrtih za gradnjo novih pospeševalcev delcev.
Bo res kaj naredil?
Nemška fizičarka Sabine Hossenfelder je ena izmed kritikov predloga MCC. Napisala je knjigo o tem, kako se fizika preveč ukvarja z "lepoto" enačb.
V stolpcu The New York Times kritizira projekt zlasti zaradi dejstva, da mu CERN ponuja enake obljube, ki so jih dali pred izgradnjo LHC: najti temno snov in razjasniti izvor vesolja.
Težava je v tem, da takšnega rezultata ni mogoče nikakor zagotoviti, pravi Hossenfelder. Fiziki so bili skoraj prepričani, da bodo Higgsov bozon našli s pomočjo LHC, zdaj pa nimajo tako obetavnih ciljev.
Supersimetrija je teorija, ki je napovedovala obstoj več različnih delcev, ki bi lahko zapolnili vrzeli v standardnem modelu, vendar se teh delcev v poskusih še ni dotaknilo.
Hossenfelder trdi, da bi morala fizika za zdaj raziskovati druge možnosti, zato je bolje počakati z izgradnjo velikega pospeševalnika, pri čemer se osredotoči na vprašanje, zakaj se domnevni delci niso pojavili v LHC.
Če vas zanima, lahko več o kritiki projekta preberete na njenem blogu. Pravi tudi, da če je s pomočjo LHC v prihodnjih letih res mogoče nekaj najti, potem se lahko slika spremeni.
Temeljne raziskave
"Po odkritju Higsonovega bozona nimamo več nobenih teoretičnih" zagotovil ", da bomo v poskusih naslednje generacije našli nove delce, - pravi Anders Kvellestad. - Toda to res samo pomeni, da se je fizika delcev vrnila na precej normalno za temeljno raziskovalno stanje - ko nihče ne ve, kaj se bo lahko pokazalo v naslednjem poskusu."
"V zgodovini fizike je več primerov odkritij, ki jih nihče ni predvideval."
Kvellestad meni, da tudi če se fiziki ne strinjajo, kaj pričakovati od teh poskusov, to ne bi smelo biti argument proti izvajanju velikih novih poskusov.
Zahvaljujoč novim pospeševalcem delcev bodo znanstveniki lahko bolje raziskali in izmerili že znane delce, je dejal Kvellestad.
Morate zgraditi večji mehanizem, vendar ne zdaj?
"Ni dvoma, da bodoča pot raziskovanja fizike delcev potekala skozi večji mehanizem," pravi Bjørn Samset, raziskovalec v centru za mednarodne okoljske in podnebne raziskave Cicero. Po izobrazbi je fizik osnovnih delcev in je delal v CERN-u.
"Vprašanje je le, ali je čas, da ga zgradimo ali se je za zdaj bolje osredotočiti na druge stvari."
Prav tako verjame, da bi fizika verjetno koristila več, če bi najprej podrobneje ocenili druge projekte, ki bi lahko bolje razumeli, kaj natančno lahko najde nova naprava.
Samset kot primer navaja temno snov.
"Številni so upali, da bo LHC imel dovolj energije, da ustvari delce, iz katerih lahko nastane temna snov."
Izpostavljenih je bilo veliko teorij, nekatere pa so bile ovržene, vendar jih je treba še preveriti. Vprašanje je, ali se morda ne bi bilo bolje osredotočiti na druge metode, na primer posebne senzorje, s katerimi lahko neposredno zajamete temno snov.
Če bo BCC zgrajen, se to ne bo zgodilo kmalu, vendar Samset poudarja, da je zelo pomembno, da se o takšnih projektih pogovorimo vnaprej.
»Nevarnost čakanja je izguba izkušenj. Tehniki v CERN-u so pravi čarovniki, zato pospeševalec počne neverjetne stvari. Če zdaj ne začnemo načrtovati naslednjega projekta, bi se lahko veliko te izkušnje izgubilo."
Hkrati meni, da je mogoče izkušnje prenesti v okviru drugih projektov. A je prepričan, da bodo še vedno vgrajeni ogromni pospeševalci.
"Tak mehanizem bi bilo treba zgraditi in ga bodo zgradili, a je morda še prezgodaj?"
Lasse Biørnstad