Ще в 2008 році промінь протонів вперше зафіксував навколо Великого адронного колайдера (LHC), найпотужнішого в світі прискорювача частинок. Тепер, через десятиліття, настав час підвести підсумки того, що ми дізналися завдяки цьому засобу та що перед ним.
Цей облік включає як майбутні дослідження, що LHC може проводити, так і можливі нові об'єкти, які могли б стикатися з частинками при енергії, що значно перевищує те, що може досягти LHC. Запропоновано дві, а може і три можливі заміни для LHC. Отже, давайте розглянемо, де ми знаходимось і куди ми прийшли за останнє десятиліття.
Історія LHC є як хвилюючою, так і бурхливою: події починаються від катастрофічного пошкодження величезних магнітів інструменту в перші дні роботи, до фенікса, схожого на цю трагедію, з подальшими твердими і захоплюючими відкриттями, включаючи відкриття бозон Хіггса. Ця знахідка заробила Пітера Хіггса та Франсуа Енглерта Нобелівську премію, як вони передбачили частинку більше півстоліття тому. У світі незвично слідкувати за новинами фізики частинок, але оголошення про відкриття Хіггса призвело до новин по всій земній кулі.
Пошук нової фізики
Фізики також були на краю своїх місць, очікуючи, що сподіваються, що це будуть несподівані відкриття. Протягом майже півстоліття вчені мали сучасне теоретичне розуміння поведінки субатомної речовини. Таке розуміння називається Стандартною моделлю фізики частинок.
Модель пояснює спостережувану поведінку молекул та атомів звичайної речовини та навіть найменших відомих будівельних блоків, що коли-небудь спостерігалися. Ці частинки називаються кварками та лептонами, кварки яких знаходяться всередині протонів та нейтронів, що складаються з ядра атома, а електрони - найвідоміший лептон. Стандартна модель також пояснює поведінку всіх відомих сил, крім сили тяжіння. Це справді надзвичайне наукове досягнення.
Однак Стандартна модель не пояснює всіх речей теоретичної фізики. Це не пояснює, чому, здається, кварки та лептони існують у трьох різних, але майже однакових конфігураціях, званих поколіннями. (Чому три? Чому не два? Або чотири? Або один? Або 20?) Ця модель не пояснює, чому наш Всесвіт повністю складається з матерії, коли найпростіше розуміння теорії відносності Альберта Ейнштейна говорить про те, що Всесвіт також повинен містити рівна кількість антиматерії.
Стандартна модель не пояснює, чому дослідження космосу припускають, що звичайна речовина атомів складає лише 5 відсотків речовини та енергії Всесвіту. Залишок, як вважається, складається з темної речовини і темної енергії. Темна матерія - це форма матерії, яка відчуває лише гравітацію і жодну з інших фундаментальних сил, тоді як темна енергія - це форма відштовхуючої сили тяжіння, що пронизує космос.
До перших операцій LHC такі фізики, як я, сподівались, що атомний рушій допоможе нам відповісти на ці дивовижні питання. Найбільш часто цитується теорія кандидата для пояснення цих головоломок називалася суперсиметрією. Це дозволяє припустити, що всі відомі субатомні частинки мають частинки "суперпартнера". Вони, у свою чергу, можуть дати пояснення темній матерії та відповісти на деякі інші запитання. Однак фізики не спостерігали жодної суперсиметрії. Більше того, дані LHC виключили найпростіші теорії, що включають суперсиметрію. Отже, що LHC здійснив?
LHC багато зробив
Ну, окрім усієї цієї справи з бозоном Хіггса, LHC подав дані до своїх чотирьох великих експериментальних співпраць, в результаті чого було отримано понад 2000 наукових праць. Всередині LHC частинки були розбиті одна від одної енергією в 6,5 разів більше, ніж ті, які досягли Фермілаб Теватрон, який за чверть століття володів титулом найпотужнішого прискорювача частинок у світі, доки LHC не взяв цю корону.
Ці тести Стандартної моделі були дуже важливими. Будь-яке з цих вимірів могло б не погодитися з прогнозами, які призвели б до відкриття. Однак виявляється, що Стандартна модель є дуже хорошою теорією, і вона зробила так само точні прогнози при енергії зіткнення ЛГК, як і для енергетичних рівнів у попередньому Теватроні.
Отже, це проблема? У абсолютно реальному сенсі відповідь - ні. Зрештою, наука полягає стільки в тестуванні та відхиленні нових помилкових ідей, скільки у валідності правильних.
З іншого боку, не можна заперечувати, що вчені були б набагато більше захоплені виявленням явищ, яких раніше не передбачалося. Відкриття цього типу керують людськими знаннями, кульмінацією яких є переписування підручників.
