Dacă fizicienii de particule își fac drum, noile acceleratoare pot examina într-o bună zi cea mai curioasă particulă subatomică din fizică, bosonul Higgs. La șase ani de la descoperirea acestei particule la Colibrul de Hadroni Mari, fizicienii planifică mașini noi uriașe care se vor întinde pe zeci de kilometri în Europa, Japonia sau China.
Coliziuni noi: ce vor fi
Descoperirea acestei particule subatomice, care dezvăluie originea masei, a dus la finalizarea Modelului Standard, teoria generală a fizicii particulelor. Și a devenit, de asemenea, o realizare de reper pentru LHC, în prezent cel mai mare accelerator din lume - până la urmă, a fost construit pentru a căuta bosonul Higgs, deși nu numai.
Acum, fizicienii vor să se adâncească mai mult în misterele bosonului Higgs, în speranța că acesta va fi cheia pentru rezolvarea problemelor de lungă durată ale fizicii particulelor. "Higgs este o particulă specială", spune fizicianul Yifang Wang, director al Institutului de Fizică a Energiei Înalte din Beijing. „Credem că Higgs este o fereastră spre viitor”.
Marele colizor de Hadron, cunoscut și sub numele de LHC, format dintr-un inel lung de 27 de kilometri, în interiorul căruia protonii accelerează până la viteza luminii și se ciocnesc miliarde de ori pe secundă, aproape că au atins limita. A făcut o treabă excelentă în găsirea Higgs, dar nu este potrivit pentru cercetări detaliate.
Prin urmare, fizicienii de particule solicită un nou colizor de particule special conceput pentru a lansa grămezi de bosoni Higgs. Mai multe modele au fost propuse pentru aceste noi utilaje puternice, iar oamenii de știință speră că aceste fabrici Higgs ar putea ajuta la găsirea de soluții la punctele slabe ale modelului standard.
Video promotional:
"Modelul standard nu este o teorie completă a universului", spune fizicianul de particule experimentale, Galina Abramovici, de la Universitatea Tel Aviv. De exemplu, această teorie nu explică materia întunecată, o substanță neidentificată a cărei masă este necesară pentru a ține cont de observațiile cosmice, cum ar fi mișcarea stelelor în galaxii. De asemenea, nu reușește să explice de ce universul este format din materie, în timp ce antimateria este extrem de rară.
Proponenții noilor coliziuni susțin că un studiu atent al bosonului Higgs ar putea indica oamenii de știință pe calea rezolvării acestor mistere. Dar, printre oameni de știință, dorința de noi acceleratoare scumpe nu este susținută de toată lumea. Mai mult, nu este clar ce ar putea fi găsite exact astfel de mașini.
Urmatorul la rand
Primul din linie este International Linear Collider din nordul Japoniei. Spre deosebire de LHC, în care particulele se mișcă într-un inel, MLC accelerează două fascicule de particule într-o linie dreaptă, direct una peste alta, de-a lungul întregii sale lungimi de 20 de kilometri. Și în loc să împingă protonii împreună, împinge electronii și partenerii lor antimateri, pozitronii.
Cu toate acestea, în decembrie 2018, un comitet interdisciplinar al Consiliului Științific Japonez s-a opus proiectului, cerând guvernului să fie atent cu sprijinul său și să se întrebe dacă progresele științifice așteptate justifică costul coliziunii, care este estimat în prezent la 5 miliarde de dolari.
Proponenții susțin că planul MLK de a ciocni electroni și pozitroni, mai degrabă decât protoni, are câteva avantaje majore. Electronii și pozitronii sunt particule elementare, adică nu au componente mai mici, iar protonii sunt compuși din particule mai mici - quark. Aceasta înseamnă că coliziunile de protoni vor fi mai haotice și vor crea mai multe resturi de particule inutile, care vor trebui să fie cernute.
În plus, în coliziunile protonilor, doar o parte din energia fiecărui proton cade de fapt în coliziune, în timp ce în colizorii electron-pozitron, particulele transferă energia totală în coliziune. Acest lucru înseamnă că oamenii de știință pot regla energia de coliziune pentru a maximiza numărul de bosoni Higgs produși. În același timp, MLK ar necesita doar 250 de miliarde de volți de electroni pentru a produce bosoni Higgs, comparativ cu 13 trilioane de electroni volți la LHC.
