Novým projektom CERN je vybudovať mechanizmus, ktorý bude takmer štyrikrát väčší ako najväčšie existujúce zariadenie. Ale na čo presne to je?
Large Hadron Collider (LHC) je pravdepodobne jedným z najzáhadnejších zariadení na svete. Nachádza sa v kruhovom tuneli dlhom 27 kilometrov na hranici medzi Francúzskom a Švajčiarskom a jeho hlavnou úlohou je zraziť najmenšie častice vesmíru.
Tento mechanizmus sa stal slávnym na celom svete v roku 2012, keď CERN (Európska organizácia pre jadrový výskum) oznámila objav bozónu Higgsa. Teória existencie tejto elementárnej častice sa objavila pred mnohými desaťročiami, matematické výpočty za štandardným modelom elementárnych častíc predpokladali, že existuje, ale nikto ju nemohol opraviť pred experimentom na LHC.
A teraz CERN hovorí o plánoch do budúcnosti. Pokusy s pomocou LHC sa uskutočňujú od roku 2009 s prerušeniami pri aktualizácii mechanizmu. Teraz práve taká prestávka a LHC sa znova uvedú do prevádzky v roku 2021, po ktorom bude fungovať niekoľko ďalších desaťročí.
Existujúce projekty sú však také ambiciózne, že CERN už niekoľko rokov diskutuje o návrhu na vybudovanie nástupcu LHC. A teraz sú zamestnanci organizácie pripravení rozprávať o svojej vízii budúcnosti.
Plány na jeho výstavbu, ktoré sa teraz nazývajú Future Circular Collider (FCC), boli vyhlásené v januári 2019. BCC je omnoho väčšia a silnejšia ako súčasný urýchľovač. Aj keď je to iba plán, ešte nebol prijatý. Ak sa plán zrealizuje, začnú sa experimenty na BCC v 40. rokoch 20. storočia.
Podľa spoločnosti CERN celkové náklady na výstavbu budú predstavovať niečo vyše 200 miliárd korún (viac ako 1,5 bilióna rubľov - približne Transl.). Členské krajiny organizácie budú financovať tento projekt niekoľko desaťročí. Nórsko je jednou z 22 členských krajín CERN a v roku 2019 prispeje približne 240 miliónmi korún (viac ako 1,8 miliardy rubľov).
Propagačné video:
Prečo však potrebujeme nový urýchľovač častíc, čo vedci dúfajú v dosiahnutie tohto cieľa?
Dlhý tunel
LHC je položený v rovnakom tuneli ako predchádzajúci urýchľovač častíc, bola tam umiestnená iba nová náplň. Práca predchádzajúceho zariadenia bola skrátená v roku 2000.
Avšak pre BCC bude postavený úplne nový tunel dlhý 100 kilometrov. V dôsledku zväčšenej dĺžky urýchľovača častíc sa častice zrážajú s oveľa väčšou silou.
„Kolízia malých kúskov hmoty s veľkou silou bola už sto rokov pravdepodobne najdôležitejšou experimentálnou metódou na štúdium štruktúry a zloženia hmoty,“hovorí Anders Kvellestad, fyzik častíc v Imperial College London.
Plán CERN si v skutočnosti vyžaduje výstavbu niekoľkých zariadení v tom istom tuneli, ktorý bude umiestnený jeden po druhom. Prvý mechanizmus bude zrážať elektróny a pozitróny a môže sa použiť na presnejšie merania a štúdie, napríklad Higgsov bozón, o ktorom je ďaleko od všetkého známe.
Bude tiež možné detegovať kvantové stopy úplne nových neznámych častíc bez priameho pozorovania.
Nová fyzika?
Okrem iných experimentov, pri ktorých dochádza ku kolízii elektrónov a jadier olovených atómov, sa plánuje neskôr vybudovať veľmi silný mechanizmus, pomocou ktorého sa protóny zrážajú s protónmi v tuneli.
„Vo fyzike častíc kolízia protónu s protónom pripomína kladivo, zatiaľ čo zrážka elektrónu s pozitrónom sa dá porovnať s malým geologickým kladivom. Prvý z nich dáva viac sily, zatiaľ čo druhý je presnejší. ““
Výkon samotného lúča častíc sa meria v teraelektronvoltoch (TeV). LHC, dlhý 27 kilometrov, zvládne 14 TeV, zatiaľ čo nový urýchľovač vydrží výkon až do 100 TeV.
Vyššia energia vám umožňuje „nalákať“mohutnejšie častice, ktoré možno predtým neboli pozorované, a je možné, že výsledky takýchto experimentov poskytnú predstavu úplne novej fyziky, vysvetľuje Kvellestad.
Pretože vesmír je stále plný vecí, ktorým vedci nerozumejú. Napríklad neexistuje odpoveď na otázku, aká je temná energia a temná hmota, hoci sú v našom súčasnom chápaní vesmíru ústrednými pojmami.
V modernej fyzike je tiež veľký problém. Všeobecná teória relativity a kvantového poľa, ktorá popisuje elementárne častice, sa nezhodujú. V súčasnosti neexistuje žiadne vysvetlenie pre samotnú gravitáciu, ktorá sa zmestí do oboch modelov.
