Če se fiziki delcev umaknejo, lahko novi pospeševalci nekega dne pregledajo najbolj radovedne subatomske delce v fiziki, Higgsov bozon. Šest let po odkritju tega delca na Velikem hadronskem trkalniku fiziki načrtujejo ogromno novih strojev, ki se bodo raztezali na več deset kilometrov v Evropi, na Japonskem ali na Kitajskem.
Novi trkarji: kaj bodo
Odkritje tega subatomskega delca, ki razkriva izvor mase, je privedlo do zaključka Standardnega modela, splošne teorije fizike delcev. In to je postalo tudi pomemben dosežek LHC-ja, trenutno največjega pospeševalnika na svetu - navsezadnje je bil zgrajen za iskanje Higgsovega bozona, čeprav ne samo.
Zdaj se fiziki želijo poglobiti v skrivnosti Higgsovega bozona v upanju, da bo to ključ do reševanja dolgotrajnih problemov fizike delcev. "Higgs je poseben delec," pravi fizik Yifang Wang, direktor Inštituta za fiziko visoke energije v Pekingu. "Verjamemo, da je Higgsov okno v prihodnost."
Veliki hadronski trkalnik, znan tudi kot LHC, sestavljen iz 27 kilometrov dolgega obroča, znotraj katerega protoni pospešujejo do skoraj hitrosti svetlobe in trčijo milijarde krat na sekundo, je že skoraj dosegel svojo mejo. Dobro je našel Higgsa, vendar ni primeren za podrobne raziskave.
Zato fiziki delcev zahtevajo nov trkalnik delcev, ki je posebej zasnovan za lansiranje kup Higgsovih bozonov. Za te zmogljive nove stroje je bilo predlaganih več modelov in znanstveniki upajo, da bi lahko tovarne Higgsa pomagale najti rešitve za očitne pomanjkljivosti standardnega modela.
Promocijski video:
"Standardni model ni popolna teorija vesolja," pravi eksperimentalna fizika delcev Galina Abramovič z univerze v Tel Avivu. Ta teorija na primer ne razlaga temne snovi, neidentificirane snovi, katere masa je potrebna za upoštevanje kozmičnih opazovanj, kot je gibanje zvezd v galaksijah. Prav tako ne razloži, zakaj je vesolje sestavljeno iz snovi, medtem ko je antimaterija izredno redka.
Zagovorniki novih trkalcev trdijo, da bi natančna študija Higgsovega bozona lahko znanstvenike usmerila k reševanju teh skrivnosti. Toda med znanstveniki želje po novih dragih pospeševalnikih ne podpirajo vsi. Poleg tega ni jasno, kakšne natančne stroje bi lahko našli.
Naslednji po vrsti
Prvi na vrsti je mednarodni linearni trkalnik na severu Japonske. Za razliko od LHC, v katerem se delci gibljejo v obroču, MLC pospeši dva pramena delcev v ravni črti, neposredno drug na drugega, vzdolž celotne dolžine 20 kilometrov. Namesto da potisne protone skupaj, potisne elektrone in njihove antimaterijske partnerje, pozitrone.
Vendar je decembra 2018 meddisciplinarni odbor Japonskega znanstvenega sveta nasprotoval projektu, ki je vlado pozval, naj bo previdna s svojo podporo in se sprašuje, ali pričakovani znanstveni napredek upravičuje stroške trkalca, ki so trenutno ocenjeni na 5 milijard dolarjev.
Zagovorniki trdijo, da ima MLK-ov načrt trčenja elektronov in pozitronov, ne pa protonov, več glavnih prednosti. Elektroni in pozitroni so elementarni delci, torej nimajo manjših komponent, protoni pa so sestavljeni iz manjših delcev - kvarkov. To pomeni, da bodo protonski trki bolj kaotični in bodo ustvarili bolj neuporabne delce delcev, ki jih bo treba presejati.
Poleg tega pri trčenju protonov v trčenje dejansko pade le del energije vsakega protona, medtem ko delci elektronov-pozitronskih delcev prenesejo celotno energijo v trk. To pomeni, da lahko znanstveniki prilagodijo energijo trčenja in tako maksimirajo število proizvedenih Higgsovih bozonov. Obenem bi MLK za izdelavo Higgsovih bozonov potreboval le 250 milijard elektron-voltov v primerjavi s 13 bilijoni elektron-voltov na LHC.
