През 2008 г. лъч от протони за първи път се закопчава около Големия адронен колайдер (LHC), най-мощният ускорител на частици в света. Сега, десетилетие по-късно, е време да направим равносметка на това, което научихме благодарение на това съоръжение и какво предстои.
Това счетоводство включва както бъдещи изследвания, които LHC може да проведе, така и възможни нови съоръжения, които биха могли да се сблъскат частици при енергии, далеч надвишаващи това, което LHC може да постигне. Предложени са две, а може и три възможни замествания за LHC. Така че, нека да прегледаме къде сме и къде сме стигнали през последното десетилетие.
Историята на LHC е едновременно вълнуваща и бурна, като събитията варират от катастрофални щети върху огромните магнити на инструмента в първите дни на експлоатация, до издигане, подобно на феникс от тази трагедия, последвано от солидни и вълнуващи открития, включително откриването на бозонът на Хигс. Тази находка спечели Питър Хигс и Франсоа Енглерт Нобеловата награда, както бяха предвидили частицата преди повече от половин век. Необичайно е светът бързо да следи новините по физика на частиците, но обявяването на откриването на Хигс доведе до новинарски излъчвания по целия свят.
Намиране на нова физика
Физиците също бяха на ръба на местата си, очаквайки това, което се надяваха, че ще бъдат неочаквани открития. В продължение на почти половин век учените имат настоящото теоретично разбиране за поведението на субатомната материя. Това разбиране се нарича Стандартен модел на физиката на частиците.
Моделът обяснява наблюдаваното поведение на молекулите и атомите на обикновената материя и дори на най-малките известни градивни елементи, наблюдавани някога. Тези частици се наричат кварки и лептони, като кварците се намират вътре в протоните и неутроните, които съдържат ядрото на атома и с електрони са най-познатите лептони. Стандартният модел обяснява и поведението на всички известни сили, с изключение на гравитацията. Това е наистина изключително научно постижение.
Стандартният модел обаче не обяснява всички неща от теоретичната физика. Не обяснява защо изглежда че кварците и лептоните съществуват в три различни, но почти идентични конфигурации, наречени поколения. (Защо три? Защо не две? Или четири? Или една? Или 20?) Този модел не обяснява защо нашата Вселена е изградена изцяло от материя, когато най-простото разбиране на теорията на относителността на Алберт Айнщайн казва, че Вселената също трябва да съдържа равно количество антиматерия.
Стандартният модел не обяснява защо изследванията на Космоса предполагат, че обикновената материя на атомите съставлява само 5 процента от материята и енергията на Вселената. Остатъкът се смята, че се състои от тъмна материя и тъмна енергия. Тъмната материя е форма на материята, която изпитва само гравитация и никоя от другите основни сили, докато тъмната енергия е форма на отблъскваща гравитация, която прониква в Космоса.
Преди първите операции на LHC, физици като мен се надяваха, че атомният уред ще ни помогне да отговорим на тези озадачаващи въпроси. Най-често цитираната теория на кандидата за обяснение на тези пъзели се нарича суперсиметрия. Това предполага, че всички известни субатомни частици имат частици "суперпартнер". Те от своя страна биха могли да дадат обяснение на тъмната материя и да отговорят на някои други въпроси. Въпреки това, физиците не са наблюдавали някаква суперсиметрия. Нещо повече, данните от LHC изключиха най-простите теории, включващи суперсиметрия. И така, какво е постигнал LHC?
LHC направи много
Е, като изключим цялото нещо с бозона на Хигс, LHC е предоставила данни за четирите си големи експериментални сътрудничества, в резултат на което са над 2000 научни труда. Вътре в LHC частиците са били смачкани една в друга с енергия 6,5 пъти по-висока от тези, постигнати от Fermilab Tevatron, който притежаваше титлата на най-мощния ускорител на частици в света за четвърт век, докато LHC пое тази корона.
Тези тестове на Стандартния модел бяха много важни. Всяко едно от тези измервания би могло да не се съгласи с прогнозите, което би довело до откриване. Оказва се обаче, че стандартният модел е много добра теория и той направи точни прогнози при енергиите на сблъсък на LHC, както и за енергийните нива в по-ранния Tevatron.
И така, проблем ли е това? В съвсем реален смисъл отговорът е не. В крайна сметка науката е толкова за тестване и отхвърляне на грешни нови идеи, колкото за валидиране на правилни.
От друга страна, не може да се отрече, че учените биха били много по-развълнувани да открият явления, които по-рано не са били предвиждани. Откритията от този тип движат човешкото познание, което е кулминация в пренаписването на учебниците.
