Nihče se ne meša z velikim hadronskim trkalnikom. To je vrhovni razbijalec delcev današnje dobe in nič se ne more dotakniti njegovih energijskih zmožnosti ali sposobnosti za proučevanje meja fizike. Toda vsa slava je prehodna in nič ne traja večno. Sčasoma bodo nekje okrog leta 2035 ugasnile luči tega 17 kilometrov dolgega (27 kilometrov) obroča moči. Kaj pride po tem?
Konkurenčne skupine po vsem svetu se trudijo, da bi zagotovile finančno podporo, da bi bile naslednje ideje za trke njihovih ljubljenčkov naslednja velika stvar. Ena zasnova je bila opisana 13. avgusta v prispevku v reviji za tisk arXiv. Znana kot kompaktni linearni trkalnik (ali CLIC, ker je to luštno) se zdi, da je predlagana masivna, subatomska železniška pištola spredaj vozeča. Kakšna je resničnost Higgsovega bozona? Kakšen je odnos do vrha kvarka? Ali lahko najdemo namige fizike, ki presegajo standardni model? Na ta vprašanja bo morda odgovoril CLIC. Vključuje le trkalnik delcev dlje kot na Manhattnu.
Subatomske drag dirke
Veliki hadronski trkalnik (LHC) razbije nekaj težkih delcev, znanih kot hadroni (od tod tudi ime objekta). V telesu imate kup hadronov; protoni in nevtroni so najpogostejši predstavniki tega mikroskopskega klana. Na LHC krožijo hadroni v velikanskem krogu, dokler se ne približajo hitrosti svetlobe in začnejo razbijati. Čeprav je LHC impresiven - LHC dosega energije, ki jih ne more doseči nobena druga naprava na Zemlji - je celotna zadeva zelo zmedena. Konec koncev so hadroni delci konglomerata, samo vrečke drugih, drobnejših, bolj temeljnih stvari, in ko se hadroni razbijejo, se vsa njihova črevesja razlijejo povsod, zato je analiza zapletena.
Nasprotno je CLIC zasnovan tako, da je veliko enostavnejši, čistejši in bolj kirurški. Namesto hadronov bo CLIC pospešil dva elektrona in pozitrone, dva lahka, temeljna delca. In ta drobilnik bo pospešil delce v ravni liniji, od nekje od 7 do 31 milj (od 11 do 50 km), odvisno od končne zasnove, desno navzdol po sodu.
Vsa ta čudovitost se ne bo zgodila naenkrat. Trenutni načrt je, da CLIC začne manjše zmogljivosti leta 2035, in sicer ravno takrat, ko LHC preneha. CLIC prve generacije bo deloval s samo 380 gigaelektronvolti (GeV), manj kot eno tretjino največje moči LHC. Dejansko je celo celotna operativna moč CLIC, trenutno usmerjena na 3 teraelektronvolvote (TeV), manjša kot tretjino tistega, kar lahko LHC naredi zdaj.
Torej, če napredni trkalnik delcev nove generacije ne more premagati tega, kar lahko naredimo danes, kaj je smisel?
Lovec na Higgsa
Odgovor CLIC-a je delati pametneje, ne težje. Eden glavnih znanstvenih ciljev LHC je bil najti Higgsov bozon, dolgo iskani delček, ki drugim delcem posoja njihovo maso. V osemdesetih in devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je bil LHC zasnovan, nismo bili prepričani, da Higgs sploh obstaja, in nismo imeli pojma, kakšna je njegova masa in druge lastnosti. Tako smo morali sestaviti instrument splošne namene, ki bi lahko raziskal številne vrste interakcij, ki bi lahko vse razkrile Higgsa.
In smo tudi mi. Hooray!
Toda zdaj, ko vemo, da je Higgs resnična stvar, lahko svoje trkalce prilagodimo veliko ožjemu nizu interakcij. Pri tem si bomo prizadevali izdelati čim več Higgsovih bozonov, zbrati množico sočnih podatkov in izvedeti veliko več o tem skrivnostnem, a temeljnem delcu.
In tu je morda najbolj nenavaden kanček fizičnega žargona, ki ga boste verjetno srečali ta teden: Higgsstrahlung. Ja, prav ste prebrali. V fiziki delcev je znan postopek kot bremsstrahlung, ki je edinstvena vrsta sevanja, ki jo proizvede kup vročih delcev, utesnjenih v majceni škatli. Po analogiji, ko elektrona postavite v položaj z visokimi energijami, se med seboj uničijo v prhi energije in novih delcev, med njimi je Z bozon, povezan z Higgsovim. Od tod tudi Higgsstrahlung.
Ob 380 Gev bo CLIC tovarniška dodatna oprema tovarne Higgsstrahlung.
Mimo zgornjega kvarka
Aleksander Filip Zarnecki, fizik z univerze v Varšavi na Poljskem in član sodelovanja pri CLIC, je v novem prispevku pojasnil trenutno stanje zasnove objekta, ki temelji na zapletenih simulacijah detektorjev in trkih delcev.
Upanje pri CLIC je, da s preprosto izdelavo čim večjega števila Higgsovih bozonov v čistem okolju, ki ga je enostavno preučiti, lahko o delcih izvemo več. Ali obstaja več kot Higgsov? Ali se pogovarjata med seboj? Kako močno Higgs posega v vse ostale delce Standardnega modela, teorije subatomske fizike?
Enaka filozofija bo veljala za vrhunski kvark, najmanj dobro razumljen in najredkejši kvarki. Verjetno niste slišali veliko o zgornjem kvarku, ker je nekakšen samotar - bil je zadnji kvark, ki so ga odkrili in ga vidimo le redko. Tudi na začetnih stopnjah bo CLIC izdelal približno milijon vrhunskih kvarkov, ki bodo zagotavljali statistično moč, ki je bila neopazna pri uporabi LHC in drugih sodobnih trkalcev. Od tam si ekipa, ki stoji za CLIC, upa raziskati, kako se delci zgornjega kvarka razpadajo, kar se zgodi zelo redko. Toda z milijonom njih bi se morda lahko kaj naučili.
A to še ni vse. Seveda je ena stvar razviti Higgsov in vrhunski kvark, toda pametna zasnova CLIC omogoča, da se pomakne čez meje standardnega modela. Doslej je LHC pri iskanju novih delcev in nove fizike prišel suh. Čeprav nas čaka še veliko let, da nas preseneti, ko časi trajajo, upanje upada.
S svojo surovo proizvodnjo neštetih Higgsovih bozonov in vrhunskih kvarkov lahko CLIC poišče namige nove fizike. Če je zunaj kakšen eksotični delček ali interakcija, lahko to subtilno vpliva na vedenje, razpadanje in interakcije teh dveh delcev. CLIC lahko celo ustvari delce, ki so odgovorni za temno snov, tisto skrivnostno, nevidno snov, ki spremeni potek nebes. Objekt seveda ne bo mogel neposredno videti temne snovi (ker je temna), vendar fiziki lahko opazijo, ko v trčenju izgine energija ali zagon, kar je zanesljiv znak, da se dogaja nekaj fajn.
Kdo ve, kaj bi lahko odkril CLIC? Toda ne glede na to, moramo preseči LHC, če želimo dostojno priložnost za razumevanje znanih delcev našega vesolja in odkrivanje nekaterih novih.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj "Vprašajte vesoljca" in "Vesoljski radio, "in avtor"Vaše mesto v vesolju."
