2008. aastal tõmbas prootonite valgusvihk ümber maailma kõige võimsama osakestekiirendi Suure Hadroni põrkeseadise (LHC). Nüüd, kümme aastat hiljem, on aeg teha kokkuvõte sellest, mida oleme tänu sellele rajatisele õppinud ja mis ees ootab.
See arvestus hõlmab nii tulevasi uuringuid, mida LHC võib läbi viia, kui ka võimalikke uusi rajatisi, mis võivad osakeste energiaga põrkuda kaugemale, kui LHC suudab saavutada. LHC jaoks on pakutud välja kaks või võib-olla kolm võimalikku asendamist. Vaatame siis üle, kus me oleme ja kuhu oleme jõudnud viimase kümnendi jooksul.
LHC lugu on ühtaegu virgutav ja tormiline, sündmused ulatuvad hukatuslikest kahjustustest instrumendi tohutute magnetite jaoks esimestel operatsioonipäevadel kuni fööniksilaadse tõusuni sellest tragöödiast, millele järgnevad kindlad ja põnevad avastused, sealhulgas Higgsi boson. See leid teenis Peter Higgsi ja Francois Englerti jaoks Nobeli preemia, nagu nad ennustasid osakesele juba enam kui pool sajandit tagasi. Ebatavaline on, et maailm jälgib kiiresti osakestefüüsika uudiseid, kuid Higgsi avastuse teade viis uudisteülekandeid kogu maailmas.
Uue füüsika leidmine
Ka füüsikud olid oma kohtade ääres ja ootasid, mida nad lootsid, ootamatute avastustena. Ligi pool sajandit on teadlastel olnud praegune teoreetiline arusaam subatomaatilise aine käitumisest. Seda arusaama nimetatakse osakeste füüsika standardmudeliks.
Mudel selgitab tavalise aine molekulide ja aatomite ning isegi väikseimate teadaolevate ehitusplokkide käitumist, mida eales täheldatud. Neid osakesi kutsutakse kvarkideks ja leptoniteks, kvarke leitakse aatomi tuuma moodustavate prootonite ja neutronite sees ning elektronid on kõige tuntum lepton. Standardmudel selgitab ka kõigi teadaolevate jõudude, välja arvatud gravitatsiooni, käitumist. See on tõesti erakordne teaduslik saavutus.
Kuid standardmudel ei seleta kõiki teoreetilise füüsika asju. See ei selgita, miks kvargid ja leptonid näivad eksisteerivat kolmes erinevas, kuid peaaegu identses koosseisus, mida nimetatakse põlvkondadeks. (Miks kolm? Miks mitte kaks? Või neli? Või üks? Või 20?) See mudel ei seleta, miks meie universum koosneb täielikult ainest, kui Albert Einsteini relatiivsusteooria lihtsaim mõistmine ütleb, et universum peaks sisaldama ka võrdses koguses antimaterjali.
Standardmudel ei selgita, miks kosmoseuuringud viitavad sellele, et aatomite tavaline mateeria moodustab kõigest 5 protsenti universumi ainest ja energiast. Arvatakse, et ülejäänud osa koosneb tumedast ainest ja tumedast energiast. Tume mateeria on mateeria vorm, mis kogeb ainult gravitatsiooni ja mitte ühtegi muud põhijõudut, samas kui tume energia on kosmosesse tungiv vorm tõrjuv gravitatsioon.
Enne LHC esimesi operatsioone lootsid minusugused füüsikud, et aatomipurustaja aitab meil neile mõistatuslikele küsimustele vastata. Nende mõistatuste selgitamiseks kõige sagedamini viidatud kandidaatteooriat nimetati supersümmeetriaks. See viitab sellele, et kõigil teadaolevatel subatomaatilistel osakestel on vastassuunalised osakesed. Need omakorda võiksid selgitada tumeainet ja vastata mõnele muule küsimusele. Kuid füüsikud pole supersümmeetriat täheldanud. Veelgi enam, LHC andmed on välistanud lihtsamad supersümmeetriat sisaldavad teooriad. Mida on LHC saavutanud?
LHC on palju ära teinud
Noh, peale kogu Higgsi bosoni asja, on LHC lisanud andmeid oma neljale suurele eksperimentaalsele koostööle, mille tulemuseks on enam kui 2000 teadustööd. LHC sees on osakesed üksteise sisse purustatud energiaga, mis on 6,5 korda suurem kui Fermilab Tevatronil, mis kandis veerand sajandit maailma võimsaima osakestekiirendi tiitlit, kuni LHC selle võtsid.
Need standardmudeli testid olid väga olulised. Ükski neist mõõtmistest võinuks ennustustega mitte nõustuda, mis oleks viinud avastuseni. Siiski selgub, et standardmudel on väga hea teooria ja see tegi LHC põrkeenergiates sama täpsed ennustused nagu varasema Tevatroni energiatasemete puhul.
Niisiis, kas see on probleem? Väga reaalses mõttes on vastus eitav. Lõppude lõpuks tähendab teadus sama palju valede ideede katsetamist ja tagasilükkamist kui ka õigete valideerimist.
Teisest küljest ei saa eitada, et teadlastel oleks olnud palju põnevam leida nähtusi, mida varem ei ennustatud. Seda tüüpi avastused juhivad inimeste teadmisi, kulmineerudes õpikute ümberkirjutamisega.