Bez ohľadu na to, ako sa na to pozeráte, v porozumení vesmíru niečo chýba. Poskytuje sa veľa vysvetlení, ale vedci potrebujú dôkaz.
A fyzici dúfali, že súčasný urýchľovač častíc LHC poskytne náznak novej fyziky. Zatiaľ sa tak nestalo, ale LHC bude fungovať ešte mnoho ďalších rokov.
„Teraz vieme všetko o niektorých malých, ale zaujímavých rozdieloch medzi teóriou a praxou v existujúcich údajoch. Z tohto dôvodu očakávam, že výsledky nasledujúceho kola LHC nám ukážu, či sú tieto nezrovnalosti dôsledkom „novej fyziky“, alebo či ide iba o štatistické variácie, “hovorí Kvellestad.
Existujú však aj pochybnosti o plánoch na výstavbu nových urýchľovačov častíc.
Urobí to naozaj niečo?
Nemecká fyzik Sabine Hossenfelder je jednou z kritikov návrhu MCC. Napísala knihu o tom, ako sa fyzika príliš zaujíma o „krásu“rovníc.
V stĺpci v The New York Times kritizuje tento projekt najmä za to, že CERN mu ponúka rovnaké sľuby, aké dal pred výstavbou LHC: nájsť temnú hmotu a objasniť pôvod vesmíru.
Problém je v tom, že takýto výsledok nemožno žiadnym spôsobom zaručiť, hovorí Hossenfelder. Fyzici si boli takmer istí, že nájdu Higgsov bozón pomocou LHC, ale teraz nemajú také sľubné ciele.
Supersymetria je teória, ktorá predpovedala existenciu niekoľkých rôznych častíc, ktoré by mohli vyplniť medzery v štandardnom modeli, ale tieto častice sa v pokusoch ešte nedotkli.
Hossenfelder tvrdí, že fyzika by mala zatiaľ skúmať ďalšie možnosti, a je lepšie počkať s výstavbou veľkého urýchľovača, pričom sa zameriame na otázku, prečo sa predpokladané častice v LHC neobjavili.
Ak vás zaujíma, môžete si prečítať viac o kritike projektu na jej blogu. Hovorí tiež, že ak je v najbližších rokoch s pomocou LHC skutočne možné niečo nájsť, potom sa obrázok môže zmeniť.
Základný výskum
„Po objavení Higssovho bozónu už nemáme žiadne teoretické„ záruky “, že nájdeme nové častice v experimentoch budúcej generácie, - hovorí Anders Kvellestad. - Ale to len znamená, že fyzika častíc je pre základné výskumný stav - keď nikto nevie, čo sa môže odhaliť v ďalšom experimente. “
„V dejinách fyziky existuje niekoľko príkladov objavov, ktoré nikto nepredvídal.“
Kvellestad verí, že aj keď fyzici nesúhlasia s tým, čo od týchto experimentov očakávať, nemalo by to byť argumentom proti uskutočňovaniu veľkých nových experimentov.
Vďaka novým urýchľovačom častíc budú vedci schopní lepšie skúmať a merať už známe častice, uviedol Kvellestad.
Potrebujete vybudovať väčší mechanizmus, ale nie teraz?
„Niet pochýb o tom, že budúca cesta výskumu fyziky častíc spočíva v rozsiahlejšom mechanizme,“hovorí Bjørn Samset, výskumný pracovník v Cicero centre pre medzinárodný environmentálny a klimatický výskum. Tréningom je fyzik fyziky častíc a pracoval v CERN.
„Jedinou otázkou je, či je čas ho vybudovať, alebo či je lepšie sa teraz sústrediť na iné veci.“
Domnieva sa tiež, že fyzike by pravdepodobne prospelo viac, ak by sa najprv vyhodnotili ďalšie projekty, čo by mohlo pomôcť lepšie pochopiť, čo presne nové zariadenie môže nájsť.
Samset uvádza ako príklad temnú hmotu.
„Mnohí dúfali, že LHC bude mať dostatok energie na vytvorenie častíc, z ktorých môže vzniknúť temná hmota.“
Bolo predložených veľa teórií a niektoré boli vyvrátené, ale mnohé je ešte potrebné overiť. Otázka znie, či nemusí byť lepšie zamerať sa na iné metódy, ako sú špeciálne senzory, pomocou ktorých môžete priamo zachytiť tmavú hmotu.
Ak sa vybuduje BCC, nestane sa tak skoro, ale Samset zdôrazňuje, že je veľmi dôležité o takýchto projektoch diskutovať vopred.
„Nebezpečenstvo čakania je strata skúseností. Technici v CERNe sú skutoční kúzelníci, vďaka ktorým urýchľovač robí neuveriteľné veci. Ak teraz nezačneme plánovať ďalší projekt, veľa z tejto skúsenosti by sa mohlo stratiť. ““
Zároveň sa domnieva, že skúsenosti je možné preniesť v rámci iných projektov. Je však presvedčený, že sa budú stále vyrábať obrovské urýchľovače.
„Takýto mechanizmus by sa mal vybudovať a bude sa vybudovať, ale možno je ešte príliš skoro?“
Lasse Biørnstad