Γενικά

Όνειρα των φυσικών: ποιοι συγκρουσιαστές θα ήταν πιο απότομοι από τον Μεγάλο Αδρόνιο;

Αν οι στοιχειώδεις φυσικοί σωματιδίων πετύχουν,Νέοι επιταχυντές θα μπορούν να εξερευνήσουν προσεκτικά το πιο περίεργο υποατομικό σωματίδιο στη φυσική - το μποζόνιο Higgs. Έξι χρόνια μετά την ανακάλυψη αυτού του σωματιδίου στο Large Hadron Collider, οι φυσικοί σχεδιάζουν νέες τεράστιες μηχανές που θα επεκτείνουν δεκάδες χιλιόμετρα στην Ευρώπη, την Ιαπωνία ή την Κίνα.

New Colliders: Τι θα είναι;

Ανακάλυψη αυτού του υποατομικού σωματιδίου το οποίοαποκαλύπτει την προέλευση της μάζας, οδήγησε στην ολοκλήρωση του Τυποποιημένου Μοντέλου - μια ολοκληρωμένη θεωρία της στοιχειώδους φυσικής σωματιδίων. Και έγινε επίσης ένα ορόσημο για τον LHC, που είναι σήμερα ο μεγαλύτερος επιταχυντής στον κόσμο - τελικά, ήταν να ψάξει για το μποζόνιο Higgs, αν και όχι μόνο χτίστηκε.

Τώρα οι φυσικοί θέλουν να βυθιστούν στα μυστικά του μποζόνHiggs με την ελπίδα ότι θα είναι το κλειδί για την επίλυση των μακροχρόνιων προβλημάτων της σωματιδιακής φυσικής. "Το Χιγκς είναι ένα ειδικό σωματίδιο", λέει ο φυσικός Ifang Wang, διευθυντής του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών στο Πεκίνο. «Πιστεύουμε ότι ο Higgs είναι ένα παράθυρο για το μέλλον».

Ο μεγάλος επιταχυντής των αδρονίων, γνωστός και ως BAK, που αποτελείταιαπό ένα δακτύλιο μήκους 27 χιλιομέτρων, μέσα στο οποίο τα πρωτόνια επιταχύνουν σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός και συγκρούονται με δισεκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο, έχει σχεδόν φτάσει στο όριο των δυνατοτήτων του. Έκανε εξαιρετική δουλειά με την ανίχνευση Higgs, αλλά δεν είναι κατάλληλη για την λεπτομερή έρευνα του.

Ως εκ τούτου, οι στοιχειώδεις φυσικοί σωματιδίων απαιτούν νέασωματιδίων, ειδικά σχεδιασμένα για να εκτοξεύουν σωρούς από μποζόνια Higgs. Έχουν προταθεί πολλά έργα για αυτές τις ισχυρές νέες μηχανές και οι επιστήμονες ελπίζουν ότι αυτά τα εργοστάσια Higgs θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξεύρεση λύσεων στις έντονες αδυναμίες του Τυποποιημένου Μοντέλου.

"Το πρότυπο μοντέλο δεν είναι μια ολοκληρωμένη θεωρίατο σύμπαν ", λέει η πειραματική φυσική των σωματιδίων Galina Abramovich από το Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ. Για παράδειγμα, αυτή η θεωρία δεν εξηγεί τη σκοτεινή ύλη, μια άγνωστη ουσία, η μάζα της οποίας είναι απαραίτητη για να υπολογίζει τις κοσμικές παρατηρήσεις, όπως οι κινήσεις των αστεριών στους γαλαξίες. Επίσης, δεν εξηγεί γιατί το Σύμπαν αποτελείται από ύλη, ενώ η αντιύλη είναι εξαιρετικά σπάνια.

Υποστηρικτές νέων συγκρούσεων ισχυρίζονται ότιμια διεξοδική μελέτη του μποζόν του Higgs μπορεί να οδηγήσει τους επιστήμονες να λύσουν αυτά τα μυστήρια. Όμως, μεταξύ των επιστημόνων, η επιθυμία για νέους γρήγορους επιταχυντές δεν υποστηρίζεται από όλους. Επιπλέον, δεν είναι σαφές τι ακριβώς θα μπορούσε να βρει τέτοια μηχανήματα.

Στη συνέχεια στη σειρά

Η πρώτη στη σειρά είναι η Διεθνής ΓραμμικήΚολλητής στο βόρειο τμήμα της Ιαπωνίας. Σε αντίθεση με το LHC, στο οποίο τα σωματίδια κινούνται κατά μήκος ενός δακτυλίου, το MLK επιταχύνει δύο δέσμες σωματιδίων σε ευθεία γραμμή, απευθείας το ένα στο άλλο, κατά μήκος του συνολικού μήκους των 20 χιλιομέτρων. Και αντί να πιέζει μαζί τα πρωτόνια, ωθεί τα ηλεκτρόνια και τους εταίρους αντιύλης τους, τα ποζιτρόνια.

