Повратак у 2008, сноп протона први је премотао око Великог хадронског сударача (ЛХЦ), најмоћнијег акцелератора честица на свету. Сада, деценију касније, време је да се изврши преглед онога што смо научили захваљујући овој установи и онога што је пред нама.
Ово рачуноводство укључује како будућа истраживања која ЛХЦ могу да спроведу, тако и могућа нова постројења која би се могла сударити честицама при енергији далеко већој од онога што ЛХЦ може да постигне. Предложене су две, или можда три, могуће замене за ЛХЦ. Дакле, погледајмо где смо и где смо дошли током последње деценије.
Прича о ЛХЦ-у је узбудљива и бурна, са догађајима који се крећу од катастрофалног оштећења огромних магнета инструмента у првим данима рада, до успона из феникса из те трагедије, праћеног чврстим и узбудљивим открићима, укључујући откриће Хиггсов бозон. Тај налаз су зарадили Петер Хиггс и Францоис Енглерт Нобелову награду, као што су предвиђали честица пре више од пола века. Свијет је необично да брзо слиједи вијести из физике честица, али најава Хиггсовог открића водила је вијести широм свијета.
Проналажење нове физике
Физичари су такође били на ивици својих седишта, чекајући оно што су се надали неочекиваним открићима. Већ скоро пола века, научници су разрађивали тренутно теоријско разумевање понашања субатомских материја. Ово разумевање назива се Стандардним моделом физике честица.
Модел објашњава посматрано понашање молекула и атома обичне материје, па чак и најмањих познатих грађевних блокова икада опажених. Те се честице називају кваркови и лептони, с кварковима који се налазе унутар протона и неутрона који чине језгро атома и електрони су најпознатији лептон. Стандардни модел такође објашњава понашање свих познатих сила, осим гравитације. То је заиста изванредно научно достигнуће.
Међутим, Стандардни модел не објашњава све ствари из теоријске физике. То не објашњава зашто изгледа да кваркови и лептони постоје у три различите, али готово идентичне конфигурације, које се називају генерацијама. (Зашто три? Зашто не два? Или четири? Или један? Или 20?) Овај модел не објашњава зашто је наш свемир у потпуности направљен од материје, када најједноставније разумевање теорије релативности Алберта Еинстеина каже да свемир такође треба да садржи једнака количина антиматерије.
Стандардни модел не објашњава зашто студије космоса сугеришу да обична материја атома чини само 5 процената материје и енергије универзума. Сматра се да се остатак састоји од тамне материје и тамне енергије. Тамна материја је облик материје која доживљава само гравитацију и ниједну другу основну силу, док је тамна енергија облик одбојне гравитације која прожима космос.
Пре првих операција ЛХЦ-а, физичари попут мене надали су се да ће нам млаз атома помоћи да одговоримо на ова загонетна питања. Најчешће цитирана теорија кандидата за објашњење тих загонетки назвала се суперсиметријом. Сугерише да све познате субатомске честице имају честице "суперпартнера". Они би заузврат могли да објасне тамну материју и одговоре на нека друга питања. Међутим, физичари нису приметили суперсиметрију. Штавише, подаци ЛХЦ-а искључили су најједноставније теорије које укључују суперсиметрију. Дакле, шта је постигао ЛХЦ?
ЛХЦ је учинио пуно
Па, поред те читаве Хиггсове ствари о бозону, ЛХЦ је доставио податке у своје четири велике експерименталне сарадње, што је резултирало са више од 2.000 научних радова. Унутар ЛХЦ-а честице су разбијене једна у другу енергијом 6,5 пута већом од оне коју је постигао Фермилаб Теватрон, који је четврт века имао титулу најмоћнијег акцелератора честица на свету, све док ЛХЦ није преузео ту круну.
Ови тестови Стандардног модела су били веома важни. Било које од тих мерења могло се не слагати са предвиђањима, што би довело до открића. Међутим, испоставило се да је Стандардни модел врло добра теорија и дао је тачне прогнозе за енергије судара ЛХЦ као и за нивое енергије у претходном Теватрону.
Да ли је то проблем? У врло стварном смислу, одговор је не. На крају крајева, наука толико служи испитивању и одбацивању погрешних нових идеја колико и валидацији исправних.
С друге стране, не негира се да би научници били много узбуђенији када би нашли феномене које раније нису предвидјели. Открића тог типа покрећу људско знање, а врхунац је у преписивању уџбеника.
