Ak sa fyzici častíc dostanú na cestu, nové urýchľovače môžu jedného dňa skúmať najzaujímavejšiu subatomickú časticu vo fyzike, Higgsov bozón. Šesť rokov po objavení tejto častice na veľkom hadrónovom urýchľovači fyzici plánujú obrovské nové stroje, ktoré sa v Európe, Japonsku alebo Číne rozprestierajú desiatky kilometrov.
Noví kolízori: aké budú
Objav tejto subatomickej častice, ktorý odhaľuje pôvod hmoty, viedol k dokončeniu štandardného modelu, zastrešujúcej teórie fyziky častíc. A stal sa tiež medzníkom úspechu pre LHC, v súčasnosti najväčší urýchľovač na svete - koniec koncov, bol postavený na hľadanie Higgsovho bozónu, hoci nielen.
Fyzici sa teraz chcú ponoriť hlbšie do tajomstiev Higgsovho bozónu v nádeji, že to bude kľúč k riešeniu dlhotrvajúcich problémov časticovej fyziky. „Higgs je špeciálna častica,“hovorí fyzik Yifang Wang, riaditeľ Inštitútu fyziky vysokých energií v Pekingu. „Veríme, že Higgs je oknom do budúcnosti.“
Veľký hadrónový urýchľovač, známy aj ako LHC, pozostávajúci z 27 kilometrov dlhého kruhu, v ktorom protóny zrýchľujú takmer na rýchlosť svetla a zrážajú sa miliardy krát za sekundu, takmer dosiahol svoj limit. Vyhľadal Higgsovi vynikajúcu prácu, ale nie je vhodný na podrobný výskum.
Z tohto dôvodu fyzici častíc požadujú nový kolektor častíc špeciálne navrhnutý na spustenie hromád Higgsových bozónov. Pre tieto výkonné nové stroje bolo navrhnutých niekoľko návrhov a vedci dúfajú, že tieto továrne v Higgsu môžu pomôcť nájsť riešenie do očí bijúcich slabín štandardného modelu.
Propagačné video:
„Štandardný model nie je úplná teória vesmíru,“hovorí experimentálna časticová fyzika Galina Abramovich z Tel Avivskej univerzity. Táto teória napríklad nevysvetľuje temnú hmotu, neidentifikovanú látku, ktorej hmota je potrebná na vysvetlenie kozmických pozorovaní, ako je napríklad pohyb hviezd v galaxiách. Nevysvetľuje tiež, prečo je vesmír vyrobený z hmoty, zatiaľ čo antihmota je mimoriadne zriedkavá.
Navrhovatelia nových kolizorov tvrdia, že starostlivé skúmanie Higgsovho bozónu by mohlo vedcom ukázať spôsob, ako vyriešiť tieto záhady. Medzi vedcami však túžba po nových drahých urýchľovačoch nepodporuje každý. Okrem toho nie je jasné, čo presne takéto stroje možno nájsť.
Ďalej v rade
Prvým v rade je medzinárodný lineárny kolider v severnom Japonsku. Na rozdiel od LHC, v ktorom sa častice pohybujú v kruhu, MLC zrýchľuje dva lúče častíc v priamke, priamo na sebe, po celej svojej dĺžke 20 kilometrov. A namiesto toho, aby tlačil protóny k sebe, tlačí elektróny a ich antihmotných partnerov, pozitróny.
V decembri 2018 však interdisciplinárny výbor Japonskej vedeckej rady nesúhlasil s týmto projektom a vyzval vládu, aby bola opatrná so svojou podporou a položila otázku, či očakávaný vedecký pokrok odôvodňuje náklady na zrážku, ktorá sa v súčasnosti odhaduje na 5 miliárd dolárov.
Navrhovatelia tvrdia, že plán MLK na zrážanie elektrónov a pozitrónov namiesto protónov má niekoľko hlavných výhod. Elektróny a pozitróny sú elementárne častice, to znamená, že neobsahujú menšie zložky a protóny sú zložené z menších častíc - kvarkov. To znamená, že zrážky protónov budú chaotickejšie a vytvoria zbytočné úlomky častíc, ktoré bude potrebné preosiať.
Okrem toho pri zrážkach protónov iba časť energie každého protónu skutočne spadne do kolízie, zatiaľ čo v elektrón-pozitrónových zrážačoch častice prenášajú celkovú energiu do zrážky. To znamená, že vedci môžu naladiť energiu zrážky tak, aby sa maximalizoval počet vyrobených Higgsových bozónov. Zároveň by MLK vyžadovala na výrobu Higgsových bozónov iba 250 miliárd elektrón voltov, v porovnaní s 13 biliónmi elektrónov voltov na LHC.