La MLK, „calitatea datelor va fi mult mai bună”, spune fizicianul de particule Lyn Evans, de la CERN, la Geneva. Una din 100 coliziuni la MLK va produce bosonul Higgs, în timp ce la LHC se întâmplă o dată la 10 miliarde de coliziuni.
Guvernul japonez este de așteptat să ia o decizie cu privire la colizor în martie. Evans spune că, dacă MLK va fi aprobat, va dura aproximativ 12 ani. Ulterior, acceleratorul poate fi, de asemenea, modernizat pentru a crește energia pe care o poate atinge.
CERN intenționează să construiască o mașină similară, Compact Linear Collider (CLIC). De asemenea, se vor ciocni electroni și pozitroni, dar la energii mai mari decât MLK. Energia sa va începe la 380 miliarde de electroni volți și va crește la 3 trilioane de electroni volți într-o serie de actualizări. Pentru a atinge aceste energii mai mari, trebuie dezvoltată o nouă tehnologie de accelerare a particulelor, ceea ce înseamnă că CLIC nu va apărea înainte de MLK, spune Evans, care conduce colaborarea de cercetare pentru ambele proiecte.
Alergând în cerc
Celelalte două ciocane planificate, în China și Europa, vor fi la fel de rotunde ca LHC, dar mult mai mari: fiecare cu o circumferință de 100 de kilometri. Acesta este un cerc suficient de mare pentru a încerca țara Liechtenstein de două ori. Aceasta este practic lungimea șoselei de centură din Moscova.
Colizorul circular de electroni-pozitroni, al cărui amplasament de construcție în China nu a fost încă determinat, va ciocni 240 de miliarde de electroni volți de electroni și pozitroni, conform unui plan conceptual dezvăluit oficial în noiembrie și sponsorizat de Wang și de Institutul pentru Fizică de înaltă energie. Acest accelerator ar putea fi ulterior modernizat pentru a ciocni protoni cu energie mare. Oamenii de știință spun că ar putea începe construirea acestei mașini de 5-6 miliarde de dolari până în 2022 și să o completeze până în 2030.
Și la CERN, Viitorul Circular Collider propus, BKK, va intra în funcțiune în etape, ciocnind electroni cu positroni și protoni ulterior. Scopul final va fi realizarea coliziunilor de protoni la 100 de trilioane de electroni volți, de peste șapte ori mai mare decât energia LHC.
Între timp, oamenii de știință au închis LHC timp de doi ani, modernizând mașina pentru a folosi energie mai mare. În 2026, LHC cu o luminozitate ridicată va începe să funcționeze, ceea ce va crește frecvența coliziunilor de protoni cu cel puțin cinci ori.
Portretul lui Higgs
Când LHC a fost construit, oamenii de știință au fost suficient de încrezători pentru a găsi bosonul Higgs cu acesta. Dar cu mașinile noi, nu este clar ce particule noi trebuie să caute. Ei vor cataloga pur și simplu cât de puternic interacționează Higgs cu alte particule cunoscute.
Măsurătorile interacțiunilor Higgs pot confirma așteptările modelului standard. Dar dacă observațiile diferă de așteptări, discrepanța poate indica indirect prezența a ceva nou, cum ar fi particulele care formează materia întunecată.
Unii oameni de știință speră că se va întâmpla ceva neașteptat. Deoarece bosonul Higgs în sine este un mister: aceste particule se condensează într-un lichid asemănător melasei. De ce? Nu avem idee, spune teoreticianul de particule Michael Peskin de la Universitatea Stanford. Acest fluid pătrunde în univers, încetinind particulele și oferindu-le greutate.
Un alt mister este că masa Higgs este cu un milion de miliarde mai puțin decât se aștepta. Această ciudățenie poate indica faptul că există alte particule. Oamenii de știință au crezut anterior că ar putea răspunde la problema Higgs cu ajutorul teoriei supersimetriei - o consoană la care fiecare particulă are un partener mai greu. Dar acest lucru nu s-a întâmplat, deoarece LHC nu a găsit urme de particule supersimetrice.
Viitorii coliziuni pot găsi în continuare dovezi de supersimetrie sau altfel sugerează noi particule, dar de data aceasta oamenii de știință nu vor face promisiuni. Acum sunt mult mai ocupați să dezvolte priorități și să argumenteze în favoarea noilor coliziuni și a altor experimente în fizica particulelor. Un lucru este sigur: acceleratoarele propuse vor explora teritoriul necunoscut cu rezultate imprevizibile.
Ilya Khel