Історія LHC ще не закінчена
Отже, що тепер? Чи закінчив LHC розповісти нам свою казку? Навряд чи. Дійсно, дослідники сподіваються на вдосконалення обладнання, яке допоможе їм вивчити питання, з якими не можуть вирішитись за допомогою сучасних технологій. LHC вимкнули на початку грудня 2018 року на два роки оновлень та оновлень. Коли прискорювач відновить роботу навесні 2021 року, він повернеться з невеликим збільшенням енергії, але подвоїть кількість зіткнень за секунду. Враховуючи заплановані оновлення в майбутньому, вчені LHC поки що зафіксували лише 3 відсотки очікуваних даних. Хоча для проходження всіх результатів знадобиться багато років, поточний план - це записати приблизно в 30 разів більше даних, ніж отримано на сьогоднішній день. З тим набагато більше даних, що надійдуть, LHC ще має багато розповісти.
Тим не менш, хоча LHC буде працювати ще, можливо, ще 20 років, цілком розумно також запитати: "Що далі?" Фізики частинок замислюються над тим, щоб побудувати подальший прискорювач частинок для заміни LHC. Дотримуючись традиції LHC, одна можливість зіткне пучки протонів разом з вражаючими енергіями - 100 трлн електрон вольт (TeV), що набагато більше, ніж максимальна здатність LHC 14 ТеВ. Але для досягнення цих енергій потрібно дві речі: По-перше, нам потрібно було б створити магніти, які є вдвічі потужнішими, ніж ті, які штовхають частинки навколо ЛГК. Це вважається складним, але досяжним. По-друге, нам знадобиться ще один тунель, подібний до LHC, але набагато більше, ніж утричі більший, з об’ємом кулькового парку 61 миля (100 кілометрів), приблизно в чотири рази більший, ніж у LHC.
Але де буде побудований цей великий тунель, і як він насправді буде виглядати? Які пучки будуть стикатися і на якій енергії? Ну, це хороші запитання. Ми недостатньо далеко в процесі розробки та прийняття рішень, щоб отримати відповіді, але є дві дуже великі та вдосконалені групи фізиків, які думають над питаннями, і кожен з них створив пропозицію про новий прискорювач. Одна з пропозицій, в основному керована європейськими дослідницькими групами, передбачає створення великого додаткового прискорювача, швидше за все, розташованого в лабораторії CERN, неподалік від Женеви.
Згідно з однією ідеєю, заклад там зіткнувся би пучком електронів та антиматеріальних електронів. Через відмінності між прискорюючими протонами порівняно з електронами - електронний промінь втрачає більше енергії навколо кругової структури, ніж протонний промінь, - цей промінь використовував би тунель довжиною 61 милю, але працює з меншою енергією, ніж якби це був протони. Інша пропозиція використовує той же прискорювач довжиною 61 милі для зіткнення променів протонів. Більш скромна пропозиція дозволить повторно використовувати поточний тунель LHC, але з більш потужними магнітами. Цей варіант лише подвоїв би енергію зіткнення вище того, що може зробити LHC зараз, але це менш дорога альтернатива. Інша пропозиція, в значній мірі відстоювана китайськими дослідниками, уявляє собою абсолютно новий об'єкт, імовірно, побудований у Китаї. Цей прискорювач також був би близько 61 миль навколо, і він би зіштовхувався між собою електронними і антиматеріальними електронами, перш ніж перейти на зіткнення протонів-протонів приблизно в 2040 році.
Ці два потенційні проекти ще знаходяться на стадії розмови. Врешті-решт, вченим, які вносять ці пропозиції, доведеться знайти уряд чи групу урядів, готових прийняти законопроект. Але перш ніж це станеться, вченим потрібно визначити можливості та технології, необхідні для того, щоб зробити ці нові можливості можливими. Нещодавно обидві групи випустили велику і ретельну документацію про свої проекти. Цього недостатньо для побудови запропонованих засобів, але досить добре порівняти прогнозовані показники роботи майбутніх лабораторій та почати складати достовірні прогнози витрат.
Дослідження кордону знань - непросте завдання, і від перших мрій про будівництво об'єкта такого масштабу через операції до закриття об'єкта може пройти багато десятиліть. Оскільки ми відзначаємо 10-річну річницю першого променя в LHC, варто підвести підсумки того, що досягнуто спорудою та що принесе майбутнє. Мені здається, будуть цікаві дані для наступного покоління вчених для вивчення. А може, просто, можливо, ми дізнаємось ще кілька захоплюючих таємниць природи.
Дон Лінкольн - дослідник фізики в Фермілаб. Він автор "Великий адронний колайдер: надзвичайна історія бога Хіггса та інших речей, які підірвуть ваш розум"(Johns Hopkins University Press, 2014), і він виробляє серію наукових досліджень відео. Слідуйте за ним на Фейсбуці. Думки, висловлені в цьому коментарі, є його.
Дон Лінкольн внесли цю статтю у "Живу науку" Голоси експертів: Op-Ed & Insights.
