CERN jaunais projekts ir izveidot mehānismu, kas būs gandrīz četras reizes lielāks nekā lielākā esošā ierīce. Bet kam tas īsti paredzēts?
Lielais hadronu sadursme (LHC) ir neapšaubāmi viena no noslēpumainākajām ierīcēm pasaulē. Tas atrodas 27 kilometru garā apļveida tunelī uz robežas starp Franciju un Šveici, un tā galvenais uzdevums ir sadurt mazākās Visuma daļiņas.
Šis mehānisms kļuva slavens visā pasaulē 2012. gadā, kad CERN (Eiropas Kodolpētījumu organizācija) paziņoja par Higsa bozona atklāšanu. Šīs elementārās daļiņas eksistences teorija parādījās pirms daudziem gadu desmitiem, matemātiskie aprēķini aiz elementāro daļiņu standarta modeļa pieņēma, ka tā pastāv, bet neviens to nevarēja salabot pirms eksperimenta LHC.
Un tagad CERN runā par nākotnes plāniem. Eksperimenti ar LHC palīdzību tiek veikti kopš 2009. gada ar pārtraukumiem, lai atjauninātu mehānismu. Tagad tieši tāds pārtraukums, un LHC atkal tiks palaists 2021. gadā, pēc kura tas darbosies vēl vairākas desmitgades.
Bet esošie projekti ir tik vērienīgi, ka CERN vairākus gadus diskutē par priekšlikumu izveidot LHC pēcteci. Un tagad organizācijas darbinieki ir gatavi pastāstīt par savu nākotnes redzējumu.
Tagad saukts par Future Circular Collider (FCC), tā celtniecības plāni tika paziņoti 2019. gada janvārī. BCC ir daudz lielāks un jaudīgāks nekā pašreizējais paātrinātājs. Lai gan tas ir tikai plāns, tas vēl nav pieņemts. Ja plāns tiks īstenots, eksperimenti BCC sāksies 2040. gados.
Saskaņā ar CERN teikto, kopējās būvniecības izmaksas sastādīs nedaudz vairāk kā 200 miljardus kronu (vairāk nekā 1,5 triljonus rubļu - aptuveni tulkojumā). Organizācijas dalībvalstis projektu finansēs vairākus gadu desmitus. Norvēģija ir viena no 22 CERN dalībvalstīm, un tās ieguldījums 2019. gadā būs aptuveni 240 miljoni kronu (vairāk nekā 1,8 miljardi rubļu).
Reklāmas video:
Bet kāpēc mums vajadzīgs jauns daļiņu paātrinātājs, ko zinātnieki cer sasniegt ar to?
Ilgi garš tunelis
LHC ir novietots tajā pašā tunelī kā iepriekšējais daļiņu paātrinātājs, tur tika ievietots jauns pildījums. Iepriekšējās ierīces darbs tika saīsināts 2000. gadā.
Bet BCC tiks uzbūvēts pilnīgi jauns 100 kilometru garš tunelis. Sakarā ar palielinātu daļiņu paātrinātāja garumu, daļiņas saduras ar daudz lielāku spēku.
“Simt gadu laikā, iespējams, vissvarīgākā eksperimentālā metode matērijas struktūras un sastāva izpētei bija mazu matērijas gabalu sadursme ar lielu spēku,” saka Anderss Kvellestads, daļiņu fiziķis Imperial College London.
Faktiski CERN plāns aicina vienā tunelī uzbūvēt vairākas ierīces, kuras atradīsies viena pēc otras. Pirmais mehānisms sadursies ar elektroniem un pozitroniem, un to var izmantot precīzākiem mērījumiem un pētījumiem, piemēram, Higsa bozonam, par kuru ir zināms gandrīz viss.
Bez tiešiem novērojumiem būs iespējams atklāt arī pilnīgi jaunu nezināmu daļiņu kvantu takas.
Jauna fizika?
Papildus citiem eksperimentiem, kas saistīti ar svina atomu elektronu un kodolu sadursmēm, vēlāk tiek plānots izveidot ļoti spēcīgu mehānismu, ar kura palīdzību protoni saduras ar protoniem tunelī.
“Daļiņu fizikā protona sadursme ar protonu atgādina kamanu āmuru, savukārt elektrona sadursmi ar pozitronu var salīdzināt ar nelielu ģeoloģisko āmuru. Pirmais dod lielāku varu, bet otrais ir precīzāks."
Pati daļiņu staru kūļa jauda tiek mērīta teraelektronvoltos (TeV). LHC, kura garums ir 27 kilometri, var izturēt 14 TeV, bet jaunais akselerators izturēs jaudu līdz 100 TeV.
Augstāka enerģija ļauj "pievilināt" masīvākas daļiņas, kuras varbūt agrāk netika novērotas, un ir iespējams, ka šādu eksperimentu rezultāti sniegs priekšstatu par pilnīgi jaunu fiziku, skaidro Kvellestad.
Tā kā Visums joprojām ir pilns ar lietām, kuras zinātnieki nesaprot. Piemēram, nav atbildes uz jautājumu, kas patiesībā ir tumšā enerģija un tumšā matērija, lai gan tie ir galvenie jēdzieni mūsu pašreizējā izpratnē par Visumu.
Mūsdienu fizikā ir arī liela problēma. Vispārējā relativitātes un kvantu lauka teorija, kas apraksta elementārdaļiņas, nesakrīt. Pašlaik pašam gravitācijas veidam nav izskaidrojuma, kas der abiem modeļiem.