LHC lugu pole veel läbi
Mis nüüd saab? Kas LHC on lõpetanud meile oma loo rääkimise? Vaevalt. Teadlased ootavad tõepoolest seadmete täiustusi, mis aitavad neil uurida küsimusi, mida nad ei suuda praeguse tehnoloogia abil lahendada. LHC suleti 2018. aasta detsembri alguses kaheaastaseks remondiks ja ümberehitamiseks. Kui gaasipedaal alustab tööd 2021. aasta kevadel, naaseb see kerge energia suurenemisega, kuid kahekordistab põrkumiste arvu sekundis. Võttes arvesse tulevikus kavandatavaid täiendusi, on LHC teadlased seni registreerinud vaid 3 protsenti loodetud andmetest. Ehkki kõigi leidude läbivaatus võtab palju aastaid, on praegune plaan registreerida umbes 30 korda rohkem andmeid kui seni on saadud. Kui on veel palju andmeid, on LHC-l veel palju lugu rääkida.
Kuigi LHC töötab tõenäoliselt veel 20 aastat, on täiesti mõistlik küsida ka: "Mis edasi saab?" Osakestefüüsikud mõtlevad LHC asendamiseks osakeste kiirendi ehitamisele. Järgides LHC traditsiooni, põrkaks üks võimalus prootonite kiiri kokku mõistuse tekitava energiaga - 100 triljonit elektronvolti (TeV), mis on palju suurem kui LHC tippvõimsus - 14 TeV. Kuid nende energiate saavutamiseks on vaja kahte asja: esiteks peaksime ehitama kaks korda võimsamad magnetid kui need, mis lükkavad osakesi ümber LHC. Seda peetakse keeruliseks, kuid saavutatavaks. Teiseks vajame veel ühte tunnelit, mis on sarnaselt LHC-dega, kuid ümberringi tublisti kolm korda suurem, kuulipargi ümbermõõt on 61 miili (100 kilomeetrit), umbes neli korda suurem kui LHC-l.
Aga kuhu see suur tunnel ehitatakse ja kuidas see tegelikult välja näeb? Millised talad põrkuvad ja millise energiaga? Noh, need on head küsimused. Me ei ole vastuste saamiseks piisavalt kaugel projekteerimis- ja otsustamisprotsessis, kuid on kaks väga suurt ja asjatundlikku füüsikute rühma, kes mõtlevad selle teema üle ja mõlemad on koostanud ettepaneku uue kiirendi jaoks. Üks ettepanekutest, mis on suuresti ajendatud Euroopa uurimisrühmadest, kujutab ette suure lisakiirendi ehitamist, mis tõenäoliselt asub CERNi laboris vahetult Genfi lähedal.
Ühe idee kohaselt põrkaks seal asuv rajatis kokku elektronide ja antimaterja elektronide kiirga. Kiirendavate prootonite ja elektronide vaheliste erinevuste tõttu - elektronkiir kaotab ümmarguse konstruktsiooni ümber rohkem energiat kui prootonkiir -, kasutaks see tala 61 miili pikkust tunnelit, kuid töötaks väiksema energiaga kui siis, kui see oleks prooton. Teine ettepanek kasutaks prootonite kiirte põrkamiseks sama 61 miili pikkust kiirendit. Tagasihoidlikuma ettepanekuga saaks praeguse LHC tunneli taaskasutada, kuid võimsamate magnetidega. See võimalus kahekordistaks kokkupõrke energia ainult üle selle, mida LHC praegu teha saab, kuid see on odavam alternatiiv. Teises ettepanekus, mida suuresti toetavad Hiina teadlased, on ette nähtud täiesti uus rajatis, mis arvatavasti ehitatakse Hiinas. See kiirendaja oleks ka umbes 61 miili ümber ja see põrkaks enne prooton-prootoni kokkupõrkeid umbes 2040. aastal kokku elektroni ja antimaterja elektrone.
Need kaks potentsiaalset projekti on alles kõnejärgus. Lõpuks peavad need ettepanekuid teinud teadlased leidma valitsuse või valitsuste grupi, kes on nõus seaduseelnõu koostama. Kuid enne, kui see juhtub, peavad teadlased kindlaks määrama võimalused ja tehnoloogiad, mis on vajalikud nende uute rajatiste võimaldamiseks. Mõlemad rühmad avaldasid hiljuti oma kavandite kohta põhjaliku ja põhjaliku dokumentatsiooni. Sellest ei piisa nende kavandatavate rajatiste ehitamiseks, kuid see on piisavalt hea, et nii võrrelda tulevaste laborite kavandatud tulemusi ja hakata koostama usaldusväärseid kuluprognoose.
Teadmiste piiriala uurimine on keeruline ettevõtmine ja esimestest unistustest sellise ulatusega rajatise ehitamisest võib operatsioonide ja rajatise sulgemiseni kuluda mitu aastakümmet. Kui tähistame LHCs esimese valgusvihu 10-aastast aastapäeva, tasub teha ülevaade sellest, mida rajatis saavutas ja mida tulevik toob. Mulle tundub, et järgmise põlvkonna teadlaste jaoks on uurimiseks põnevaid andmeid. Ja võib-olla, lihtsalt võib-olla õpime veel mõned looduse põnevad saladused.
Don Lincoln on füüsika teadur Fermilab. Ta on raamatu "Suur hadronite põrkaja: Higgsi Bosoni erakorraline lugu ja muud asjad, mis meelt löövad"(Johns Hopkins University Press, 2014) ja ta toodab rea teadusalast haridust videod. Järgne talle Facebookis. Selles kommentaaris avaldatud arvamused on tema.
Don Lincoln esitas selle artikli Live Science's Eksperthääled: Op-Ed ja teadmised.
