Ako fizičari čestica nađu na putu, novi akceleratori mogu jednog dana pregledati najzanimljivije subatomske čestice u fizici, Higgsov bozon. Šest godina nakon otkrića ove čestice na Velikom hadronskom sudaraču, fizičari planiraju ogromne nove strojeve koji će se protezati na desetke kilometara u Europi, Japanu ili Kini.
Novi sudari: što će biti
Otkrivanje ove subatomske čestice, koja otkriva porijeklo mase, dovela je do završetka Standardnog modela, sveobuhvatne teorije fizike čestica. A postalo je i vrhunsko dostignuće za LHC, trenutno najveći akcelerator na svijetu - uostalom, izgrađen je za traženje Higgsovog bozona, iako ne samo.
Sada fizičari žele dublje ući u tajne Higgsovog bozona u nadi da će to biti ključ za rješenje dugogodišnjih problema fizike čestica. "Higgs je posebna čestica", kaže fizičar Yifang Wang, direktor Instituta za fiziku visokih energija u Pekingu. "Vjerujemo da je Higgs prozor u budućnost."
Veliki hadronski sudarač, također poznat kao LHC, koji se sastoji od prstena dugog 27 kilometara, unutar kojeg se protoni ubrzavaju do skoro brzine svjetlosti i sudaraju se milijarde puta u sekundi, gotovo je dostigao svoju granicu. Odličan je posao pronašao Higgsa, ali on nije pogodan za detaljna istraživanja.
Zbog toga fizičari čestica traže novi sudarač čestica posebno dizajniran za lansiranje gomile Higgsovih bozona. Nekoliko je dizajna predloženo za ove moćne nove strojeve, a znanstvenici se nadaju da bi ove Higgsove tvornice mogle pomoći pronaći rješenja za velike slabosti Standardnog modela.
Promotivni video:
"Standardni model nije cjelovita teorija svemira", kaže fizičarka eksperimentalnih čestica Galina Abramovič sa Sveučilišta u Tel Avivu. Na primjer, ova teorija ne objašnjava tamnu materiju, neidentificiranu supstancu čija je masa potrebna za obračun s kozmičkim opažanjima poput gibanja zvijezda u galaksijama. Također ne objašnjava zašto je svemir sačinjen od materije, dok je antimaterija izuzetno rijetka.
Pristalice novih sudara tvrde da bi pomno proučavanje Higgsovog bozona moglo usmjeriti znanstvenike na put do rješavanja ovih misterija. No, među znanstvenicima želje za novim skupim akceleratorima ne podržavaju svi. Štoviše, nije jasno što se točno takvi strojevi mogu naći.
Sljedeći na redu
Prvi na redu je Međunarodni linearni sudarač na sjeveru Japana. Za razliku od LHC-a, u kojem se čestice kreću u prstenu, MLC ubrzava dvije zrake čestica ravno pravom, ravno jedan preko drugog, duž cijele dužine od 20 kilometara. I umjesto da gura protone zajedno, on gura elektrone i njihove antimaterijske partnere, pozitrone.
Međutim, u prosincu 2018. interdisciplinarni odbor Japanskog znanstvenog vijeća usprotivio se projektu, pozvavši vladu na oprez s njegovom podrškom i pitajući se hoće li očekivani znanstveni napredak opravdati troškove sudara, koji se trenutno procjenjuju na 5 milijardi dolara.
Zagovornici tvrde da MLK-ov plan sudara elektrone i pozitrone, a ne protone, ima nekoliko glavnih prednosti. Elektroni i pozitroni su elementarne čestice, odnosno nemaju manje komponente, a protoni su sastavljeni od manjih čestica - kvarkova. To znači da će protonski sudari biti kaotičniji i stvoriti više beskorisnih krhotina čestica koje će se morati prosijati.
Osim toga, u sudarima protona, samo dio energije svakog protona zapravo pada u sudar, dok u elektro-pozitronskim sudarima čestice prenose ukupnu energiju u sudar. To znači da znanstvenici mogu prilagoditi energiju sudara kako bi maksimizirali broj proizvedenih Higgsovih bozona. U isto vrijeme, MLK-u bi bilo potrebno samo 250 milijardi elektron-volti za proizvodnju Higgsovih bozona u usporedbi s 13 bilijuna elektron-volti u LHC-u.