ЛХЦ прича није готова
И шта сад? Да ли је ЛХЦ завршио да нам прича своју причу? Једва. Заиста, истраживачи се радују побољшањима опреме која ће им помоћи да проуче питања која не могу да одговоре уз помоћ тренутне технологије. ЛХЦ се угасио почетком децембра 2018. године због две године обнављања и надоградњи. Када акцелератор настави с радом у пролеће 2021. године, вратиће се са лаганим порастом енергије, али удвостручује број судара у секунди. Узимајући у обзир будуће планиране надоградње, научници са ЛХЦ-а до сада су забиљежили само 3 посто очекиваних података. Иако ће проћи много година да се прођу сви налази, тренутни план је да се забележе око 30 пута више података него што је досад добијено. С пуно више података који долазе, ЛХЦ има још пуно тога за испричати.
Ипак, док ће ЛХЦ радити вероватно још 20 година, потпуно је разумно такође питати: "Шта је следеће?" Физичари честица размишљају о изградњи следећег акцелератора честица који ће заменити ЛХЦ. Слиједећи традицију ЛХЦ-а, једна могућност би спојила снопове протона заједно с енергијом која занемарује енергију - 100 трилијуна електрона волти (ТеВ), што је много веће од ЛХЦ-ове највеће способности од 14 ТеВ. Али за остваривање тих енергија биће потребне две ствари: Прво, требало би да изградимо магнете који су двоструко јачи од оних који гурају честице око ЛХЦ-а. То се сматра изазовним, али остваривим. Друго, требат ће нам други тунел, слично ЛХЦ-у, али нешто више од три пута већи, с опсегом кугле од 61 миље (око 100 километара), око четири пута већим од оног ЛХЦ-а.
Али где ће бити изграђен овај велики тунел и како ће он заиста изгледати? Које ће се греде сударати и којом енергијом? Па, то су добра питања. Нисмо довољно далеко у процесу дизајнирања и доношења одлука да бисмо добили одговоре, али постоје две веома велике и остварене групе физичара које размишљају о проблемима, и свака је створила предлог за нови акцелератор. Један од предлога, који су у великој мери покретали европске истраживачке групе, замишља изградњу великог додатног акцелератора, највероватније смештеног у лабораторији ЦЕРН-а, непосредно изван Женеве.
Према једној идеји, тамо би се објекат срушио сноп електрона и антиматеријски електрони. Због разлика између протона који се убрзавају у поређењу са електронима - електронски сноп губи више енергије око кружне структуре него што протонски сноп користи - овај сноп би користио тунел дугачак 61 миљу, али ће радити са нижом енергијом него ако је протони. Други предлог би користио исти акцелератор дужине 61 километар за сударање греда протона. Скромнији предлог могао би поново користити тренутни ЛХЦ тунел, али са моћнијим магнетима. Та опција би само удвостручила енергију судара изнад онога што ЛХЦ сада може, али то је јефтинија алтернатива. Други предлог, који су у великој мери подржали кинески истраживачи, замишља потпуно нови објекат, вероватно изграђен у Кини. Овај акцелератор би такође био удаљен око 61 миљу, и сударао би електроне и антиматеријске електроне, пре него што би се пребацио на протонски-протонски судар око 2040. године.
Ова два потенцијална пројекта су још увек у фази разговора. На крају, научници који дају ове предлоге мораће да пронађу владу или групу влада спремних да поднесе предлог закона. Али пре него што се то може догодити, научници треба да утврде способности и технологије потребне за омогућавање ових нових објеката. Обе групе су недавно објавиле опсежну и детаљну документацију о свом дизајну. То није довољно за изградњу предложених објеката, али довољно је да упоредите пројектоване перформансе будућих лабораторија и почнете да састављате поуздана предвиђања трошкова.
Истражити границу знања је тежак подухват, а од првих снова о изградњи објекта таквог обима, операцијама до гашења објекта, може проћи много деценија. Како обележавамо десетогодишњицу првог снопа у ЛХЦ-у, вреди се сагледати шта је овај пројекат постигао и шта ће нам донети будућност. Чини ми се да ће бити узбудљиви подаци које ће проучавати следећа генерација научника. А можда, само можда, научит ћемо још неколико фасцинантних тајни природе.
Дон Линцолн је истраживач физике Фермилаб. Аутор је књиге „Велики хадронски сударач: Изванредна прича о Хиггсовом бозону и другим стварима које ће вам разбити дух"(Јохнс Хопкинс Университи Пресс, 2014), и он је направио низ научних едукација видео. Прати га на Фејсбуку. Мишљења изражена у овом коментару су његова.
Дон Линцолн је овај чланак допринео Ливе Сциенце-у Гласови стручњака: Оп-Ед & Инсигхтс.