Ωστόσο, τον Δεκέμβριο του 2018, διεπιστημονικήΗ επιτροπή του Επιστημονικού Συμβουλίου της Ιαπωνίας αντιτάχθηκε σε αυτό το σχέδιο, προτρέποντας την κυβέρνηση να είναι προσεκτική με την υποστήριξή της και αναρωτιέται εάν τα αναμενόμενα επιστημονικά επιτεύγματα δικαιολογούν το κόστος του επιταχυντή, ο οποίος σήμερα υπολογίζεται σε 5 δισεκατομμύρια δολάρια.

Οι υποστηρικτές υποστηρίζουν ότι το σχέδιο MLK γιαΗ σύγκρουση των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων, αντί των πρωτονίων, έχει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια, δηλαδή δεν έχουν μικρότερα συστατικά και πρωτόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια - κουάρκ. Αυτό σημαίνει ότι οι συγκρούσεις πρωτονίων θα είναι πιο ακανόνιστες και θα δημιουργήσουν πιο άχρηστα σωματίδια που θα πρέπει να κοσκινιστούν.

Επιπλέον, μόνο σε σύγκρουση πρωτονίωνΚάποια ενέργεια από κάθε πρωτόνιο πέφτει στην πραγματικότητα σε σύγκρουση, ενώ σε ένα συγκρουστή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, τα σωματίδια μεταφέρουν συνολική ενέργεια σε μια σύγκρουση. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να προσαρμόσουν την ενέργεια σύγκρουσης για να μεγιστοποιήσουν τον αριθμό των bosons Higgs που παράγονται. Την ίδια στιγμή, το MLK θα απαιτήσει μόνο 250 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια βολτ για να παράγει τα μποζόνια Higgs, σε σύγκριση με 13 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονίων βολτ στο LHC.

Στο MLK, "η ποιότητα των δεδομένων που λαμβάνονται θα είναι μεγάληπαραπάνω ", λέει ο Lin Evans, καθηγητής στοιχειωδών σωματιδίων από το CERN της Γενεύης. Μια από τις 100 συγκρούσεις στο MLK θα παράγει το μποζόνιο Higgs, ενώ στο LHC συμβαίνουν κάθε 10 δισεκατομμύρια συγκρούσεις.

Η ιαπωνική κυβέρνηση αναμένεται να πάρειτην απόφαση για τον επιταχυντή τον Μάρτιο. Ο Evans λέει ότι αν εγκριθεί η MLK, θα χρειαστούν περίπου 12 χρόνια για να δημιουργηθεί. Αργότερα, ο επιταχυντής μπορεί επίσης να αναβαθμιστεί για να αυξήσει την ενέργεια που μπορεί να επιτύχει.

Το CERN σχεδιάζει να δημιουργήσει ένα παρόμοιο μηχάνημα -Compact Linear Collider (CLIC). Θα συγκρούσει επίσης ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, αλλά σε υψηλότερες ενέργειες από την MLK. Η ενέργειά του θα ξεκινήσει από 380 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια και θα αυξηθεί σε 3 τρισεκατομμύρια ηλεκτριόλιτρα σε μια σειρά αναβαθμίσεων. Για να επιτευχθούν αυτές οι υψηλότερες ενέργειες, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί μια νέα τεχνολογία επιτάχυνσης των σωματιδίων, πράγμα που σημαίνει ότι το CLIC προφανώς δεν θα εμφανιστεί ενώπιον του MLK, λέει ο Evans, ο οποίος διευθύνει τη συνεργασία ερευνητών και από τα δύο έργα.

Κύκλος τρέχει

Δύο άλλοι προγραμματισμένοι συγκρούσεις στην Κίνα και την ΚίναΕυρώπη, θα είναι στρογγυλή, όπως ο LHC, αλλά πολύ περισσότερο: κάθε κύκλος είναι 100 χιλιόμετρα. Αυτός είναι ένας αρκετά μεγάλος κύκλος για να διπλασιαστεί η χώρα του Λιχτενστάιν. Αυτό είναι σχεδόν το μήκος της περιφερειακής οδού της Μόσχας.

