Ja daļiņu fiziķi nokļūst ceļā, jaunie paātrinātāji kādu dienu var pārbaudīt fizikā vissaistošākās subatomiskās daļiņas - Higsa bozonu. Sešus gadus pēc šīs daļiņas atklāšanas Lielajā hadronu sadursmē fiziķi plāno milzīgas jaunas mašīnas, kas Eiropā, Japānā vai Ķīnā stiepjas desmitiem kilometru.
Jauni sadursmes veicēji: kādi viņi būs
Šīs subatomiskās daļiņas, kas atklāj masu izcelsmi, atklāšana noveda pie standarta modeļa - visaptverošas daļiņu fizikas teorijas - pabeigšanas. Un tas arī kļuva par nozīmīgu sasniegumu LHC, kas šobrīd ir lielākais paātrinātājs pasaulē - galu galā tas tika veidots, lai meklētu Higsa bozonu, kaut arī ne tikai.
Tagad fiziķi vēlas dziļāk iedziļināties Higsa boza noslēpumos, cerot, ka tas būs atslēga ilgstošo daļiņu fizikas problēmu risināšanā. “Higss ir īpaša daļiņa,” saka fiziķis Yifang Wang, Pekinas Augstās enerģijas fizikas institūta direktors. "Mēs uzskatām, ka Higss ir logs uz nākotni."
Lielais hadronu sadursme, kas pazīstama arī kā LHC, sastāv no 27 kilometrus gara gredzena, kura iekšienē protoni paātrinās gandrīz līdz gaismas ātrumam un saduras miljardiem reižu sekundē, ir gandrīz sasniedzis savu robežu. Viņš paveica izcilu darbu, lai atrastu Higsu, bet viņš nav piemērots detalizētai izpētei.
Tāpēc daļiņu fiziķi pieprasa jaunu daļiņu sadursmi, kas īpaši paredzēta Higsa bozona pāļu palaišanai. Šīm jaudīgajām jaunajām mašīnām ir ierosināti vairāki dizaini, un zinātnieki cer, ka šīs Higsa rūpnīcas varētu palīdzēt rast risinājumus standarta modeļa acīmredzamajām nepilnībām.
Reklāmas video:
"Standarta modelis nav pilnīga Visuma teorija," saka eksperimentālā daļiņu fiziķe Gaļina Abramoviča no Telavivas universitātes. Piemēram, šī teorija neizskaidro tumšo vielu - neidentificētu vielu, kuras masa ir nepieciešama, lai ņemtu vērā kosmiskos novērojumus, piemēram, zvaigžņu kustību galaktikās. Tas arī neizskaidro, kāpēc Visums ir veidots no matērijas, kamēr antimateriāli ir ārkārtīgi reti.
Jauno sadursmju veicēji apgalvo, ka rūpīga Higsa bozona izpēte varētu norādīt zinātniekus ceļā uz šo noslēpumu risināšanu. Bet zinātnieku vidū vēlmi pēc jauniem dārgiem paātrinātājiem neatbalsta visi. Turklāt nav skaidrs, ko tieši šādas mašīnas varēja atrast.
Nākamais rindā
Pirmais rindā ir Starptautiskais lineārais sadursme Japānas ziemeļos. Atšķirībā no LHC, kurā daļiņas pārvietojas gredzenā, MLC paātrina divas daļiņu sijas taisnā līnijā tieši viena otrai virs otra visā 20 kilometru garumā. Un tā vietā, lai stumtu kopā protonus, tas nospiež elektronus un to antimatērijas partnerus, pozitronus.
Tomēr 2018. gada decembrī Japānas Zinātniskās padomes starpdisciplinārā komiteja iebilda pret projektu, mudinot valdību būt uzmanīgiem ar tā atbalstu un domāt, vai paredzamie zinātnes sasniegumi attaisno sadursmes izraisītāja izmaksas, kas šobrīd tiek lēstas 5 miljardu USD apmērā.
Aizstāvji apgalvo, ka MLK plānam sadurt elektronus un pozitronus, nevis protonus, ir vairākas galvenās priekšrocības. Elektroni un pozitroni ir elementāras daļiņas, tas ir, tiem nav mazāku komponentu, un protoni sastāv no mazākām daļiņām - kvarkiem. Tas nozīmē, ka protonu sadursmes būs haotiskākas un radīs bezjēdzīgākus daļiņu gružus, kuri būs jāizsijā.
Turklāt protonu sadursmēs sadursmē faktiski nonāk tikai daļa no katra protona enerģijas, savukārt elektronu-pozitronu sadursmēs daļiņas kopējo enerģiju nodod sadursmē. Tas nozīmē, ka zinātnieki var noregulēt sadursmes enerģiju, lai palielinātu saražoto Higsa bozu skaitu. Tajā pašā laikā MLK būtu nepieciešami tikai 250 miljardi elektronu voltu, lai iegūtu Higsa bozonus, salīdzinot ar 13 triljoniem elektronu voltu LHC.
