Povratak 2008. godine, greda protona prvi put je premotala oko Velikog hadronskog sudarača (LHC), najmoćnijeg akceleratora čestica na svijetu. Desetljeće kasnije, došlo je vrijeme da se izvrši pregled onoga što smo naučili zahvaljujući ovoj ustanovi i onoga što je pred nama.
Ovo računovodstvo uključuje kako buduća istraživanja koja LHC mogu provesti, tako i moguće nove objekte koji bi se mogli sudariti česticama pri energiji daleko većoj od onoga što LHC može postići. Predložene su dvije, ili možda tri moguće zamjene za LHC. Dakle, pregledajmo gdje smo i gdje smo došli tijekom posljednjeg desetljeća.
Priča o LHC-u je uzbudljiva i burna, s događajima koji se kreću od katastrofalnih oštećenja ogromnih magneta instrumenta u prvim danima rada, do uspona iz feniksa iz te tragedije, praćenog čvrstim i uzbudljivim otkrićima, uključujući otkriće Higgsov bozon. Taj su nalaz zaradili Peter Higgs i Francois Englert Nobelovu nagradu, kao što su predviđali čestica prije više od pola stoljeća. Svijet je neobično da brzo prate vijesti iz fizike čestica, ali najava Higgsovog otkrića vodila je vijesti diljem svijeta.
Pronalaženje nove fizike
Fizičari su također bili na rubu svojih sjedala, čekajući ono što su se nadali neočekivanim otkrićima. Gotovo pola stoljeća znanstvenici su razrađivali aktualno teorijsko razumijevanje ponašanja subatomske materije. To se razumijevanje naziva Standardni model fizike čestica.
Model objašnjava promatrano ponašanje molekula i atoma obične materije, pa čak i najmanjih poznatih građevnih blokova ikad promatranih. Te se čestice nazivaju kvarkovi i leptoni, s kvarkovima koji se nalaze unutar protona i neutrona koji čine jezgro atoma i elektroni su najpoznatiji lepton. Standardni model objašnjava i ponašanje svih poznatih sila, osim gravitacije. To je doista izvanredno znanstveno dostignuće.
Međutim, Standardni model ne objašnjava sve stvari u teorijskoj fizici. To ne objašnjava zašto izgleda da kvarkovi i leptoni postoje u tri različite, ali gotovo identične konfiguracije, koje se nazivaju generacijama. (Zašto tri? Zašto ne dva? Ili četiri? Ili jedan? Ili 20?) Ovaj model ne objašnjava zašto je naš svemir u potpunosti sastavljen od materije, kada najjednostavnije razumijevanje teorije relativnosti Alberta Einsteina kaže da svemir također treba sadržavati jednaka količina antimaterije.
Standardni model ne objašnjava zašto studije kosmosa sugeriraju da obična materija atoma čini samo 5 posto materije i energije svemira. Smatra se da se ostatak sastoji od tamne materije i tamne energije. Tamna materija je oblik materije koja doživljava samo gravitaciju i nijednu drugu osnovnu silu, dok je tamna energija oblik odbojne gravitacije koja prožima kozmos.
Prije prvih operacija LHC-a, fizičari poput mene nadali su se da će nam razbijanje atoma pomoći da odgovorimo na ova zagonetna pitanja. Najčešće citirana teorija kandidata za objašnjenje tih zagonetki nazvala se supersimetrijom. To sugerira da sve poznate subatomske čestice imaju čestice "superpartnera". Oni bi zauzvrat mogli objasniti tamnu materiju i odgovoriti na neka druga pitanja. Međutim, fizičari nisu primijetili supersimetriju. Štoviše, podaci LHC-a isključili su najjednostavnije teorije koje uključuju supersimetriju. Dakle, što je postigao LHC?
LHC je učinio puno
Pa, osim te čitave Higgsove stvari o bozonu, LHC je dao podatke o četiri velike eksperimentalne suradnje, što je rezultiralo s više od 2000 znanstvenih radova. Unutar LHC-a čestice su se međusobno razbile energijom 6,5 puta većom od one koju je postigao Fermilab Tevatron, koji je četvrt stoljeća imao titulu najmoćnijeg akceleratora čestica na svijetu, sve dok LHC nije preuzeo tu krunu.
Ovi testovi Standardnog modela bili su vrlo važni. Bilo koje od tih mjerenja moglo se ne slagati s predviđanjima, što bi dovelo do otkrića. Međutim, ispada da je Standardni model vrlo dobra teorija, pa je dao točne prognoze za energije sudara LHC kao i za razine energije u prethodnom Tevatronu.
Dakle, je li to problem? U vrlo stvarnom smislu, odgovor je ne. Napokon, znanost je toliko u ispitivanju i odbacivanju pogrešnih novih ideja koliko i o validaciji ispravnih.
S druge strane, ne negira se da bi znanstvenici bili mnogo uzbuđeniji kada bi pronašli fenomene koje ranije nisu predvidjeli. Otkrića te vrste pokreću ljudsko znanje, a vrhunac je u prepisivanju udžbenika.
