Fysikers drømme: hvilke collider ville være stejlere end Big Hadron?

Hvis elementære partikelfysikere lykkes,Nye acceleratorer vil en dag være i stand til nøje at udforske den mest nysgerrige subatomic partikel i fysik - Higgs boson. Seks år efter opdagelsen af ​​denne partikel på Large Hadron Collider planlægger fysikere nye store maskiner, der vil strække flere kilometer i Europa, Japan eller Kina.

Nye Colliders: Hvad vil de være?

Opdagelse af denne subatomære partikel somafslører massens oprindelse, førte til afslutning af standardmodellen - en omfattende teori om elementær partikelfysik. Og det blev også en præstation for LHC, som for øjeblikket er verdens største accelerator. Det var trods alt at søge efter Higgs bosonen, selv om det ikke kun var bygget.

Nu vil fysikere dykke ind i bosons hemmelighederHiggs i håb om at han vil være nøglen til at løse de langvarige problemer med partikelfysik. "Higgs er en særlig partikel", siger fysiker Ifang Wang, direktør for Institut for Høj Energiefysik i Beijing. "Vi tror, ​​at Higgs er et vindue til fremtiden."

The Large Hadron Collider, aka BAK, bestående affra en ring 27 kilometer lang, inden for hvilken protoner accelererer næsten til lysets hastighed og kolliderer milliarder gange per sekund, har næsten nået grænsen for dets evner. Han gjorde et fremragende arbejde med Higgs detektion, men er ikke egnet til hans detaljerede forskning.

Derfor kræver elementære partikelfysikere nytpartikel collider, specielt designet til at lancere bunker af Higgs bosoner. Der er blevet foreslået adskillige projekter for disse kraftfulde nye maskiner, og forskere håber, at disse Higgs-fabrikker kan hjælpe med at finde løsninger på Standard Model's svage svagheder.

"Standardmodellen er ikke en komplet teoriuniverset ", siger partikelfysik eksperimentator Galina Abramovich fra Tel Aviv University. For eksempel forklarer denne teori ikke mørkt stof, et uidentificeret stof, hvis masse er nødvendigt for at tage højde for rumobservationer, såsom bevægelser af stjerner i galakser. Det forklarer heller ikke, hvorfor universet består af materie, mens antimatter er yderst sjælden.

Tilhængere af nye collider hævder aten grundig undersøgelse af Higgs boson kan føre forskere til at løse disse mysterier. Men blandt forskere er ønsket om nye prismodtagere ikke understøttet af alle. Derudover er det ikke klart, hvad der præcist kunne finde sådanne maskiner.

Næste på linie

Den første i linjen er den internationale lineæreCollider i det nordlige Japan. I modsætning til LHC, hvorpå partikler bevæger sig i en ring, accelererer MLK to partikelbjælker i en lige linje direkte på hinanden i hele sin 20 kilometer lange længde. Og i stedet for at skubbe protoner sammen, skubber han elektroner og deres antimatterpartnere, positrons.

Men i december 2018, tværfagligEt udvalg fra Det Videnskabelige Råd i Japan modsatte sig dette projekt og opfordrede regeringen til at være forsigtig med sin støtte og undre sig over, om de forventede videnskabelige resultater retfærdiggør omkostningerne til collideren, som i øjeblikket anslås til 5 mia.

Tilhængere hævder, at MLK planen forKollisionen af ​​elektroner og positroner, snarere end protoner, har en række store fordele. Elektroner og positroner er elementære partikler, det vil sige, de har ingen mindre komponenter, og protoner består af mindre partikler - kvarker. Dette betyder, at protonkollisioner bliver mere uberegnelige og skaber mere ubrugelige partikelrester, der skal sigtes.

Derudover kun i protonkollisionerEn del af energien fra hver proton falder faktisk i en kollision, mens partikler i en elektron-positron-kollider overfører total energi til en kollision. Det betyder, at forskere kan justere kollisionsenergi for at maksimere antallet af producerede Higgs bosoner. Samtidig vil MLK kun kræve 250 milliarder elektronvolt til at producere Higgs bosons sammenlignet med 13 billioner elektronvolt på LHC.