Κυκλική σύγκρουση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, θέσηη κατασκευή του οποίου στην Κίνα δεν έχει ακόμη καθοριστεί, θα ωθήσει τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια σε 240 δισεκατομμύρια ηλεκτριβάδες, σύμφωνα με ένα εννοιολογικό σχέδιο που παρουσιάστηκε επισήμως τον Νοέμβριο και προστατεύεται από την Van και το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών. Αυτός ο επιταχυντής μπορεί αργότερα να αναβαθμιστεί για να ωθήσει τα πρωτόνια σε υψηλές ενέργειες. Οι επιστήμονες λένε ότι θα μπορούσαν να αρχίσουν να κατασκευάζουν αυτό το μηχάνημα, ύψους 5-6 δισεκατομμυρίων δολαρίων μέχρι το 2022 και να το ολοκληρώσουν μέχρι το 2030.

Και στο CERN την προτεινόμενη μελλοντική εγκύκλιοο επιταχυντής, ο BKK, θα τεθεί επίσης σε λειτουργία σταδιακά, συγκρούοντας ηλεκτρόνια με ποζιτρόνια και αργότερα πρωτόνια. Ο απώτερος στόχος θα είναι να επιτευχθούν συγκρούσεις πρωτονίων στα 100 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονίων-βολτ, που είναι πάνω από επτά φορές η ενέργεια του LHC.

Εν τω μεταξύ, οι επιστήμονες έκλεισαν το BAC για δύο χρόνια,αναβαθμίζοντας το μηχάνημα για να εργαστείτε σε υψηλότερη ενέργεια. Το 2026, θα λειτουργήσει ένα BAC με υψηλή φωτεινότητα, το οποίο θα αυξήσει τη συχνότητα των συγκρούσεων πρωτονίων τουλάχιστον πέντε φορές.

Higgs πορτρέτο

Όταν κατασκευάστηκε ο LHC, οι επιστήμονες ήταν επαρκείςβέβαιος να βρει το μποζόνιο Higgs μαζί του. Αλλά με τα καινούργια αυτοκίνητα δεν είναι σαφές ποια νέα σωματίδια πρέπει να αναζητήσουν. Θα καταγράψουν απλώς πόσο αλληλεπιδρά το Higgs με άλλα γνωστά σωματίδια.

Οι μετρήσεις αλληλεπίδρασης Higgs μπορούν να επιβεβαιωθούνΠροσδοκίες μοντέλου αναμονής. Αλλά αν οι παρατηρήσεις διαφέρουν από τις προσδοκίες, η ασυμφωνία μπορεί έμμεσα να υποδηλώνει την ύπαρξη κάτι καινούργιου, όπως σωματίδια που σχηματίζουν σκοτεινή ύλη.

Μερικοί επιστήμονες ελπίζουν ότι κάτι θα συμβεί.απροσδόκητο. Επειδή το ίδιο το μποζόνιο είναι ένα μυστήριο: αυτά τα σωματίδια συμπυκνώνονται σε ένα υγρό, παρόμοιο με τη μελάσα. Γιατί Δεν έχουμε ιδέα, λέει ο σωματικός φυσικός Michael Peskin του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. Αυτό το υγρό διαπερνά το σύμπαν, επιβραδύνοντας τα σωματίδια και δίνοντας τους βάρος.

Ένα άλλο μυστήριο είναι ότι η μάζαHiggs εκατομμύριο δισεκατομμύρια λιγότερο από το αναμενόμενο. Αυτή η ιδιαιτερότητα μπορεί να υποδηλώνει ότι υπάρχουν και άλλα σωματίδια. Προηγουμένως, οι επιστήμονες πίστευαν ότι θα ήταν σε θέση να ανταποκριθούν σε προβλήματα Higgs με τη βοήθεια της θεωρίας της υπερσυμμετρίας - μια συμφωνία ότι κάθε σωματίδιο έχει έναν βαρύτερο συνεργάτη. Αλλά αυτό δεν συνέβη, επειδή ο LHC δεν βρήκε ίχνη υπερσυμμετρικών σωματιδίων.

Μπορούν να βρεθούν μελλοντικοί συγκρουσιαστέςαποδεικτικά στοιχεία υπερσυμμετρίας ή αλλιώς υπονοούν νέα σωματίδια, αλλά αυτή τη φορά οι επιστήμονες δεν θα κάνουν υποσχέσεις. Τώρα είναι πιο απασχολημένοι με την ανάπτυξη προτεραιοτήτων και φέρνοντας επιχειρήματα υπέρ νέων συγκρούσεων και άλλων πειραμάτων στη φυσική σωματιδίων. Ένα πράγμα είναι βέβαιο: οι προτεινόμενοι επιταχυντές θα διερευνήσουν άγνωστο έδαφος με απρόβλεπτα αποτελέσματα.

Μην χάσετε ενημερώσεις σχετικά με αυτό το θέμα στα κανάλια μας. σε τηλεγράφημα.