Keegi ei sega suure hadronite põrkajat. See on praeguse ajastu kõrgeim osakeste purustaja ja miski ei tohi puudutada selle energiavõimalusi ega võimet uurida füüsika piire. Kuid kogu hiilgus on ajutine ja miski ei kesta igavesti. Lõpuks kustuvad kuskil 2035. aasta paiku selle 17 miili pikkuse (27 kilomeetrit) võidusõidu tuled. Mis saab pärast seda?
Konkureerivad rühmad kogu maailmas ragisevad, et saada rahalist tuge, et nende lemmikloomade põrkumiste ideed oleks järgmine suur asi. Ühte kujundust kirjeldati 13. augustil eeltrükiajakirjas arXiv. Tuntud kui kompaktset lineaarset põrkevahendit (või CLIC, sest see on armas), näib väljapakutud massiivne subatomiline rööppüstol esireketina. Milline on Higgsi bosoni tegelik olemus? Milline on selle suhe tippkvarkiga? Kas me leiame tavamudelist kaugemale mingeid vihjeid füüsikast? CLIC võib olla võimeline neile küsimustele vastama. See hõlmab ainult Manhattanist pikemat osakeste põrkajat.
Subatomaatiline võidusõiduvõistlus
Suur hadronite põrkaja (LHC) purustab kokku mõnevõrra rasked osakesed, mida tuntakse hadronidena (sellest tuleneb rajatise nimi). Teie kehas on hunnik hadroneid; prootonid ja neutronid on selle mikroskoopilise klanni kõige tavalisemad esindajad. LHC-s lähevad hadronid ümber ja ümber hiiglasliku ringi, kuni nad lähenevad valguse kiirusele ja hakkavad purustama. Ehkki muljetavaldav - LHC jõuab energiateni, mida pole võrreldav ühegi teise Maal asuva seadmega -, on kogu asi üsna räpane. Lõppude lõpuks on hadronid konglomeraatosakesed, lihtsalt kotid muid, peenemaid ja põhimõttelisemaid asju ning kui hadronid purunevad, voolab kogu nende sisikond kõikjale, mis muudab analüüsi keeruliseks.
CLIC on seevastu kavandatud palju lihtsamaks, puhtamaks ja kirurgilisemaks. Hadronite asemel kiirendab CLIC elektronid ja positronid, mis on kaks kerget põhiosa. Ja see purustaja kiirendab osakesi sirgjooneliselt, kuskil 7–31 miili (11–50 km), olenevalt lõplikust konstruktsioonist, otse tünnist alla.
Kogu see fantastilisus ei juhtu korraga. Praegu on plaaniks, et CLIC hakkaks väiksema võimsusega 2035. aastal minema kohe, kui LHC lõpeb. Esimese põlvkonna CLIC töötab ainult 380 gigaelektronvolti (GeV), mis on vähem kui üks kolmandik LHC maksimaalsest võimsusest. Tegelikult on isegi CLIC-i täielik jõudlus, mis on praegu suunatud 3 teraelektronvoldile (TeV), vähem kui kolmandik sellest, mida LHC nüüd teha saab.
Niisiis, kui edasijõudnud järgmise põlvkonna osakeste põrkeseade ei suuda võita seda, mida me täna teha saame, siis mis mõtet on?
Higgsi jahimees
CLIC-i vastus on töötada nutikamalt, mitte kõvemini. LHC üks peamisi teaduseesmärke oli leida Higgsi boson, kaua otsitud osake, mis laenab teistele osakestele nende massi. 1980ndatel ja 1990ndatel, kui LHC-d kavandati, ei olnud me kindlad, et Higgid isegi olemas on, ja meil polnud aimugi, mis selle mass ja muud omadused olid. Niisiis pidime üles ehitama üldotstarbelise instrumendi, mis võiks uurida mitut tüüpi interaktsioone, mis kõik võiksid Higgsi paljastada.
Ja saime hakkama. Hooray!
