Novi projekt CERN-a je izgraditi mehanizam koji će biti gotovo četiri puta veći od najvećeg postojećeg uređaja. Ali za što se točno radi?
Veliki hadronski sudarač (LHC) je vjerojatno jedan od najtajanstvenijih uređaja na svijetu. Sjedi u kružnom tunelu dugom 27 kilometara na granici između Francuske i Švicarske, a njegov je glavni zadatak sudariti i najmanje čestice svemira.
Ovaj je mehanizam postao poznat širom svijeta 2012. godine, kada je CERN (Europska organizacija za nuklearna istraživanja) najavila otkriće Higgsovog bozona. Teorija o postojanju ove elementarne čestice pojavila se prije mnogo desetljeća, matematički proračuni koji stoje iza standardnog modela elementarnih čestica pretpostavljali su da postoji, ali prije eksperimenta na LHC-u to nitko nije mogao popraviti.
I sada CERN govori o planovima za budućnost. Eksperimenti uz pomoć LHC-a provode se od 2009. s prekidima radi ažuriranja mehanizma. E sad, upravo takav prekid, a LHC će biti lansiran 2021. godine, nakon čega će raditi još nekoliko desetljeća.
Ali postojeći su projekti toliko ambiciozni da CERN već nekoliko godina raspravlja o prijedlogu za izgradnju nasljednika LHC-a. I sada su zaposlenici organizacije spremni podijeliti svoju viziju budućnosti.
Sada nazvan Budući kružni sudarač (FCC), planovi za njegovu izgradnju objavljeni su u siječnju 2019. godine. BCC je puno veći i snažniji od akceleratora struje. Iako je ovo samo plan, on još nije prihvaćen. Ako se plan provede, eksperimenti na BCC-u započet će 2040-ih.
Prema CERN-u, ukupni troškovi izgradnje bit će nešto više od 200 milijardi kruna (preko 1,5 trilijuna rubalja - približno Transl.). Države članice organizacije financirat će projekt nekoliko desetljeća. Norveška je jedna od 22 zemlje članice CERN-a i donijet će oko 240 milijuna kruna (preko 1,8 milijardi rubalja) u 2019. godini.
Promotivni video:
Ali zašto nam treba novi akcelerator čestica, što se znanstvenici nadaju postići?
Tunel dugačak
LHC je postavljen u istom tunelu kao i prethodni akcelerator čestica, samo je tamo postavljeno novo punjenje. Rad prethodnog uređaja je smanjen 2000. godine.
Ali za BCC će biti izgrađen potpuno novi tunel dugačak 100 kilometara. Zbog povećane duljine akceleratora čestica, čestice će se sudarati s mnogo više sile.
"Stotinu godina sudar malih komada materije s velikom snagom bio je možda najvažnija eksperimentalna metoda za proučavanje strukture i sastava materije", kaže Anders Kvellestad, fizičar čestica s Imperial College u Londonu.
U stvari, plan CERN-a zahtijeva izgradnju više uređaja u istom tunelu, koji će biti smješteni jedan za drugim. Prvi mehanizam sudarat će elektrone i pozitrone, a može se koristiti za točnije mjerenja i studije, na primjer, Higgsov bozon, o kojem je daleko od svega poznato.
Također će biti moguće otkriti kvantne tragove potpuno novih nepoznatih čestica bez izravnih opažanja.
Nova fizika?
Pored drugih pokusa koji uključuju sudare elektrona i jezgara olovnih atoma, kasnije se planira izgraditi vrlo moćan mehanizam pomoću kojeg će se protoni sudarati s protonovima u tunelu.
"U fizici čestica, sudar protona s protonom nalikuje udarnom čekiću, dok se sudar elektrona s pozitronom može usporediti s malim geološkim čekićem. Prvi daje više snage, dok je drugi točniji."
Snaga same zrake čestica mjeri se u teraelektronvoltima (TeV). LHC, dugačak 27 kilometara, može podnijeti 14 TeV, dok će novi akcelerator izdržati snagu do 100 TeV.
Veće energije omogućuju vam da „namamite“masivnije čestice, koje možda ranije nisu primijećene, a moguće je da će rezultati takvih eksperimenata dati ideju o potpuno novoj fizici, objašnjava Kvellestad.
Jer svemir je još uvijek prepun stvari koje znanstvenici ne razumiju. Na primjer, ne postoji odgovor na pitanje što su tamna energija i tamna materija, iako su oni središnji pojmovi u našem trenutnom razumijevanju svemira.
Veliki je problem i u modernoj fizici. Opća relativnost i teorija kvantnog polja koja opisuje elementarne čestice se ne podudaraju. Trenutno nema objašnjenja same gravitacije, što se uklapa u oba modela.