Neatkarīgi no tā, kā jūs uz to skatāties, Visuma izpratnē kaut kā trūkst. Tiek piedāvāti daudzi skaidrojumi, taču pētniekiem nepieciešami pierādījumi.
Un fiziķi cerēja, ka pašreizējais LHC daļiņu paātrinātājs sniegs mājienu par jauno fiziku. Tas vēl nav noticis, bet LHC strādās vēl daudzus gadus.
“Tagad mēs zinām visu par dažām nelielām, bet interesantām atšķirībām starp teoriju un praksi esošajos datos. Tāpēc es ceru, ka LHC nākamās kārtas rezultāti parādīs, vai šīs neatbilstības ir “jaunās fizikas” sekas vai arī tās ir tikai statistiskas variācijas,”saka Kvellestads.
Bet ir arī dažas šaubas par plāniem būvēt jaunus daļiņu paātrinātājus.
Vai tas tiešām kaut ko darīs?
Vācu fiziķe Sabīne Hosenfeldere ir viena no KC priekšlikuma kritiķēm. Viņa uzrakstīja grāmatu par to, kā fizika ir pārāk norūpējusies par vienādojumu "skaistumu".
Kolonnā The New York Times viņa kritizē projektu jo īpaši par to, ka CERN piedāvā to ar tiem pašiem solījumiem, kas tika izteikti pirms LHC uzbūves: atrast tumšo vielu un noskaidrot Visuma izcelsmi.
Problēma ir tā, ka šādu rezultātu nekādā veidā nevar garantēt, saka Hossenfelders. Fiziķi bija gandrīz pārliecināti, ka ar LHC palīdzību atradīs Higsa bozonu, taču tagad viņiem nav tik daudzsološu mērķu.
Supersimetrija ir teorija, kas paredzēja vairāku dažādu daļiņu esamību, kas varētu aizpildīt nepilnības standarta modelī, taču eksperimentos šīs daļiņas vēl nav apskatītas.
Hosenfelders apgalvo, ka fizikai pagaidām vajadzētu izpētīt citas iespējas, un labāk ir pagaidīt, būvējot lielu akseleratoru, koncentrējoties uz jautājumu, kāpēc domājamās daļiņas neparādījās LHC.
Ja jūs interesē, varat uzzināt vairāk par projekta kritiku viņas emuārā. Viņa arī saka: ja ar LHC palīdzību nākamajos gados tiešām ir iespējams kaut ko atrast, tad aina var mainīties.
Pamata izpēte
"Pēc Higsa bozona atklāšanas mums vairs nav nekādu teorētisku" garantiju ", ka nākamās paaudzes eksperimentos mēs atradīsim jaunas daļiņas, - saka Anderss Kvellestads. - Bet tas tiešām nozīmē tikai to, ka daļiņu fizika ir atgriezusies pie diezgan normālas, lai pamatotos pētniecības stāvoklis - kad neviens nezina, kas var tikt atklāts nākamajā eksperimentā."
"Fizikas vēsturē ir vairāki atklājumu piemēri, kurus neviens neparedzēja."
Kvellestads uzskata, ka pat tad, ja fiziķi nav vienisprātis par to, ko sagaidīt no šiem eksperimentiem, tam nevajadzētu būt argumentam pret lielu jaunu eksperimentu veikšanu.
Pateicoties jaunajiem daļiņu paātrinātājiem, zinātnieki varēs labāk izpētīt un izmērīt jau zināmās daļiņas, sacīja Kvellestads.
Jāuzbūvē lielāks mehānisms, bet ne tagad?
“Nav šaubu, ka daļiņu fizikas pētījumu nākotnes ceļš ved caur lielāku mehānismu,” saka Bjerns Samsets, Starptautiskā vides un klimata pētījumu centra Cicero pētnieks. Viņš ir pamata daļiņu fiziķis, apmācot un strādājot CERN.
"Vienīgais jautājums ir, vai ir pienācis laiks to izveidot, vai arī šobrīd labāk ir koncentrēties uz citām lietām."
Viņš arī uzskata, ka fizikai, iespējams, būtu vairāk labuma, ja vispirms tiktu detalizētāk novērtēti citi projekti, kas varētu palīdzēt labāk izprast, ko tieši jaunā ierīce varētu atrast.
Samsets kā piemēru min tumšo vielu.
"Daudzi cerēja, ka LHC būs pietiekami daudz enerģijas, lai radītu daļiņas, no kurām varētu būt izgatavota tumšā viela."
Ir izvirzītas daudzas teorijas, un dažas ir atspēkotas, bet daudzas vēl jāpārbauda. Jautājums ir, vai varbūt nebūtu labāk koncentrēties uz citām metodēm, piemēram, īpašiem sensoriem, ar kuru palīdzību jūs varat tieši tvert tumšo vielu.
Ja BCC tiks uzcelts, tas drīz nenotiks, taču Samsets uzsver, ka ir ļoti svarīgi šādus projektus iepriekš apspriest.
“Gaidīšanas briesmas ir pieredzes zaudēšana. CERN tehniķi ir īsti magi, viņi liek akseleratoram darīt neticamas lietas. Ja mēs nesāksim plānot nākamo projektu tagad, liela daļa šīs pieredzes varētu tikt zaudēta."
Tajā pašā laikā viņš uzskata, ka pieredzi var nodot citu projektu ietvaros. Bet viņš ir pārliecināts, ka joprojām tiks uzbūvēti milzīgi akseleratori.
"Šāds mehānisms ir jāveido, un tas tiks uzbūvēts, bet varbūt vēl ir par agru?"
Lasse Biørnstad