På MLK, "kvaliteten af ​​de modtagne data vil være megetovenfor, "siger Lin Evans, elementær partikelfysiker fra Genève CERN. En ud af hver 100 kollisioner på MLK vil producere Higgs boson, mens der ved LHC sker 10 milliarder kollisioner.

Den japanske regering forventes at tagebeslutningen om collider i marts. Evans siger, at hvis MLK er godkendt, vil det tage omkring 12 år at oprette. Senere kan acceleratoren også opgraderes for at øge den energi, den kan opnå.

CERN har planer om at skabe en lignende maskine -Kompakt lineær collider (CLIC). Det vil også kollidere elektroner og positrons, men ved højere energier end MLK. Dens energi starter fra 380 milliarder elektronvolt og øges til 3 billioner elektronvolt i en række opgraderinger. For at opnå disse højere energier er det nødvendigt at udvikle en ny partikelaccelerationsteknologi, hvilket betyder, at CLIC åbenbart ikke vil komme frem til MLK, siger Evans, som leder forskningernes samarbejde fra begge projekter.

Cirkle løbende

To andre planlagte collider i Kina ogEuropa, vil være rundt, ligesom LHC, men meget mere: hver cirkel er 100 kilometer. Dette er en stor nok cirkel til at fordoble Liechtensteins land. Dette er praktisk taget længden af ​​Moskva Ringvejen.

Cirkulær elektron-positron collider, stedhvis konstruktion i Kina endnu ikke er blevet bestemt, vil skubbe elektroner og positrons ind i 240 milliarder elektronvolt, ifølge en konceptplan, der officielt blev præsenteret i november og beskyttet af van og instituttet for høj energi fysik. Denne accelerator kan senere opgraderes til at skubbe protoner ved høje energier. Forskere siger, at de kunne begynde at bygge denne maskine, værd $ 5-6 mia. I 2022, og afslutte den inden 2030.

Og hos CERN den foreslåede fremtidige cirkulæreCollideren, BKK, vil også komme i gang i trin, kolliderer elektroner med positroner og senere protoner. Det ultimative mål er at opnå protonkollisioner ved 100 billioner elektronvolt, hvilket er mere end syv gange LHC's energi.

I mellemtiden afsluttede forskerne BAC i to år,Opgradering af maskinen til arbejde med højere energi. I 2026 vil en BAC med høj luminositet arbejde, hvilket vil øge frekvensen af ​​protonkollisioner mindst fem gange.

Higgs portræt

Når LHC blev bygget, var videnskabsmændene tilstrækkeligesikker på at finde Higgs boson med det. Men med nye biler er det ikke klart, hvilke nye partikler der skal kigge efter. De vil simpelthen katalogisere, hvor meget Higgs interagerer med andre kendte partikler.

Higgs interaktionsmålinger kan bekræfteStandby model forventninger. Men hvis observationerne er forskellige fra forventningerne, kan uoverensstemmelsen indirekte angive tilstedeværelsen af ​​noget nyt, såsom partikler, der udgør mørk materie.

Nogle forskere håber der sker noget.uventet. Fordi Higgs boson selv er et mysterium: Disse partikler kondenserer ind i en væske, der ligner melasse. Hvorfor? Vi har ingen anelse om, siger partikelfysik Michael Peskin fra Stanford University. Denne væske gennemsyrer universet, bremser partiklerne og giver dem vægt.

Et andet mysterium er, at massenHiggs en million milliarder mindre end forventet. Denne oddity kan indikere at der er andre partikler. Tidligere troede forskere, at de ville kunne reagere på Higgs-problemer ved hjælp af supersymmetri-teorien - en konsonant, at hver partikel har en tungere partner. Men det skete ikke, fordi LHC ikke fandt spor af supersymmetriske partikler.

Fremtidige collider kan stadig findetegn på supersymmetri eller på anden måde antydning på nye partikler, men denne gang vil forskere ikke lave løfter. Nu er de mere optaget af at udvikle prioriteter og bringe argumenter til fordel for nye collider og andre eksperimenter i partikelfysik. Én ting er sikkert: de foreslåede acceleratorer vil udforske ukendt område med uforudsigelige resultater.

Gå ikke glip af opdateringer om dette emne i vores kanaler. i telegram.