V MLK "bo kakovost podatkov veliko boljša," pravi fizika delcev Lin Evans iz podjetja CERN v Ženevi. Vsako od vsakih 100 trkov v MLK bo ustvarilo Higgsov bozon, medtem ko se pri LHC to zgodi na vsakih 10 milijard trkov.
Japonska vlada naj bi odločitev o trkalniku sprejela marca. Evans pravi, da če bo MLK odobren, bo trajalo približno 12 let. Pozneje lahko pospeševalnik nadgradite tudi za povečanje energije, ki jo lahko doseže.
CERN načrtuje gradnjo podobnega stroja, kompaktnega linearnega trkalnika (CLIC). Trčila bo tudi elektrone in pozitrone, vendar z višjo energijo kot MLK. Njegova energija se bo začela s 380 milijardami voltov elektronov in se bo v vrsti posodobitev dvignila na tri bilijone elektron voltov. Da bi dosegli te višje energije, je treba razviti novo tehnologijo za pospeševanje delcev, kar pomeni, da se CLIC ne bo pojavil pred MLK, pravi Evans, ki vodi raziskovalno sodelovanje pri obeh projektih.
Teče v krogu
Druga dva načrtovana trkalnika, na Kitajskem in v Evropi, bosta tako okrogla kot LHC, vendar veliko večja: vsak z obsegom 100 kilometrov. To je dovolj velik krog, da lahko dvakrat obkroži deželo Lihtenštajn. To je praktično dolžina moskovske obvoznice.
Krožni elektronsko-pozitronski trkalnik, katerega gradbišče na Kitajskem še ni določeno, bo v skladu s konceptualnim načrtom, ki sta ga uradno razkrila novembra in sponzorirala Wang in Inštitut za visoko energetsko fiziko, trčila 240 milijard elektronov in pozitronov. Ta pospeševalnik bi lahko pozneje nadgradil za trčenje visokoenergetskih protonov. Znanstveniki pravijo, da bi lahko začeli graditi ta stroj v vrednosti 5-6 milijard dolarjev do leta 2022 in ga dokončati do leta 2030.
Pri CERN-u bo v korakih začel delovati tudi predlagani BKK Future Circular Collider, ki bo trčil elektrone s pozitroni in kasneje protoni. Končni cilj bo doseči protonske trke pri 100 trilijonov elektronov voltov, kar je več kot sedemkrat večja energija LHC.
Medtem so znanstveniki dve leti ugašali LHC in nadgradili stroj za delovanje na večji energiji. Leta 2026 bo LHC z visoko svetilnostjo začel delovati, kar bo povečalo pogostost protonskih trkov vsaj petkrat.
Higgsov portret
Ko so zgradili LHC, so bili znanstveniki dovolj samozavestni, da so z njim našli Higgsov bozon. Toda z novimi stroji ni jasno, na katere nove delce je treba iskati. Preprosto bodo katalogizirali, kako močno Higgs posega v druge znane delce.
Meritve Higgsovih interakcij lahko potrdijo pričakovanja standardnega modela. Če pa se opažanja razlikujejo od pričakovanj, lahko odstopanje posredno kaže na prisotnost nečesa novega, na primer delcev, ki sestavljajo temno snov.
Nekateri znanstveniki upajo, da se bo zgodilo nekaj nepričakovanega. Ker je sam Higgsov bozon skrivnost: ti delci se kondenzirajo v tekočino, podobno melasi. Zakaj? Nimamo pojma, pravi teoretik delcev Michael Peskin z univerze Stanford. Ta tekočina prežema vesolje, upočasnjuje delce in jim daje težo.
Druga skrivnost je, da je masa Higgsa milijon milijard manj od pričakovanih. Ta nenavadno lahko pomeni, da obstajajo tudi drugi delci. Znanstveniki so že prej mislili, da bi lahko na Higgsov problem odgovorili s pomočjo teorije superzimetrije - soglasnika, katerega vsak delček ima težjega partnerja. A to se ni zgodilo, ker LHC ni našel nobenih sledi supersimetričnih delcev.
Prihodnji trkarji bodo morda še vedno našli supersimetrijo ali kako drugače namignili na nove delce, vendar se tokrat znanstveniki ne bodo obljubljali. Zdaj so bolj zaposleni pri razvijanju prioritet in argumentirajo v prid novim trkom in drugim poskusom v fiziki delcev. Zagotovo je eno: predlagani pospeševalci bodo raziskali neznano ozemlje z nepredvidljivimi rezultati.
Ilya Khel