Priča o LHC-u nije gotova
I što sad? Je li LHC završio da nam priča svoju priču? Jedva. Doista, istraživači se raduju poboljšanjima opreme koja će im pomoći da prouče pitanja koja ne mogu riješiti pomoću trenutne tehnologije. LHC se ugasio početkom prosinca 2018. godine za dvije godine obnove i nadogradnje. Kada akcelerator nastavi s radom u proljeće 2021., vratit će se s laganim porastom energije, ali udvostručuje broj sudara u sekundi. Uzimajući u obzir buduće planirane nadogradnje, znanstvenici LHC-a dosad su zabilježili samo 3 posto očekivanih podataka. Iako će proći mnogo godina da se prođu svi nalazi, trenutni plan je zabilježiti oko 30 puta više podataka nego što je dosad dobiveno. S puno više podataka koji slijede, LHC ima još puno toga za reći.
Ipak, dok će LHC raditi još 20 godina, potpuno je razumno pitati: "Što slijedi?" Fizičari čestica razmišljaju o izgradnji dodatnog akceleratora čestica koji će zamijeniti LHC. Slijedom tradicije LHC-a, jedna bi se mogućnost sudarala protonske zrake zajedno s neverovatnim energijama - 100 trilijuna elektrona volti (TeV), što je mnogo veće od LHC-ove najveće sposobnosti od 14 TeV. Ali za postizanje tih energija zahtijevat će dvije stvari: Prvo, mi bismo trebali izgraditi magnete koji su dvostruko jači od onih koji guraju čestice oko LHC-a. To se smatra izazovnim, ali ostvarivim. Drugo, trebat će nam još jedan tunel, sličan LHC-u, ali oko tri puta veći okolo, s opsegom kugle od 61 milje (100 kilometara), oko četiri puta većim od onog LHC-a.
Ali gdje će biti izgrađen ovaj veliki tunel i kako će on zapravo izgledati? Koje će se grede sudarati i kojom energijom? Pa, to su dobra pitanja. Nismo dovoljno daleko u procesu dizajniranja i odlučivanja da bismo dobili odgovore, ali postoje dvije vrlo velike i ostvarene skupine fizičara koje razmišljaju o problemima, i svaka je stvorila prijedlog za novi akcelerator. Jedan od prijedloga, velikim dijelom vođenim od europskih istraživačkih skupina, zamišlja izgradnju velikog dodatnog akceleratora, koji se najvjerojatnije nalazi u laboratoriji CERN-a, neposredno izvan Ženeve.
Prema jednoj ideji, postrojenje bi se sudaralo snop elektrona i antimaterijski elektroni. Zbog razlika između protona koji se ubrzavaju u usporedbi s elektronima - elektronska zraka gubi više energije oko kružne strukture nego što protonska zraka ima - ova bi se zraka koristila tunelom dužine 61 milju, ali radila je s nižom energijom nego ako bi bila protona. Drugi bi prijedlog upotrijebio taj akcelerator dugačak 61 kilometar za sudaranje greda protona. Skromniji prijedlog ponovno bi koristio trenutni LHC tunel, ali s moćnijim magnetima. Ta bi opcija samo udvostručila energiju sudara u odnosu na ono što LHC sada može, ali to je jeftinija alternativa. Drugi prijedlog, koji su u velikoj mjeri podržali kineski istraživači, zamišlja potpuno novi pogon, vjerojatno izgrađen u Kini. Ovaj akcelerator također bi bio udaljen oko 61 milju, a sudarao bi elektrone i antimaterijske elektrone, prije nego što bi se oko 2040. prebacio na sudare protona.
Ova dva potencijalna projekta još su u fazi razgovora. Na kraju će znanstvenici koji daju ove prijedloge morati pronaći vladu ili grupu vlada spremnih da podnese prijedlog zakona. No prije nego što se to može dogoditi, znanstvenici trebaju utvrditi sposobnosti i tehnologije potrebne za omogućavanje ovih novih postrojenja. Obje su grupe nedavno objavile opsežnu i temeljitu dokumentaciju o svojim dizajnovima. To nije dovoljno za izgradnju njihovih predloženih objekata, ali dovoljno je dobro usporediti predviđene performanse budućih laboratorija i započeti sastaviti pouzdana predviđanja troškova.
Istraživanje granica znanja težak je pothvat, a od prvih snova o izgradnji objekta tolike veličine, operacijama do gašenja objekta, može proći mnogo desetljeća. Kako obilježavamo desetogodišnjicu prvog snopa u LHC-u, vrijedno je sagledati što je postrojenje postiglo i što će nam donijeti budućnost. Čini mi se da će za sljedeću generaciju znanstvenika koje će proučavati biti uzbudljivi podaci. A možda ćemo, samo možda, naučiti još nekoliko fascinantnih tajni prirode.
Don Lincoln je istraživač fizike na Fermilab, Autor je knjige "Veliki hadronski sudarač: Izvanredna priča o Higgsovu bozonu i drugim stvarima koje će vam raznijeti duh"(Johns Hopkins University Press, 2014), a on proizvodi niz naučnih edukacija video, Prati ga Na Facebook-u, Mišljenja izražena u ovom komentaru su njegova.
Don Lincoln je ovom članku pridodao časopis Live Science's Glasovi stručnjaka: Op-Ed i Uvidi.
