Už v roku 2008 sa lúč protónov prvýkrát zazipoval okolo Large Hadron Collider (LHC), najsilnejšieho urýchľovača častíc na svete. Teraz, o desať rokov neskôr, je čas zhodnotiť, čo sme sa vďaka tomuto zariadeniu naučili a čo nás čaká.
Toto účtovníctvo zahŕňa budúci výskum, ktorý LHC môže viesť, a možné nové zariadenia, ktoré by mohli zrážať častice pri energiách ďaleko nad to, čo LHC môže dosiahnuť. Boli navrhnuté dve alebo možno tri možné náhrady za LHC. Pozrime sa teda na to, kde sme a kde sme za posledné desaťročie.
Príbeh LHC je vzrušujúci a búrlivý, s udalosťami siahajúcimi od katastrofálneho poškodenia po obrovské magnety nástroja v prvých dňoch operácií až po vzostup fénixovej stopy z tejto tragédie, po ktorej nasledujú solídne a vzrušujúce objavy vrátane objavenia Higgsov bozón. Tento nález získal Nobelovu cenu Petra Higgsa a Francoisa Englerta, pretože predpovedali časticu pred viac ako polstoročím. Pre svet je nezvyčajné pohotovo sledovať správy z časticovej fyziky, ale oznámenie Higgsovho objavu viedlo spravodajstvo po celom svete.
Nájdenie novej fyziky
Fyzici boli tiež na okraji svojich kresiel a čakali, že to budú neočakávané objavy. Už takmer pol storočia vedci majú vypracované súčasné teoretické chápanie správania sa subatomárnej hmoty. Toto porozumenie sa nazýva štandardný model fyziky častíc.
Model vysvetľuje pozorované správanie molekúl a atómov obyčajnej hmoty a dokonca aj tých najmenších známych stavebných blokov, aké boli kedy pozorované. Tieto častice sa nazývajú kvarky a leptóny, pričom kvarky sa nachádzajú vo vnútri protónov a neutrónov, ktoré tvoria jadro atómu, a elektróny sú najznámejšie leptony. Štandardný model tiež vysvetľuje správanie všetkých známych síl, s výnimkou gravitácie. Je to skutočne mimoriadny vedecký úspech.
Štandardný model však nevysvetľuje všetky veci v teoretickej fyzike. Nevysvetľuje, prečo sa zdá, že kvarky a leptóny existujú v troch rôznych, ale takmer identických konfiguráciách, ktoré sa nazývajú generácie. (Prečo tri? Prečo nie dva? Alebo štyri? Alebo jeden? Alebo 20?) Tento model nevysvetľuje, prečo je náš vesmír vyrobený výlučne z hmoty, keď najjednoduchšie pochopenie teórie relativity Alberta Einsteina hovorí, že vesmír by mal tiež obsahovať rovnaké množstvo antihmoty.
Štandardný model nevysvetľuje, prečo štúdie vesmíru naznačujú, že obyčajná hmota atómov tvorí iba 5 percent hmoty a energie vesmíru. Zvyšok sa skladá z temnej hmoty a temnej energie. Temná hmota je forma hmoty, ktorá prežíva iba gravitáciu a žiadnu z ďalších základných síl, zatiaľ čo temná energia je forma odpudivej gravitácie, ktorá preniká do vesmíru.
Pred prvými operáciami LHC fyzici ako ja dúfali, že atómy z atómu nám pomôžu odpovedať na tieto záhadné otázky. Najbežnejšie citovaná teória kandidátov na vysvetlenie týchto hádaniek sa volala supersymetria. To naznačuje, že všetky známe subatomické častice majú "superpartnerské" častice. Tieto by mohli poskytnúť vysvetlenie temnej hmoty a odpovedať na niektoré ďalšie otázky. Fyzici však nepozorovali žiadnu supersymetriu. A čo viac, údaje LHC vylúčili najjednoduchšie teórie zahŕňajúce supersymetriu. Čo teda LHC dosiahlo?
LHC urobil veľa
LHC okrem celej tejto veci s Higgsovým bozónom priviedla údaje k svojim štyrom veľkým experimentálnym kolaboráciám, výsledkom čoho bolo viac ako 2 000 vedeckých prác. Vo vnútri LHC boli častice navzájom rozbíjané energiami 6,5-krát vyššími ako energie dosiahnuté Fermilabom Tevatronom, ktorý držal titul najsilnejšieho urýchľovača častíc na svete už štvrť storočia, kým LHC túto korunu nezískal.
Tieto testy štandardného modelu boli veľmi dôležité. Ktorékoľvek z týchto meraní by mohlo nesúhlasiť s predpoveďami, ktoré by viedli k odhaleniu. Ukazuje sa však, že štandardný model je veľmi dobrá teória a robil také presné predpovede pri zrážkových energiách LHC, ako to robil pre úrovne energie v predchádzajúcom Tevatrone.
Je to problém? Vo veľmi reálnom zmysle je odpoveďou nie. Veda sa koniec koncov týka testovania a odmietania nesprávnych nových myšlienok, ako aj potvrdzovania správnych.
Na druhej strane niet pochýb o tom, že by vedci boli oveľa viac nadšení nájsť fenomény, ktoré predtým neboli predpovedané. Objavy tohto typu vedú k ľudským vedomostiam, ktoré vyústia do prepisovania učebníc.