MLK "datu kvalitāte būs daudz labāka", saka daļiņu fiziķis Lins Evanss no CERN Ženēvā. Viena no katrām 100 sadursmēm MLK radīs Higsa bozonu, savukārt LHC tas notiek reizi 10 miljardos sadursmju.
Paredzams, ka Japānas valdība martā pieņems lēmumu par sadursmi. Evanss saka: ja MLK tiks apstiprināts, tā izveide prasīs apmēram 12 gadus. Vēlāk akseleratoru var arī uzlabot, lai palielinātu enerģiju, ko tas var sasniegt.
CERN plāno izveidot līdzīgu mašīnu - kompakto lineāro sadursmi (CLIC). Tas sadursies arī ar elektroniem un pozitroniem, bet ar lielākām enerģijām nekā MLK. Tās enerģija sāksies ar 380 miljardiem elektronu voltu un atjauninājumu sērijā pieaugs līdz 3 triljoniem elektronu voltu. Lai sasniegtu šīs augstākās enerģijas, ir jāizstrādā jauna daļiņu paātrināšanas tehnoloģija, kas nozīmē, ka CLIC neparādīsies MLK priekšā, saka Evanss, kurš vada abu projektu pētniecības sadarbību.
Skriešana aplī
Pārējie divi plānotie sadursmes gadījumi Ķīnā un Eiropā būs tikpat apaļi kā LHC, bet daudz lielāki: katrs ar 100 kilometru apkārtmēru. Šis ir pietiekami liels aplis, lai divreiz apņemtu Lihtenšteinas valsti. Tas praktiski ir Maskavas apvedceļa garums.
Apļveida elektronu-pozitronu sadursme, kuras celtniecības vieta Ķīnā vēl nav noteikta, sadursies ar 240 miljardiem elektronu voltu elektronu un pozitronu, saskaņā ar konceptuālo plānu, ko oficiāli atklāja novembrī un sponsorēja Vangs un Augstās enerģijas fizikas institūts. Šo paātrinātāju vēlāk varēja uzlabot, lai sadurstu augstas enerģijas protonus. Zinātnieki saka, ka viņi varētu sākt būvēt šo 5-6 miljardu dolāru mašīnu līdz 2022. gadam un pabeigt to līdz 2030. gadam.
CERN arī ierosinātais Nākotnes riņķveida sadurējs, BKK, sāks darboties posmos, elektronus sadurot ar pozitroniem un vēlāk arī ar protoniem. Galīgais mērķis būs panākt protonu sadursmes ar 100 triljoniem elektronu voltu, kas vairāk nekā septiņas reizes pārsniedz LHC enerģiju.
Tikmēr zinātnieki ir slēguši LHC uz diviem gadiem, modernizējot mašīnu, lai tā darbotos ar lielāku enerģiju. 2026. gadā darbu sāks LHC ar lielu gaismas intensitāti, kas vismaz piecas reizes palielinās protonu sadursmju biežumu.
Higsa portrets
Kad LHC tika uzcelts, zinātnieki bija pietiekami pārliecināti, lai atrastu Higsa bozonu ar to. Bet ar jaunām mašīnām nav skaidrs, kādas jaunas daļiņas meklēt. Viņi vienkārši kataloģizēs, cik spēcīgi Higss mijiedarbojas ar citām zināmajām daļiņām.
Higsa mijiedarbības mērījumi var apstiprināt standarta modeļa cerības. Bet, ja novērojumi atšķiras no gaidītajiem, neatbilstība var netieši norādīt uz kaut ko jaunu, piemēram, daļiņām, kas veido tumšo vielu.
Daži zinātnieki cer, ka notiks kaut kas negaidīts. Tā kā pats Higsa bozons ir noslēpums: šīs daļiņas kondensējas melasei līdzīgā šķidrumā. Kāpēc? Mums nav ideju, saka daļiņu teorētiķis Maikls Peškins no Stenfordas universitātes. Šis šķidrums caurstrāvo Visumu, palēninot daļiņas un piešķirot tām svaru.
Vēl viens noslēpums ir tas, ka Higsa masa ir par miljonu miljardu mazāka, nekā gaidīts. Šī dīvainība var norādīt, ka ir arī citas daļiņas. Zinātnieki iepriekš domāja, ka var atbildēt uz Higsa problēmu ar supersimetrijas teorijas palīdzību - līdzskaņam, kura katrai daļiņai ir smagāks partneris. Bet tas nenotika, jo LHC neatrada supersimetrisku daļiņu pēdas.
Nākotnes sadursmes veicēji joprojām var atrast pierādījumus par supersimetriju vai citādi norādīt uz jaunām daļiņām, taču šoreiz zinātnieki solījumus neizteiks. Viņi tagad ir vairāk aizņemti, izstrādājot prioritātes un veidojot argumentus par labu jauniem sadursmēm un citiem eksperimentiem daļiņu fizikā. Viena lieta ir pārliecināta: piedāvātie paātrinātāji izpētīs nezināmu teritoriju ar neparedzamiem rezultātiem.
Iļja Khel