algemeen

Dromen van natuurkundigen: welke botsers zouden steiler zijn dan de Big Hadron?

Als elementaire deeltjesfysici slagen,Nieuwe versnellers zullen op een dag het meest merkwaardige subatomaire deeltje in de natuurkunde - het Higgs-deeltje - zorgvuldig kunnen onderzoeken. Zes jaar na de ontdekking van dit deeltje in de Large Hadron Collider, plannen fysici nieuwe enorme machines die tientallen kilometers zullen trekken in Europa, Japan of China.

Nieuwe Colliders: wat zullen ze zijn?

Ontdekking van dit subatomaire deeltje datonthult de oorsprong van de massa, leidde tot de voltooiing van het standaardmodel - een uitgebreide theorie van elementaire deeltjesfysica. En het werd ook een mijlpaalprestatie voor de LHC, momenteel 's werelds grootste versneller - het was tenslotte zoeken naar het Higgs-boson, hoewel het niet alleen werd gebouwd.

Nu willen natuurkundigen zich verdiepen in de geheimen van het bosonHiggs in de hoop dat hij de sleutel zal worden tot het oplossen van de lang aanslepende problemen van de deeltjesfysica. "De Higgs is een speciaal deeltje", zegt natuurkundige Ifang Wang, directeur van het Institute of High Energy Physics in Beijing. "Wij geloven dat Higgs een venster is naar de toekomst."

De Large Hadron Collider, ook bekend als BAK, bestaatvan een 27 kilometer lange ring, waarin de protonen bijna tot de snelheid van het licht versnellen en miljarden keren per seconde tegen elkaar botsen, heeft bijna de grens van zijn mogelijkheden bereikt. Hij deed uitstekend werk met de Higgs-detectie, maar is niet geschikt voor zijn gedetailleerde onderzoek.

Daarom hebben elementaire deeltjesfysici nieuw nodigdeeltjesversneller, speciaal ontworpen om stapels Higgs-bosonen te lanceren. Verschillende projecten zijn voorgesteld voor deze krachtige nieuwe machines en wetenschappers hopen dat deze Higgs-fabrieken kunnen helpen bij het vinden van oplossingen voor de flagrante zwakheden van het standaardmodel.

"Het standaardmodel is geen complete theoriehet universum ", zegt deeltjesfysica-experimentator Galina Abramovich van de universiteit van Tel Aviv. Deze theorie verklaart bijvoorbeeld niet de donkere materie, een niet-geïdentificeerde stof, waarvan de massa noodzakelijk is om ruimteobservaties te verklaren, zoals de bewegingen van sterren in sterrenstelsels. Het verklaart ook niet waarom het heelal uit materie bestaat, terwijl antimaterie uiterst zeldzaam is.

Aanhangers van nieuwe colliders beweren dateen grondige studie van het Higgs-deeltje kan wetenschappers ertoe brengen deze mysteries op te lossen. Maar onder wetenschappers wordt het nastreven van nieuwe dure accelerators niet door iedereen ondersteund. Bovendien is niet duidelijk wat precies dergelijke machines zou kunnen vinden.

Volgende in de rij

De eerste in de rij is de International Linearrijder in het noorden van Japan. In tegenstelling tot de LHC, waarop deeltjes langs een ring bewegen, versnelt de MLK twee deeltjesbundels in een rechte lijn, direct bij elkaar, langs de volledige lengte van 20 kilometer. En in plaats van protonen samen te duwen, duwt hij elektronen en hun antimateriepartners, positronen.

Echter, in december 2018 interdisciplinairDe commissie van de Wetenschappelijke Raad van Japan was tegen dit project en drong er bij de regering op aan voorzichtig te zijn met haar steun en zich af te vragen of de verwachte wetenschappelijke prestaties de kosten van de collider rechtvaardigen, die momenteel op $ 5 miljard wordt geschat.

Voorstanders betogen dat het MLK plan voorbotsing van elektronen en positronen, in plaats van protonen, heeft een aantal belangrijke voordelen. Elektronen en positronen zijn elementaire deeltjes, dat wil zeggen, ze hebben geen kleinere componenten en protonen bestaan ​​uit kleinere deeltjes, quarks. Dit betekent dat protonbotsingen onregelmatiger zullen zijn en meer nutteloze deeltjes zullen veroorzaken die moeten worden gezeefd.

Bovendien alleen bij proton-botsingenEen deel van de energie van elk proton valt eigenlijk in een botsing, terwijl in de elektron-positron botsers de deeltjes de totale energie overbrengen naar de botsing. Dit betekent dat wetenschappers botsingsenergie kunnen aanpassen om het aantal geproduceerde Higgs-bosonen te maximaliseren. Tegelijkertijd zal de MLK slechts 250 miljard elektron-volt nodig hebben om de Higgs-bosonen te produceren in vergelijking met 13 biljoen elektron-volt bij de LHC.