Bez obzira na to kako gledate, nešto nedostaje u razumijevanju svemira. Mnoga su objašnjenja ponuđena, ali istraživačima je potreban dokaz.
A fizičari su se nadali da će aktualni akcelerator čestica LHC-a dati trag u vezi s novom fizikom. To se još nije dogodilo, ali LHC će raditi još mnogo godina.
„Sada znamo sve o malim, ali zanimljivim odstupanjima između teorije i prakse u postojećim podacima. Stoga očekujem da će nam rezultati sljedećeg kruga LHC-a pokazati jesu li ta odstupanja posljedica „nove fizike“ili su samo statističke razlike “, kaže Kvellestad.
No, postoje i neke sumnje u planove za izgradnju novih akceleratora čestica.
Hoće li stvarno nešto učiniti?
Njemačka fizičarka Sabine Hossenfelder jedna je od kritičarki MCC-ove ponude. Napisala je knjigu o tome kako se fizika previše bavi "ljepotom" jednadžbi.
U stupcu The New York Timesa ona posebno kritizira projekt zbog činjenice da ga CERN nudi s istim obećanjima danima prije izgradnje LHC-a: pronaći tamnu tvar i pojasniti porijeklo svemira.
Problem je što se takav rezultat ne može garantirati na bilo koji način, kaže Hossenfelder. Fizičari su bili gotovo sigurni da će pronaći Higgsov bozon uz pomoć LHC-a, ali sada nemaju tako obećavajuće ciljeve.
Supersimetrija je teorija koja je predvidjela postojanje nekoliko različitih čestica koje bi mogle popuniti praznine u Standardnom modelu, ali te čestice još nisu dotaknute u eksperimentima.
Hossenfelder tvrdi da fizika za sada treba istražiti druge mogućnosti, pa je bolje pričekati s izgradnjom velikog akceleratora, usredotočujući se na to zašto se navodne čestice nisu pojavile u LHC-u.
Ako vas zanima, više o kritikama projekta možete pročitati na njenom blogu. Također kaže da će, ako se uz pomoć LHC-a, u narednim godinama zaista nešto naći, tada se slika može promijeniti.
Osnovno istraživanje
"Nakon otkrića Higsonovog bozona, više nemamo teoretskih" jamstava "da ćemo u sljedećoj generaciji eksperimenata pronaći nove čestice", kaže Anders Kvellestad. stanje istraživanja - kad nitko ne zna što bi se moglo otkriti u sljedećem eksperimentu."
"Postoji nekoliko primjera otkrića u povijesti fizike koje nitko nije predvidio."
Kvellestad tvrdi da, čak i ako se fizičari razlikuju što očekivati od ovih eksperimenata, to ne bi trebao biti argument protiv provođenja novih velikih pokusa.
Zahvaljujući novim akceleratorima čestica, znanstvenici će moći bolje istražiti i izmjeriti već poznate čestice, rekao je Kvellestad.
Trebate izgraditi veći mehanizam, ali ne sada?
"Nema sumnje da budući put istraživanja fizike čestica prolazi kroz veći mehanizam", kaže Bjørn Samset, istraživačica iz Cicero centra za međunarodna istraživanja okoliša i klime. Fizičar je elementarnih čestica po izobrazbi i radio je u CERN-u.
"Jedino je pitanje je li vrijeme da se izgradi ili je za sada bolje usredotočiti se na druge stvari."
Također vjeruje da bi fizika vjerojatno imala više koristi ako bi se najprije detaljnije ocijenili drugi projekti, što bi moglo pomoći u boljem razumijevanju što se točno novi uređaj može naći.
Samset kao primjer navodi tamnu materiju.
"Mnogi su se nadali da će LHC imati dovoljno energije za stvaranje čestica od kojih se može stvoriti tamna tvar."
Iznesene su mnoge teorije, a neke su odbačene, ali mnoge je još uvijek potrebno provjeriti. Pitanje je nije li možda bolje usredotočiti se na druge metode, poput posebnih senzora, pomoću kojih možete izravno uhvatiti tamnu tvar.
Ako se izgradi BCC, to se neće dogoditi uskoro, ali Samset naglašava da je vrlo važno razgovarati o takvim projektima unaprijed.
"Opasnost od čekanja je gubitak iskustva. Tehničari u CERN-u pravi su mađioničari, čine da akcelerator radi nevjerojatne stvari. Ako sada ne započnemo s planiranjem sljedećeg projekta, puno toga iskustva moglo bi se izgubiti."
Istovremeno, vjeruje da se iskustvo može prenijeti u okviru drugih projekata. Ali uvjeren je da će se ipak graditi ogromni ubrzivači.
"Treba izgraditi takav mehanizam i on će se graditi, ali možda je još rano?"
Lasse Biørnstad