Nitko se ne miješa s Velikim hadronskim sudarom. To je vrhunsko razbijanje čestica sadašnjeg doba i ništa ne može dotaknuti njegove energetske mogućnosti ili sposobnost proučavanja granica fizike. Ali sva je slava prolazna i ništa ne traje vječno. Napokon, negdje oko 2035., svjetla u ovom krugu dužine 17 kilometara (27 kilometara) ugasit će se. Što dolazi nakon toga?
Konkurentske grupe širom svijeta trude se da im osiguraju financijsku podršku kako bi ideje o svojim sudarama za kućne ljubimce postale sljedeća stvar. Jedan je dizajn opisan 13. kolovoza u radu u časopisu za pretisak arXiv. Poznat kao kompaktni linearni sudarač (ili CLIC, jer je to sladak), čini se da je predloženi masivni, subatomski željeznički pištolj prednji pokretač. Koja je prava priroda Higgsovog bozona? Kakav je odnos prema vrhunskom kvarku? Možemo li pronaći bilo kakve nagovještaje fizike izvan standardnog modela? CLIC će možda moći odgovoriti na ta pitanja. Uključuje samo sudarač čestica dulji od Manhattana.
Subatomske drag utrke
Veliki hadronski sudarač (LHC) razbija zajedno pomalo teške čestice poznate kao hadroni (otuda i naziv objekta). Imate gomilu hadrona u tijelu; protoni i neutroni najčešći su predstavnici tog mikroskopskog klana. U LHC-u, okrugli i okruženi hadroni idu u golemi krug, sve dok se ne približe brzini svjetlosti i započnu razbijanje. Iako je impresivno - LHC dostiže energije koje ne može usporediti niti jedan drugi uređaj na Zemlji - cijeli posao je zbrkan. Napokon, hadroni su čestice konglomerata, samo vrećice drugih, sitnijih, temeljnijih stvari, a kad se hadroni razbiju, sva im se crijeva prolijevaju na sve strane, što analizu čini kompliciranom.
Suprotno tome, CLIC je dizajniran da bude mnogo jednostavniji, čišći i kirurškiji. Umjesto hadrona, CLIC će ubrzati elektrone i pozitrone, dvije svjetlosne, temeljne čestice. I ova će mlaznica ubrzati čestice ravno u pravcu, bilo gdje od 7 do 31 milje (11 do 50 km), ovisno o konačnom dizajnu, pravo do cijevi.
Sve ove strahote neće se dogoditi odjednom. Trenutni plan je da CLIC krene s manjim kapacitetom 2035. godine, i to upravo kad se LHC smanjuje. CLIC prve generacije će raditi na samo 380 gigaelektronvolta (GeV), manje od jedne trećine maksimalne snage LHC-a. U stvari, čak je i puna operativna snaga CLIC-a, trenutno usmjerena na 3 teraelektronvolta (TeV), manje od trećine onoga što LHC sada može učiniti.
Dakle, ako napredni sudarač čestica nove generacije ne može pobijediti ono što danas možemo, što je smisao?
Lovac Higgs
Odgovor CLIC-a je raditi pametnije, a ne teže. Jedan od glavnih ciljeva znanosti LHC-a bio je pronaći Higgsov bozon, dugo traženu česticu koja drugim česticama daje njihovu masu. Još u 1980-im i 1990-ima, kada se projektirao LHC, nismo bili sigurni da Higgs uopće postoji i nismo imali pojma koja je njegova masa i druga svojstva. Stoga smo morali izraditi instrument opće namjene koji bi mogao istražiti mnoge vrste interakcija koje bi sve potencijalno mogle otkriti Higgsa.
I jesmo. Hura!
Ali sada kada znamo da je Higgs prava stvar, možemo prilagoditi svoje sudare na mnogo uži skup interakcija. Pri tome ćemo nastojati proizvesti što više Higgsovih bozona, prikupiti hrpu sočnih podataka i naučiti puno više o ovoj misterioznoj, ali temeljnoj čestici.
I evo vam možda najčudnijeg žargona fizike koji ćete vjerojatno susresti ovaj tjedan: Higgsstrahlung. Da, dobro ste pročitali. Postoji proces fizike čestica poznat kao bremsstrahlung, a to je jedinstvena vrsta zračenja proizvedena gomilom vrućih čestica nabijenih u maleni okvir. Analogno tome, kada elektronu gurnete u položaj pri visokim energijama, oni se uništavaju jedni drugima u naletu energije i novih čestica, među kojima je i Z bozon uparen s Higgsom. Dakle, Higgsstrahlung.
S 380 Gev, CLIC će biti tvornički dodatak Higgsstrahlung.
Iza gornjeg kvarka
U novom je radu Aleksander Filip Zarnecki, fizičar na Sveučilištu u Varšavi u Poljskoj i član suradnje CLIC-a, objasnio trenutni status dizajna objekta, temeljen na sofisticiranim simulacijama detektora i sudarima čestica.
Nada CLIC-a je da jednostavno proizvodimo što više Higgsovih bozona u čistom, lakom za proučavanje okruženju, možemo saznati više o česticama. Postoji li više od jednog Higga? Razgovaraju li međusobno? Koliko snažno djeluje Higgs sa svim ostalim česticama Standardnog modela, teorijom supatomske fizike?
Ista filozofija bit će primijenjena na gornji kvark, najmanje dobro razumljiv i najrjeđi kvarkovi. Vjerojatno niste čuli puno o vrhunskom kvarku jer je vrsta usamljenika - bio je to posljednji kvark koji smo otkrili, a srećemo ga tek rijetko. Čak i u početnim fazama, CLIC će proizvesti oko milijun vrhunskih kvarkova, pružajući statističku snagu koja se ne čuje kod korištenja LHC-a i ostalih sudara modernog doba. Odatle se tim iza CLIC-a nada da će istražiti kako gornja čestica kvarka propada, što se događa vrlo rijetko. Ali s milijun njih, možda biste mogli nešto naučiti.
Ali to nije sve. Svakako, jedna stvar je objediniti Higgsov i gornji kvark, ali pametan dizajn CLIC-a omogućava mu prolazak preko granica Standardnog modela. LHC je dosad suh u potrazi za novim česticama i novom fizikom. Iako još uvijek ostaje puno godina da nas iznenadi, kako vrijeme prolazi, nada opada.
Kroz svoju sirovu proizvodnju bezbrojnih Higgsovih bozona i vrhunskih kvarkova, CLIC može tražiti nagovještaje nove fizike. Ako postoje neke egzotične čestice ili interakcija, to može suptilno utjecati na ponašanje, propadanje i interakcije ove dvije čestice. CLIC može čak proizvesti česticu koja je odgovorna za tamnu tvar, onu tajanstvenu, nevidljivu materiju koja mijenja tijek neba. Objekat neće moći izravno vidjeti tamnu tvar (jer je mrak), ali fizičari mogu uočiti kada nestaje energije ili zamaha prilikom sudara, što je siguran znak da se događa nešto funky.
Tko zna što CLIC može otkriti? Ali bez obzira na sve, moramo ići izvan LHC-a ako želimo dostojnu šansu za razumijevanje poznatih čestica našeg svemira i otkrivanje nekih novih.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin "Pitajte svemira" i "Svemirski radio, "i autor"Vaše mjesto u svemiru."