Kuid nüüd, kui me teame, et Higgs on tõeline asi, võime häälestada oma kokkupõrkeid palju kitsamale interaktsioonide kogumile. Seejuures seame eesmärgiks toota võimalikult palju Higgsi bosone, koguda hunnik mahlaseid andmeid ja õppida selle salapärase, kuid põhiosakese kohta palju rohkem teada.
Ja siin tuleb võib-olla kõige kummalisem füüsika kõnepruuk, mida te sel nädalal tõenäoliselt kohtate: Higgsstrahlung. Jah, sa lugesid seda õigust. Osakeste füüsikas on protsess, mida tuntakse bremsstrahlung nime all. See on ainulaadne kiirgus, mida tekitab hunnik kuuma osakesi, mis on kokku surutud pisikesse kasti. Analoogia põhjal, kui sa surud elektroni kõrgete energiate asendisse, hävitavad nad üksteise energia ja uute osakeste, nende hulgas ka Z-bosoni ja Higgsi duši all. Seega, Higgsstrahlung.
Kell 380 Gev saab CLIC Higgsstrahlungi tehase ekstravalgustiks.
Ülemise kvargi taga
Uues artiklis selgitas Poolas Varssavi ülikooli füüsik ja CLIC-i liige Aleksander Filip Zarnecki rajatise kavandamise hetkeseisu, tuginedes detektorite keerukatele simulatsioonidele ja osakeste kokkupõrketele.
CLIC-iga loodetakse, et kui toota puhtas, hõlpsasti uuritavas keskkonnas võimalikult palju Higgsi bosoneid, saame osakeste kohta rohkem teada. Kas Higgsi on rohkem kui üks? Kas nad räägivad omavahel? Kui tugevalt seostub Higgs kõigi teiste standardmudeli osakestega, mis on subatomaatilise füüsika põhiteooria?
Sama filosoofiat rakendatakse ka kvarki kõige vähem mõistetava ja haruldaseima kvargi suhtes. Ülemise kvargi kohta pole arvatavasti palju kuulnud, kuna see on omamoodi üksik - see oli viimane avastatud kvark ja me näeme seda kunagi harva. Isegi algstaadiumis hakkab CLIC tootma umbes 1 miljon tippkvarki, pakkudes LHC ja muude tänapäevaste põrkeseadmete kasutamisel ennekuulmatut statistilist võimsust. Sealt loodab CLIC-i taga olev meeskond uurida, kuidas ülemine kvargiosake laguneb, mida juhtub väga harva. Kuid miljonist neist oleks teil lihtsalt võimalik midagi õppida.
Kuid see pole veel kõik. Muidugi, Higgsi ja tippkvargi viimistlemiseks on üks asi, kuid CLICi nutikas disain võimaldab sellel ületada standardmudeli piire. Siiani on LHC uute osakeste ja uue füüsika otsingutel jõudnud kuivale. Ehkki meie üllatamiseks on jäänud veel palju aastaid, on aja möödudes lootus kahanemas.
Loendamatute Higgsi bosonide ja tippkvarkide toore tootmise kaudu saab CLIC otsida näiteid uuest füüsikast. Kui seal on mõni eksootiline osake või interaktsioon, võib see delikaatselt mõjutada nende kahe osakese käitumist, lagunemist ja koostoimet. CLIC võib isegi toota osakese, mis vastutab tumeda aine eest - selle salapärase, nähtamatu aine, mis muudab taeva kulgu. Rajatis ei näe muidugi tumedat ainet otse (sest see on pime), kuid füüsikud saavad märgata, millal energia või hoog on kokkupõrke sündmusest kadunud.
Kes teab, mida CLIC võib avastada? Kuid ükskõik mida, peame minema LHC-st kaugemale, kui soovime korralikku võimalust oma universumi teadaolevate osakeste mõistmiseks ja mõne uue avastamiseks.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host "Küsi kosmosemehelt" ja "Kosmoseraadio, "ja" autoriSinu koht universumis."