Историята на LHC не е приключила
И сега какво? LHC приключи ли да ни разкаже своята приказка? Едва ли. Всъщност изследователите с нетърпение очакват подобрения в оборудването, които ще им помогнат да проучат въпроси, на които не могат да се справят, като използват настоящите технологии. LHC затвори в началото на декември 2018 г. за две години на ремонти и модернизации. Когато ускорителят възобнови работата си през пролетта на 2021 г., той ще се върне с леко увеличение на енергията, но удвои броя на сблъсъците в секунда. Като вземат предвид бъдещите планирани подобрения, учените от LHC засега са записали едва 3 процента от очакваните данни. Въпреки че ще отнеме много години, за да се пресеят всички констатации, сегашният план е да се запишат около 30 пъти повече данни, отколкото са получени до момента. С много повече данни, които предстоят, LHC все още има много история.
И все пак, докато LHC ще работи вероятно още 20 години, напълно разумно е също да попитате: „Какво следва?“. Физиците на частици мислят за изграждането на последващ ускорител на частици, който да замени LHC. Следвайки традицията на LHC, една възможност би сблъскала лъчи протони заедно с умопомрачителни енергии - 100 трилиона електронни волта (TeV), което е много по-голямо от максималната способност на LHC от 14 TeV. Но постигането на тези енергии ще изисква две неща: Първо, ние трябва да изградим магнити, които са два пъти по-мощни от тези, които бутат частици около LHC. Това се смята за предизвикателно, но постижимо. Второ, ще се нуждаем от друг тунел, подобен на LHC, но доста над три пъти по-голям, с обиколка на топката (100 километра), около четири пъти по-голяма от тази на LHC.
Но къде ще бъде построен този голям тунел и как всъщност ще изглежда той? Какви лъчи ще се сблъскат и с каква енергия? Е, това са добри въпроси. Ние не сме достатъчно далеч в процеса на проектиране и вземане на решения, за да получим отговори, но има две много големи и завършени групи физици, които мислят за проблемите, и всяка от тях генерира предложение за нов ускорител. Едно от предложенията, до голяма степен управлявано от европейските изследователски групи, представя изграждането на голям допълнителен ускорител, най-вероятно разположен в лабораторията на CERN, точно извън Женева.
Според една идея, съоръжение там ще се сблъска с лъч от електрони и антиматериални електрони. Поради разликите между ускоряващите протони в сравнение с електроните - един електронен лъч губи повече енергия около кръговата структура, отколкото протонният лъч - този лъч би използвал тунела с дължина 61 мили, но работи с по-ниска енергия, отколкото ако беше протони. Друго предложение би използвало същия ускорител, дълъг 61 мили, за да се сблъска с греди на протони. По-скромното предложение би използвало сегашния LHC тунел, но с по-мощни магнити. Тази опция само ще удвои енергията на сблъсък над това, което LHC може да направи сега, но това е по-малко скъпа алтернатива. Друго предложение, до голяма степен подкрепено от китайски изследователи, представя изцяло ново съоръжение, предполагаемо изградено в Китай. Този ускорител също ще бъде на около 61 мили наоколо и ще сблъсква електрон и антиматерия заедно, преди да премине към сблъсък на протони-протони около 2040 година.
Тези два потенциални проекта все още са в етап на разговор. В крайна сметка учените, които правят тези предложения, ще трябва да намерят правителство или група от правителства, желаещи да приемат законопроекта. Но преди това да се случи, учените трябва да определят възможностите и технологиите, необходими, за да направят тези нови съоръжения възможни. И двете групи наскоро пуснаха обширна и задълбочена документация за дизайна си. Това не е достатъчно за изграждането на предлаганите от тях съоръжения, но е достатъчно и двете да сравнят прогнозните показатели на бъдещите лаборатории и да започнат да съставят надеждни прогнози за разходите.
Изследването на границата на знанието е трудно начинание и може да отнеме много десетилетия от първите мечти за изграждане на съоръжение с такъв мащаб, чрез операции до спирането на съоръжението. Тъй като отбелязваме 10-годишнината от първия лъч в LHC, си струва да направим равносметка какво е постигнало съоръжението и какво ще донесе бъдещето. Струва ми се, че ще има вълнуващи данни за следващото поколение учени, които ще изучават. И може би, просто може би ще научим още няколко от увлекателните тайни на природата.
Дон Линкълн е изследовател по физика в Fermilab, Той е автор на „Големият адронов колайдер: Изключителната история за Хигс Босън и други неща, които ще взривят ума ви"(Johns Hopkins University Press, 2014), и той произвежда поредица от научно образование видеоклипове, Следвай го във Фейсбук, Мненията, изразени в този коментар, са негови.
Дон Линкълн допринесе тази статия за науката на живо Гласове на експерти: Op-Ed & Insights.