Bij MLK "zal de kwaliteit van de ontvangen gegevens veel zijnhierboven, "zegt Lin Evans, elementaire deeltjesfysicus van de CERN in Genève. Eén op de 100 botsingen op de MLK produceert het Higgs-deeltje, terwijl dit bij de LHC gebeurt bij elke 10 miljard aanrijdingen.

De Japanse regering zal naar verwachting nemende beslissing over de rijder in maart. Evans zegt dat als MLK wordt goedgekeurd, het ongeveer 12 jaar zal duren om te maken. Later kan het gaspedaal ook worden opgewaardeerd om de energie te vergroten die het kan bereiken.

CERN heeft plannen om een ​​soortgelijke machine te maken -Compact Linear Collider (CLIC). Het zal ook elektronen en positronen botsen, maar bij hogere energieën dan MLK. De energie begint met 380 miljard elektronvolt en neemt toe tot 3 biljoen elektronvolt in een reeks updates. Om deze hogere energieën te bereiken, is het noodzakelijk om een ​​nieuwe deeltjesversnellingstechnologie te ontwikkelen, wat betekent dat CLIC duidelijk niet vóór de MLK zal verschijnen, zegt Evans, die de samenwerking leidt van onderzoekers van beide projecten.

Draait in een cirkel

Twee andere geplande botsers in China enEuropa, zal rond zijn, zoals de LHC, maar veel meer: ​​elke cirkel is 100 kilometer. Dit is een voldoende grote cirkel om het land Liechtenstein dubbel te omringen. Dit is praktisch de lengte van de ringweg van Moskou.

Circulaire elektron-positron collider, plaatsde constructie waarvan in China nog niet is vastgesteld, zal elektronen en positronen naar 240 miljard elektronvolt duwen, volgens een conceptueel plan dat officieel werd gepresenteerd in november en wordt beschermd door Wan en het Institute of High Energy Physics. Deze accelerator kan later worden opgewaardeerd om protonen met hoge energie te duwen. Wetenschappers zeggen dat ze zouden kunnen beginnen met het bouwen van deze machine, ter waarde van $ 5-6 miljard in 2022, en het voltooien tegen 2030.

En bij CERN de voorgestelde Future Circularde collider, BKK, zal ook in fasen het werk ingaan, waarbij elektronen met positronen en later protonen in botsing komen. Het uiteindelijke doel is om proton-botsingen te bereiken bij 100 triljoen elektron-volt, wat meer is dan zeven keer de energie van de LHC.

Ondertussen sloten wetenschappers de LHC voor twee jaar,de machine opwaarderen om met een hogere energie te werken. In 2026 zal een BAC met een hoge helderheid werken, wat de frequentie van protonbotsingen ten minste vijf keer zal verhogen.

Higgs portret

Toen de LHC werd gebouwd, waren wetenschappers voldoendezeker om het Higgs-deeltje mee te vinden. Maar bij nieuwe auto's is het niet duidelijk welke nieuwe deeltjes moeten worden gezocht. Ze zullen eenvoudig beschrijven hoeveel de Higgs samenwerkt met andere bekende deeltjes.

Higgs interactiemetingen kunnen bevestigenVerwachtingen van het standby-model. Maar als de waarnemingen afwijken van de verwachtingen, kan het verschil indirect wijzen op de aanwezigheid van iets nieuws, zoals deeltjes die deel uitmaken van donkere materie.

Sommige wetenschappers hopen dat er iets gebeurt.onverwacht. Omdat het Higgs-deeltje zelf een mysterie is: deze deeltjes verdichten zich tot een vloeistof, vergelijkbaar met melasse. Waarom? We hebben geen idee, zegt deeltjesfysicus Michael Peskin van Stanford University. Deze vloeistof doordringt het universum, vertraagt ​​de deeltjes en geeft ze gewicht.

Een ander mysterie is dat de massaHiggs een miljoen miljard minder dan verwacht. Deze eigenaardigheid kan erop wijzen dat er andere deeltjes zijn. Eerder dachten wetenschappers dat ze in staat zouden zijn om te reageren op Higgs-problemen met behulp van de theorie van supersymmetrie - een medeklinker dat elk deeltje een zwaardere partner heeft. Maar dit gebeurde niet, omdat de LHC geen spoor van supersymmetrische deeltjes vond.

Toekomstige botsers kunnen nog steeds vindenbewijs van supersymmetrie of anderszins een hint naar nieuwe deeltjes, maar deze keer zullen wetenschappers geen beloften doen. Nu zijn ze meer bezig met het ontwikkelen van prioriteiten en het brengen van argumenten ten gunste van nieuwe botsers en andere experimenten in de deeltjesfysica. Eén ding is zeker: de voorgestelde versnellers zullen onbekend terrein verkennen met onvoorspelbare resultaten.

Mis geen updates over dit onderwerp in onze kanalen. in Telegram.