Príbeh LHC ešte neskončil
Takže čo teraz? Skončil nám LHC svoj príbeh? Ťažko. Vedci sa skutočne tešia na vylepšenia vybavenia, ktoré im pomôžu študovať otázky, ktoré nedokážu vyriešiť pomocou súčasnej technológie. LHC sa na začiatku decembra 2018 odstavila na dva roky modernizácie a modernizácie. Keď urýchľovač obnoví činnosť na jar 2021, vráti sa s miernym zvýšením energie, ale zdvojnásobí počet zrážok za sekundu. Vzhľadom na budúce plánované aktualizácie vedci LHC doteraz zaznamenali iba 3 percentá očakávaných údajov. Aj keď bude trvať mnoho rokov, kým sa všetky zistenia prekonajú, súčasným plánom je zaznamenať asi 30-krát viac údajov, ako sa doteraz získalo. Keďže má prísť oveľa viac údajov, LHC má stále čo povedať.
Aj keď bude LHC fungovať pravdepodobne ďalších 20 rokov, je úplne opodstatnené opýtať sa: „Čo bude ďalej?“ Fyzici častíc uvažujú o vytvorení následného urýchľovača častíc, ktorý by nahradil LHC. Podľa tradície LHC by jedna možnosť mohla naraziť lúče protónov na energiu ohromujúcu - 100 biliónov elektrónov voltov (TeV), čo je oveľa viac ako najvyššia kapacita 14 TeV LHC. Dosiahnutie týchto energií si však bude vyžadovať dve veci: Najprv by sme mali vytvoriť magnety, ktoré sú dvakrát výkonnejšie ako tie, ktoré tlačia častice okolo LHC. To sa považuje za náročné, ale dosiahnuteľné. Po druhé, budeme potrebovať ďalší tunel, podobne ako LHC, ale oveľa viac ako trikrát väčší, s obvodom guľového parku 61 míľ (100 kilometrov), asi štyrikrát väčší ako obvod LHC.
Ale kde bude postavený tento veľký tunel a ako bude vyzerať? Aké lúče sa zrazia a pri akej energii? To sú dobré otázky. V procese navrhovania a rozhodovania nie sme dosť ďaleko na to, aby sme dostali odpovede, ale existujú dve veľmi veľké a úspešné skupiny fyzikov, ktorí premýšľajú o týchto problémoch, a každý z nich vytvoril návrh nového urýchľovača. Jeden z návrhov, zväčša poháňaný európskymi výskumnými skupinami, si predstavuje výstavbu veľkého ďalšieho urýchľovača, ktorý sa pravdepodobne nachádza v laboratóriu CERN, hneď za Ženevou.
Podľa jedného nápadu by zariadenie narazilo do lúča elektrónov a antihmotových elektrónov. Kvôli rozdielom medzi urýchľujúcimi sa protónmi v porovnaní s elektrónmi - elektrónový lúč stráca viac energie okolo kruhovej štruktúry ako protónový lúč - tento lúč by používal tunel s dĺžkou 61 míľ, ale pracoval by pri nižšej energii, ako keby to boli protóny. Ďalší návrh by použil rovnaký 61 míľový urýchľovač na zrážanie lúčov protónov. Skromnejší návrh by znovu použil súčasný tunel LHC, ale s výkonnejšími magnetmi. Táto možnosť by iba zdvojnásobila energiu zrážky nad úroveň, ktorú môže LHC urobiť teraz, ale je to lacnejšia alternatíva. Ďalší návrh, zväčša podporovaný čínskymi vedcami, predstavuje úplne nové zariadenie, pravdepodobne postavené v Číne. Tento urýchľovač by mal byť tiež asi 61 kilometrov a zrazil by elektróny elektrónov a antihmoty spolu, skôr ako v roku 2040 prejde k zrážkam protónov a protónov.
Tieto dva potenciálne projekty sú stále v štádiu rozhovoru. Vedci, ktorí predložia tieto návrhy, budú musieť nájsť vládu alebo skupinu vlád, ktoré budú ochotné zaplatiť účet. Ale predtým, ako sa to môže stať, musia vedci určiť schopnosti a technológie potrebné na to, aby boli tieto nové zariadenia možné. Obe skupiny nedávno vydali rozsiahlu a dôkladnú dokumentáciu o svojich návrhoch. To nestačí na vybudovanie navrhovaných zariadení, ale stačí len porovnať predpokladané výkony budúcich laboratórií a začať zostavovať spoľahlivé predpovede nákladov.
Preskúmanie hranice vedomostí je náročné úsilie a môže trvať mnoho desaťročí od prvých snov o výstavbe zariadenia tohto rozsahu, cez operácie až po jeho odstavenie. Keď si pripomíname 10-ročné výročie prvého lúča v LHC, oplatí sa zhodnotiť, čo zariadenie splnilo a čo prinesie budúcnosť. Zdá sa mi, že pre budúcu generáciu vedcov budú k dispozícii zaujímavé údaje. A možno, len možno, sa naučíme niekoľko fascinujúcich tajomstiev prírody.
Don Lincoln je výskumný pracovník v oblasti fyziky Fermilab, Je autorom knihy „Veľký Hadron Collider: Mimoriadny príbeh Higgsovho bosona a ďalších vecí, ktoré vyfúknu vašu myseľ„(Johns Hopkins University Press, 2014) a produkuje sériu prírodných vied videá, Nasleduj ho na Facebooku, Názory vyjadrené v tomto komentári sú jeho.
Don Lincoln prispel týmto článkom do programu Live Science Hlasy expertov: Op-Ed & Insights.