V MLK „kvalita údajov bude omnoho lepšia,“hovorí fyzik častíc Lyn Evans z CERN v Ženeve. Jedna zo 100 zrážok v MLK vyprodukuje Higgsov bozón, zatiaľ čo v LHC sa to stane raz za každých 10 miliárd zrážok.
Očakáva sa, že japonská vláda rozhodne o zrážke v marci. Evans hovorí, že ak bude MLK schválený, bude trvať asi 12 rokov, kým sa vybuduje. Neskôr môže byť urýchľovač tiež vylepšený, aby sa zvýšila energia, ktorú môže dosiahnuť.
CERN plánuje postaviť podobný stroj, kompaktný lineárny kolider (CLIC). Taktiež bude zrážať elektróny a pozitróny, ale pri vyšších energiách ako MLK. Jeho energia sa začne na 380 miliárd elektrónových voltoch a v sérii aktualizácií sa zvýši na 3 bilióny elektrónových voltov. Na dosiahnutie týchto vyšších energií je potrebné vyvinúť novú technológiu zrýchlenia častíc, čo znamená, že CLIC sa neobjaví pred MLK, hovorí Evans, ktorý vedie výskumnú spoluprácu v oboch projektoch.
Beh v kruhu
Ďalší dvaja plánovaní nárazníci, v Číne a Európe, budú obkľúčení ako LHC, ale omnoho väčšie: každý s obvodom 100 kilometrov. Je to dostatočne veľký kruh, aby obkolesil Lichtenštajnsko dvakrát. Toto je prakticky dĺžka Moskovského okruhu.
Cirkulárny elektrónový pozitrónový zrážač, ktorého stavenisko v Číne ešte nebolo určené, podľa koncepčného plánu, ktorý bol oficiálne odhalený v novembri a ktorý sponzoruje Wang a Inštitút fyziky vysokých energií, zrazí 240 miliárd elektrónových elektrónov a pozitrónov. Tento urýchľovač by sa neskôr mohol upgradovať tak, aby zrážal vysokoenergetické protóny. Vedci tvrdia, že do roku 2022 by mohli začať vyrábať tento stroj s 5 až 6 miliardami dolárov a dokončiť ho do roku 2030.
A v CERN-e bude navrhovaný budúci kruhový urýchľovač, BKK, postupne fungovať, zrážať elektróny s pozitrónmi a neskôr protónmi. Konečným cieľom bude dosiahnuť kolízie protónov pri 100 biliónov elektrónových voltoch, čo je viac ako sedemnásobok energie LHC.
Medzitým vedci odstavili LHC na dva roky a vylepšili tak stroj tak, aby bežal na vyššiu energiu. V roku 2026 začne LHC s vysokou svietivosťou, čo zvýši frekvenciu protónových zrážok najmenej päťkrát.
Higgsov portrét
Keď bol LHC postavený, vedci boli dostatočne sebavedomí, aby našli Higgsov bozón. Ale s novými strojmi nie je jasné, aké nové častice treba hľadať. Jednoducho katalogizujú, ako silne interaguje Higgs s inými známymi časticami.
Merania Higgsových interakcií môžu potvrdiť očakávania štandardného modelu. Ak sa však pozorovania líšia od očakávaní, tento rozpor môže nepriamo naznačovať prítomnosť niečoho nového, ako sú častice, ktoré tvoria temnú hmotu.
Niektorí vedci dúfajú, že sa stane niečo neočakávané. Pretože samotný Higgsov bozón je tajomstvom: tieto častice kondenzujú do kvapaliny podobnej melase. Prečo? Nemáme tušenie, hovorí teoretik častíc Michael Peskin zo Stanfordskej univerzity. Táto tekutina preniká do vesmíru, spomaľuje častice a dodáva im váhu.
Ďalším tajomstvom je, že Higgsova hmotnosť je o milión miliárd nižšia, ako sa očakávalo. Táto zvláštnosť môže naznačovať, že existujú ďalšie častice. Vedci si predtým mysleli, že dokážu odpovedať na Higgsov problém pomocou teórie supersymetrie - spoluhláska, ktorej každá častica má ťažšieho partnera. To sa však nestalo, pretože LHC nenašli žiadne stopy supersymetrických častíc.
Budúci zrážači môžu stále nájsť dôkazy o supersymetrii alebo inak naznačovať nové častice, ale tentoraz vedci nedajú sľuby. Teraz sú viac zaneprázdnení vývojom priorít a argumentmi v prospech nových zrážok a iných experimentov vo fyzike častíc. Jedno je isté: navrhované urýchľovače preskúmajú neznáme územie s nepredvídateľnými výsledkami.
Ilja Khel