U MLK će "kvaliteta podataka biti puno bolja", kaže fizičarka čestica Lyn Evans iz CERN-a u Ženevi. Jedan od svakih 100 sudara u MLK stvorit će Higgsov bozon, dok se na LHC-u to događa jednom u 10 milijardi milijardi.
Očekuje se da će japanska vlada odluku o sudaraču donijeti u ožujku. Evans kaže da će, ako MLK bude odobren, biti potrebno oko 12 godina. Kasnije se akcelerator također može nadograditi za povećanje energije do koje može doći.
CERN planira izgraditi sličan stroj, Compact Linear Collider (CLIC). Također će sudariti elektrone i pozitrone, ali s većom energijom od MLK. Njegova će energija startati s 380 milijardi elektron-volti i porast će na 3 bilijuna voltona u nizu ažuriranja. Da bi se postigla ta veća energija, potrebno je razviti novu tehnologiju ubrzavanja čestica, što znači da se CLIC neće pojaviti pred MLK-om, kaže Evans, koji vodi istraživačku suradnju na oba projekta.
Trčanje u krug
Druga dva planirana sudara u Kini i Europi bit će okrugla poput LHC-a, ali mnogo veća: svaki s opsegom od 100 kilometara. Ovo je dovoljno veliki krug da dva puta opkoli zemlju Lihtenštajn. To je praktički duljina moskovskog prstena.
Kružni elektro-pozitronski sudarač, čije gradilište u Kini još nije utvrđeno, sudarit će 240 milijardi elektrona i pozitrona, po konceptualnom planu koji je službeno otkriven u studenom i sponzoriran od strane Wang-a i Instituta za visoku energetsku fiziku. Taj se akcelerator kasnije može nadograditi kako bi se sudarili visokoenergetski protoni. Znanstvenici kažu da bi mogli započeti s izgradnjom ovog stroja od 5-6 milijardi dolara do 2022. godine i dovršiti ga do 2030. godine.
U CERN-u će također započeti s radom predloženi Budući kružni sudarač, BKK, sudarajući elektrone s pozitironima, a kasnije i protonima. Krajnji cilj bit će postizanje sudara protona na 100 trilijuna elektrona volta, što je više od sedam puta veće energije od LHC.
U međuvremenu, znanstvenici su isključili LHC na dvije godine, nadograđujući stroj da radi na većoj energiji. 2026. započet će s radom LHC s visokom svjetlošću, što će povećati učestalost protonskih sudara najmanje pet puta.
Higgsov portret
Kada je izgrađen LHC, znanstvenici su bili dovoljno sigurni da su s njim pronašli Higgsov bozon. No, s novim strojevima nije jasno koje nove čestice treba tražiti. Jednostavno će katalogizirati koliko snažno Higgsova interakcija s drugim poznatim česticama.
Mjerenja Higgsovih interakcija mogu potvrditi očekivanja Standardnog modela. Ali ako se opažanja razlikuju od očekivanja, odstupanje može neizravno ukazivati na prisutnost nečeg novog, poput čestica koje čine tamnu tvar.
Neki se znanstvenici nadaju da će se dogoditi nešto neočekivano. Zato što je sam Higgsov bozon misterija: te se čestice kondenziraju u tekućinu poput melase. Zašto? Nemamo pojma, kaže teoretičar čestica Michael Peskin sa Sveučilišta Stanford. Ta tekućina prožima svemir, usporavajući čestice i dajući im težinu.
Još jedna misterija je da je Higgsova masa milijun milijardi manje nego što se očekivalo. Ova neobičnost može značiti da postoje i druge čestice. Znanstvenici su prije mislili da mogu odgovoriti na Higgsov problem uz pomoć teorije superpersimetrije - suglasnika čija svaka čestica ima težeg partnera. Ali to se nije dogodilo, jer LHC nije našao nikakve tragove super-simetričnih čestica.
Budući sudari možda će i dalje naći dokaze supersimetrije ili na drugi način nagovještavaju nove čestice, ali ovaj put znanstvenici neće dati obećanja. Sada su zauzetiji razvijanju prioriteta i argumentima u korist novih sudara i drugih eksperimenata u fizici čestica. Jedno je sigurno: predloženi akceleratori će istražiti nepoznati teritorij s nepredvidivim rezultatima.
Ilya Khel